Soluzioni per reti mesh

Un’invisibile rete, realizzata senza fili, ci consente di trasferire informazioni e dati all’interno di vasti spazi senza impiegare grandi potenze di trasmissione.

Basate principalmente sullo standard IEEE 802.11 e i suoi derivati, meglio conosciute come Wi-Fi, le reti “wireless mesh” (magliate senza fili) operano solitamente alla frequenza di 2.4 GHz, attraversano uffici ed aree urbane rendendo possibile il trasferimento a grande distanza di dati senza necessariamente impiegare grandi potenze di trasmissione. Il concetto, ampiamente noto nel settore delle telecomunicazioni agli esperti di trasmissione dati (vedi LAN), è diventato sempre più diffuso grazie allo sviluppo di dispositivi transceiver integrati, i quali in pochi millimetri quadrati di silicio inglobano tutto il necessario per ricevere, elaborare e trasmettere informazioni digitali ad alta velocità (fino 54 Mbps) in un raggio limitato di distanze (hot spot) compreso tra alcune decine e qualche centinaio di metri. L’impiego di frequenze di trasmissione così elevate, un tempo riservato agli specialisti di radio frequenza, diventa oggi semplice e immediato lasciando al progettista elettronico il solo problema dell’integrazione con l’applicazione propria e, al massimo, quello della collocazione delle antenne. Il pregio di queste architetture a maglia è rappresentato non solo dal fatto di impiegare potenze limitate di trasmissione, ma soprattutto dalla possibilità di utilizzare percorsi alternativi in caso di fuori servizio verificatosi presso uno dei nodi di comunicazione. Aggiungere o sostituire un dispositivo in rete (access point), avviene in modo del tutto automatico grazie alla caratteristica di routing prevista per ciascun elemento della rete. Qualunque elemento della maglia (nodo) può essere utilizzato per redirigere il traffico dei dati presso un altro nodo a quello adiacente. Disponendo opportunamente i nodi, si può facilmente coprire una vasta area geografica, pervenendo ai concetti di WPAN (Wireless Personal Area Network), WLAN (Wireless Local Area Network), WMAN (Wireless Metropolitan Area Network), fino alla WAN (Wide Area Network) ben conosciuta da tutti noi per l’utilizzo nell’ambito delle comunicazioni mobili.

CENNI STORICI

Lo standard IEEE 802.11 dalla sua apparizione nel lontano 1997 (nato per governare le reti LAN cablate) ha subito numerose modifiche direttamente legate all’avanzare delle tecnologie ed all’ambito di applicazione. Sono sorte, così, decine di varianti che aggiungono un suffisso allo standard base, pervenendo alle versioni altrettanto note come WLAN: 802.11b, 802.11a/g, 802.11n, sempre più veloci e prestanti. A fianco di questo standard ne sono poi sorti altri che disciplinano il funzionamento delle reti WPAN come Zigbee (802.15.4), Bluetooth (802.15.1) etc. La Figura 1 sintetizza meglio questa evoluzione.

Figura 1: evoluzione degli standard wireless.

Figura 1: evoluzione degli standard wireless

I dispositivi di rete, con l’avanzare delle tecnologie, consentono coperture topologiche su distanze sempre maggiori e con velocità di trasmissione sempre più alte. Le reti mesh trovano ampia applicazione in ambito commerciale, professionale, medico, industriale, grazie all’affidabilità raggiunta da questi dispositivi sia in termini di sicurezza sia in termini di throughput. È possibile prevederne il loro utilizzo laddove fino ad oggi dominava incontrastata la rete cablata Ethernet 10BaseT. Molti sono i progetti pilota avviati da parte di amministrazioni pubbliche e organismi di ricerca sui quali si sta spingendo la sperimentazione. Lo scenario si va allargando sempre più, infatti, uno dei punti di forza di questa tecnologia consiste nella capacità di coesistenza tra i vari standard, i quali possono sconfinare l’uno dall’altro, ad esempio è possibile costruire la propria rete in ambiente bluetooth e poi tramite routing collegarsi a Internet con IP statico o dinamico oppure alla rete mobile GSM/GPRS etc., con risultati facilmente immaginabili. In questo articolo non si vuole insistere sulla dissertazione teorica, rinviando al lettore la decisione di approfondire l’argomento presso le fonti bibliografiche (si veda, ad esempio, www.wi-fi.org), qui si intende piuttosto analizzare lo scenario delle soluzioni disponibili in commercio, proposte dalle principali case costruttrici. Capostipiti di questa tecnologia sono, ovviamente, le case d’oltreoceano, molte di queste già familiari ai nostri lettori, come ad esempio: Texas Instruments, Microchip, Freescale etc., affiancate da qualcuna meno nota ma non per questo meno efficiente, come Amp’ed RF, rappresentata in Italia da Celte srl. Purtroppo, lo spazio limitato di questo articolo non ci consente di citare tutte le case costruttrici, ci limiteremo pertanto a descrivere le soluzioni che meglio rappresentano lo stato dell’arte e che sono facilmente disponibili in commercio.

TEXAS INSTRUMENTS

Questo è, probabilmente, il produttore che ha percorso le tappe più significative di questo sviluppo. Nel portfolio di prodotti wireless proposti dalla casa figurano, infatti, soluzioni single chip per ogni tipo di standard, applicazione e potenza di trasmissione. Ci sembra doveroso citare il dispositivo WL1271 che rappresenta senz’altro lo stato dell’arte di questa tecnologia (Figura 2).

Figura 2: caratteristiche generali del modulo WL1271-TiWi.

Figura 2: caratteristiche generali del modulo WL1271-TiWi

Questo chip, infatti, nato per applicazioni a basso consumo e alte prestazioni (WLAN di 6a generazione) opera a 2.4 Ghz secondo IEEE-802.11 b/g/n oppure in modalità Bluetooth (7a generazione). Il componente si presenta come un modulo self consistent, e ingloba tutto il necessario per la sua facile integrazione nell’applicazione finale senza necessità di grandi conoscenze nel settore RF. Il suo impiego riduce l’ingombro sul PCB, i tempi di sviluppo e di omologazione e quindi di accesso al mercato. Per la valutazione e lo sviluppo del prodotto sono disponibili varie piattaforme che consentono l’integrazione del WL1271-TiWi con un processore della famiglia Texas ARM based. Il supporto allo sviluppo prevede, tra l’altro, i driver per Linux WLAN e lo stack BlueZ Bluetooth, oltre a numerose application notes e codice in formato source. Il supporto per altri sistemi operativi come WinCE e Android è previsto a breve. Tutte le informazioni necessarie su questo modulo sono reperibili sul sito www.ti.com/wl1271-tiwi. Tuttavia, come si affermava in apertura, Texas Instruments propone molte altre soluzioni per altri tipi di standard. Vale la pena ricordare il CC2520 transceiver ZigBee di seconda generazione IE-EE 802.15.4. Esso nasce per applicazioni WPAN in banda ISM a 2.4 GHz, lavora nel range industriale di temperatura da –40 a +125 °C in bassa tensione 1.8- 3.6 volt e un bit rate limitato a 256 Kbps. Si interfaccia facilmente con qualsiasi microprocessore tramite porta SPI e coesiste in ambito Bluetooth e Wi-Fi. La sua portata è limitata a qualche decina di metri avendo una potenza di soli +5 dbm, ma ha il grande vantaggio di essere veramente molto economico, 4-5 euro anche per poche unità. Il suo basso consumo lo rende particolarmente adatto per la realizzazione di reti di sensori con alimentazione a batteria in ambito residenziale o industriale.

MICROCHIP SEMICONDUCTOR

Questa casa, forse più nota per la vasta offerta di microprocessori che non per i dispositivi wireless, propone un interessante modulo denominato MRF24WB0MA/B, anch’esso molto prestante e di dimensioni e consumo ridotto. Basato sullo standard IEEE 802.11b e operante a 2.4 GHz, si presenta nelle versioni A e B, rispettivamente con antenna integrata oppure esterna con connettore coassiale ultraminiatura U.FL. Le applicazioni tipiche di questo modulo in ambito WLAN vanno dalla domotica ai terminali POS, dal monitoraggio di pazienti alle attrezzature per il fitness, etc. La Figura 3 illustra le caratteristiche del modulo MRF24WB0MA/B. L’interfaccia con questo modulo avviene attraverso la porta SPI. Il device è stato progettato per utilizzare lo stack TCP/IP di Microchip e può essere controllato da qualunque microprocessore della famiglia PIC18, PIC24, PIC32. Il supporto fornito da Microchip consente l’integrazione delle API all’interno del codice scritto per l’applicativo. Il modulo è facilmente reperibile in commercio sui cataloghi Farnell e RS, al costo di circa 25-30 euro.

Figura 3: caratteristiche generali del modulo MRF24WB0MA/B

Figura 3: caratteristiche generali del modulo MRF24WB0MA/B

AMP’ED RF

Partner tecnologico di ST Microelectronics per aver impiegato nei suoi moduli wireless i microprocessori della famiglia STM32, Cortex M3 based, questa azienda si distingue per una vasta offerta di moduli wireless davvero molto efficienti e compatti funzionanti in ambito Bluetooth e ZigBee (Figura 4).

Figura 4: riepilogo sinottico dell’offerta Amp’ed RF

Figura 4: riepilogo sinottico dell’offerta Amp’ed RF

Amp’ed RF consolida il partenariato con ST Ericcson utilizzando nei suoi transceiver il core STLC2690, un single chip contenente radio, memoria, CPU. Solo alcuni componenti esterni sono sufficienti per ottenere un “access point” Bluetooth V3.0 perfettamente compatibile con le direttive FCC. Inoltre, per facilitare lo sviluppo del firmware, il pacchetto Amp’ed UP stack è disponibile per i protocolli Bluetooth HCI, L2CAP, RFComm, SDP, GAP. Tutti i moduli Amp’ed RF sono interfacciabili con set di istruzioni AT, colloquiano tramite UART e dispongono di varie periferiche di servizio come ADC, DAC, SPI e varie linee di I/O di impiego generico, per personalizzare l’applicativo secondo le proprie esigenze. Sul sito della casa madre www.ampedrf.com sono disponibili application notes, stack protocollari, informazioni su evaluation board, sistemi di sviluppo, esempi di programmazione e tutto il supporto necessario per iniziare subito a lavorare in questo affascinante settore delle reti mesh.

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