Il 5G è ancora molto lontano: usate moduli 4G LTE già pronti per il telerilevamento e il controllo IoT in remoto

Agli sviluppatori di applicazioni IoT come quelle di telerilevamento e controllo in remoto viene chiesto con insistenza di trovare la soluzione ottimale per avere ovunque comunicazioni wireless dai costi contenuti, a basso consumo e a lunga portata. Tre requisiti particolarmente spinosi sono alta affidabilità, bassa latenza e interferenze minime. Anche se il 5G promette di rispondere a questi criteri, i progettisti possono utilizzare già da ora le reti cellulari 4G LTE che non sono destinate a essere soppiantate a breve.

Le applicazioni per il telerilevamento e il controllo in remoto includono il monitoraggio e la tracciabilità delle risorse globali, la misurazione delle utenze pubbliche, la connettività di macchine industriali e la manutenzione predittiva in grandi impianti all'aperto. Questi ultimi comprendono raffinerie, stabilimenti chimici e miniere, infrastrutture di città intelligenti, dispositivi indossabili e monitoraggio sanitario domiciliare e agricoltura intelligente.

Si è parlato molto del 5G in occasione del dispiegamento delle reti in varie regioni a opera di diversi fornitori, ma per il prossimo futuro continueranno a dominare le comunicazioni cellulari 4G. Pertanto, gli sviluppatori devono essere pragmatici al momento di scegliere le interfacce RF IoT. A parte la scelta del modulo RF, infatti, devono valutare attentamente l'ecosistema necessario per rendere fattibile IoT su rete cellulare. Gli elementi critici dell'ecosistema includono stack software, infrastruttura cellulare e anche i piani dati dell'operatore e i sistemi di fatturazione richiesti per garantire una copertura cellulare completa per l'utilizzo di IoT.

Questo articolo fornirà un'ampia panoramica sulle applicazioni IoT su rete cellulare e sulla tecnologia embedded necessaria per realizzarle. Illustrerà anche in modo dettagliato l'uso della tecnologia hardware e software corrente, oltre alle risorse che possono aiutare gli ingegneri a sviluppare progetti IoT su rete cellulare per le varie applicazioni ricordate sopra. Infine saranno fornite informazioni sui piani di dati già disponibili.

Perché non il 5G?

Nonostante i molti progressi fatti, gli standard delle apparecchiature e della rete 5G non sono ancora completamente finalizzati. E anche quando lo saranno, ci vorranno diversi anni per realizzare e implementare apparecchiature e reti 5G standardizzate. Nel frattempo, le prestazioni e la portata richieste dalla maggior parte delle applicazioni IoT sono assicurate dalle reti 4G LTE, che sono operative dal 2011.

Secondo una stima, le reti 4G LTE rappresentano circa il 40% dell'attuale mercato mondiale cellulare, mentre le più datate reti 2G e 3G rappresentano ciascuna il 30% circa del mercato. Anche pensando in una prospettiva che si spinge fino al 2025, la penetrazione di mercato del 5G non dovrebbe superare il 15% circa. Tenendo conto di questi dati, i progettisti di sistemi IoT che hanno bisogno di lunga portata e bassi consumi dovrebbero sfruttare l'infrastruttura cellulare esistente e conformarsi agli standard 4G LTE e a quelli precedenti. Questi standard si stanno anche evolvendo, come dimostrato dal 4G LTE, per soddisfare le esigenze di IoT.

Evoluzione di LTE per IoT

La Release 13 del Third Generation Partnership Project (3GPP) dello standard LTE ha stabilito nuove categorie LTE per le applicazioni IoT: la Categoria M1 (Cat-M1), precedentemente nota come eMTC (enhanced Machine Type Communication), e la Categoria NB1 (Cat-NB1), precedentemente nota come Narrowband-IoT (NB-IoT). Queste due categorie estendono LTE per IoT consentendo il supporto di consumi ridotti, maggiore portata, minore latenza e costi inferiori, oltre a interferenze minime in virtù del fatto che sono in bande con licenza.

Cat-M1 definisce un'ampiezza del canale di 1,4 MHz e un throughput di 375 kbit/s per l'uplink e di 300 kbit/s per il downlink. Cat-NB1 definisce un'ampiezza del canale molto più stretta di 200 kHz con un throughput misurato in decine di kilobit al secondo. La latenza di Cat-M1 va da 10 a 15 millisecondi circa, mentre le latenze di Cat-NB1 sono misurate in secondi, che in alcuni scenari di implementazione possono arrivare a 10.

Queste prestazioni sono sufficienti per molte applicazioni di rilevamento IoT come lettori di contatori, monitor delle condizioni di salute e applicazioni di fitness altamente mobili che possono sfruttare la lunga portata e l'onnipresenza delle comunicazioni cellulari. Attualmente nessun'altra tecnologia wireless a basso consumo e ampia area offre la scalabilità, la sicurezza e la longevità delle reti 4G LTE esistenti e sarà così anche per il prossimo futuro.

Connessione al cloud

Diversi fornitori offrono già moduli che funzionano come modem di dati cellulari o ne integrano uno in una piattaforma di sviluppo embedded. Questi moduli collegano i dispositivi IoT al cloud tramite le reti cellulari 4G LTE (o anche precedenti). Tuttavia, un modulo hardware da solo non è in grado di connettere un dispositivo IoT al cloud. Servono anche un software adeguato e una connessione gestita a un operatore di telefonia mobile. Senza questi tre presupposti non esiste connettività.

La scelta tra moduli IoT su rete cellulare con e senza processore per applicazioni (AP) dipende dallo stato del progetto hardware: ovvero, se parte da zero o se vuole aggiungere una connessione IoT su rete cellulare a un progetto embedded esistente. Quelle che seguono sono delle brevi presentazioni di alcuni circuiti integrati e moduli modem cellulari 4G LTE con e senza processore per applicazioni (AP) su scheda.

Il modulo LPWA (bassa potenza, ampia area) AirPrime WP7702 di Sierra Wireless integra un sottosistema di elaborazione delle applicazioni e un modem di dati cellulari in un contenitore compatto di 22x23x2,5 mm. Il modulo è conforme allo standard 3GPP Release 13 e implementa i protocolli Cat-M1 e Cat-NB1. Cat-M1 ha velocità dati di picco di 300 kbit/s in download e di 375 kbit/s in upload. Cat-NB1 ha velocità dati di 27 kbit/s in download e di 65 kbit/s in upload.

Figura 1: Il modulo RF AirPrime WP7702 di Sierra Wireless include un processore per applicazioni (AP) e il supporto per entrambi i protocolli cellulari Cat-M1 e Cat-NB1. (Immagine per gentile concessione di Sierra Wireless)

Oltre ai moduli RF AirPrime, Sierra Wireless offre l'ambiente di sviluppo integrato (IDE) Developer Studio. Costruito sull'IDE Eclipse Java, consente agli sviluppatori di creare le applicazioni servendosi del framework applicativo open source Legato con un'interfaccia grafica utente (GUI) intuitiva eseguibile su host Windows, Linux e MacOS. Il tool include utility e funzioni utili durante le varie fasi del ciclo di progettazione, a sostegno dello sviluppo del software per applicazioni di dati wireless.

Legato combina una distribuzione SO basata su Linux (eseguito su processore Arm® Cortex®-A7 da 1,3 GHz integrato del modulo WP7702), un Board Support Package (BSP) e strumenti di sviluppo personalizzati che vengono eseguiti su un PC host. Sierra Wireless offre anche la piattaforma IoT AirVantage, un portale self-service che assicura connettività e gestione dei dispositivi per un'ampia gamma di modem cellulari Sierra Wireless connessi a diversi altri operatori cellulari mondiali, tra cui AT&T, Verizon, NTT, Telstra, KT e SKT. AirVantage automatizza anche gli aggiornamenti firmware per i modem Sierra Wireless sulla connessione wireless.

Talon Communications, Inc. ha inserito il modulo WP7702 di Sierra Wireless su una scheda di supporto che si raddoppia diventando una piattaforma di sviluppo. Abbinati, il modulo WP7702 e la scheda di supporto comprendono la scheda di valutazione mangOH Red™, dotata di uno zoccolo integrato per una scheda micro SIM cellulare (necessaria per ottenere il servizio dell'operatore). La piattaforma mangOH Red ripartisce molti dei pin di interfaccia del modulo WP7702 ai connettori, compresi tre connettori di antenna, due connettori micro USB, una porta host USB a misura intera, una basetta con pin I/O I²C, SPI, UART e GPIO e un connettore di uscita audio stereo da 3,5 mm.

Figura 2: La scheda di sviluppo mangOH Red di Talon Communications supporta lo sviluppo di applicazioni per il modulo RF WP7702 di Sierra Wireless. (Immagine per gentile concessione di Talon Communications)

La porta host USB di mangOH Red collega la piattaforma di sviluppo a un computer host per lo sviluppo software. Il caricamento del driver Windows appropriato e l'installazione del Developer Studio Legato di Sierra Wireless completano la configurazione per lo sviluppo dell'applicazione IoT wireless tramite il modulo WP7702.

SARA-R410M-02B di u-blox è un modulo transceiver RF LTE Cat-M1 e Cat-NB1 ultracompatto di 16x26x2,5 mm in un contenitore LGA a 96 pin.

Questo modulo transceiver si collega a un processore host attraverso la sua interfaccia USB o UART ed è controllato dal processore host tramite un set di comandi AT orientati alle stringhe, definito da 3GPP. SARA-R410M-02B è inoltre provvisto di un'interfaccia per scheda SIM per l'identificazione del servizio dell'operatore.

Figura 3: Il modulo transceiver RF SARA-R410M-02B di u-blox implementa radio e banda base Cat-M1 e Cat-NB1 completa collegabile a un processore host. (Immagine per gentile concessione di u-blox)

Il kit di valutazione EVK-R4 di u-blox incorpora e ripartisce i pin I/O del modulo SARA-R410M di u-blox. Fornisce connettori appropriati per collegare il modulo alle antenne, all'alimentazione e a un processore host. Ha anche un portascheda SIM integrato e accetta una scheda figlia GNSS (sistema di navigazione cellulare globale). I dispositivi GNSS spesso sono abbinati a radio cellulari per applicazioni di rilevamento. (Per maggiori informazioni sui dispositivi e sui moduli GNSS, vedere "Progettare rapidamente sistemi di rilevamento della posizione utilizzando moduli GNSS" e "Aggiungere acquisizione veloce e alta precisione alle applicazioni di rilevamento tramite moduli GNSS a basso costo".)

Figura 4: Il kit di sviluppo EVK-R4 di u-blox ripartisce i pin I/O del modulo SARA-R410M di u-blox per semplificare lo sviluppo. (Immagine per gentile concessione di u-blox)

Hologram, Inc. ha preso il modulo SARA-R410M di u-blox e l'ha montato su una piccola scheda USB per creare HOL-NOVA-R410. Questa soluzione è un modo rapido di aggiungere capacità transceiver RF LTE Cat-M1 e Cat-NB1 ai prodotti esistenti con porte USB.

Figura 5: NOVA-R410 di Hologram Inc. inserisce un modem RF cellulare SARA-R410M di u-blox su una piccola scheda di supporto USB per semplificare l'aggiunta di comunicazioni RF IoT su lunga distanza a sistemi dotati di USB. (Immagine per gentile concessione di u-blox)

Il System-in-Package (SiP) nRF9160 di Nordic Semiconductor incorpora un microcontroller applicativo, un modem full LTE, un transceiver front-end e la gestione dell'alimentazione in un contenitore di 10x16x1 mm. Il modulo include il supporto GPS per la gestione delle risorse in movimento. La combinazione dei dati sulla posizione ottenuti dalla rete cellulare con trilaterazione satellitare GPS consente il monitoraggio remoto della posizione del dispositivo.

Il processore per applicazioni (AP) di nRF9160 è un Arm Cortex-M33 a 64 MHz, abbinato a 256 kbyte di RAM statica e 1 Mbyte di memoria flash. Il modem 4G LTE del modulo implementa i protocolli Cat-M1 e Cat-NB1 della Release 13 di 3GPP e i Cat-NB1 e Cat-NB2 della Release 14.

Il kit di sviluppo nRF9160-DK di Nordic Semiconductor per il modulo nRF9160 include un modulo nRF9160 montato su una scheda portante.

Figura 6: Il kit di sviluppo nRF9160-DK di Nordic Semiconductor ripartisce tutti i pin di un modulo cellulare nRF9160 per il lavoro di sviluppo ed è accompagnato da un esteso supporto software. (Immagine per gentile concessione di Nordic Semiconductor)

Il kit di sviluppo (SDK) software include:

• Il sistema operativo in tempo reale (RTOS) scalabile Zephyr Project per nRF9160
• Il bootloader sicuro MCUboot
• Le librerie indipendenti nrfxlib RTOS

Un diagramma a blocchi del kit di sviluppo nRF9160-DK mostra i componenti ausiliari di cui un nRF9160 potrebbe aver bisogno.

Figura 7: Il diagramma a blocchi del kit di sviluppo NRF9160-DK di Nordic Semiconductor illustra i componenti ausiliari di cui un SiP IoT su rete cellulare nRF9160 potrebbe aver bisogno. (Immagine per gentile concessione di Nordic Semiconductor)

Nordic consiglia di utilizzare l'IDE Embedded Studio di Segger Microcontroller Systems per realizzare le applicazioni nRF9160. Una versione specializzata di Embedded Studio di Segger è disponibile gratuitamente per l'uso con i dispositivi di Nordic Semiconductor, compreso il SiP nRF9160.

Due parole sui piani di dati

Prima di distribuire un dispositivo sulla rete di un operatore, occorre sottoporlo a un processo di qualificazione per accertarsi che sia conforme ai requisiti dell'operatore per quanto riguarda le bande e le interferenze. Prima di affrontare questo processo, lo sviluppatore deve scegliere un piano di dati idoneo e calcolarne il costo nel lungo termine. Per agevolargli il compito, qui viene fornito un elenco dei piani di dati cellulari IoT disponibili.

Conclusione

Il panorama IoT su rete cellulare sta cambiando rapidamente, specialmente con l'avvento e l'imminente introduzione delle tecnologie cellulari 5G. Anche se sono disponibili moduli RF per le applicazioni IoT su rete cellulare, affinché siano praticabili è richiesto il supporto di un ecosistema. Questo ecosistema include gli strumenti di sviluppo software, gli stack e le librerie necessarie per trasformare le soluzioni su chip e moduli in un prodotto implementabile. Finché il 5G non sarà ampiamente diffuso, i moduli basati su 4G LTE rimarranno ancora per molti anni una soluzione praticabile per il telerilevamento IoT e il controllo remoto.