Come attuare velocemente il rilevamento wireless a bassa potenza per l'IoT con i moduli RF LPWAN

Quando prendono in esame la connettività wireless per un sensore per Internet delle cose (IoT), gli sviluppatori pensano immediatamente ai protocolli Wi-Fi, Zigbee o Bluetooth. Spesso, tuttavia, le applicazioni necessitano di meno potenza e di un raggio maggiore, hanno un diverso modello di utilizzo e velocità di trasmissione dati inferiori a quelli offerti da queste tecnologie. Anziché progettare la propria interfaccia wireless da zero, con i costi, i possibili ritardi e rifacimenti che ne conseguono, per una gamma relativamente nuova di reti WAN a bassa potenza (LPWAN) gli sviluppatori possono optare per moduli di serie.

Queste LPWAN, tra cui Sigfox, LoRaWAN e la più recente RIIoT (Radiocrafts Industrial IoT), sono state pensate per collegare sensori relativamente semplici che funzionano a frequenze di campionamento modeste e che inviano brevi e poco frequenti burst di dati a lunghe distanze, sino a 50 chilometri e persino oltre. Applicazioni di questo tipo sono spesso soggette a vincoli di potenza molto stretti, perché sensori che si trovano in luoghi remoti o scomodi necessitano di batterie a lunga durata. In teoria, sensori collocati in luoghi simili potrebbero funzionare in modo affidabile con batterie a bottone oppure ministilo per ben 10 anni.

In questo articolo tratteremo dei requisiti di progettazione tipici del rilevamento IoT a lungo raggio e delle caratteristiche di Sigfox, LoRaWAN e RIIoT. Passeremo poi a presentare moduli di Pi Supply, Sigfox e Radiocrafts e ad illustrarne l'utilizzo.

Caratteristiche delle reti LPWAN

La banda stretta delle LPWAN è un ingrediente essenziale del loro funzionamento a bassa potenza (Figura 1). In base agli assunti della teoria dell'informazione, la larghezza di banda del segnale e il rapporto segnale/rumore (SNR) sono strettamente collegati al tasso di errore dei trasferimenti di informazioni. A valori più elevati di SNR o a una banda più stretta, corrisponde un tasso di errore inferiore.

Figura1: La banda stretta delle LPWAN consente loro di funzionare su distanze più lunghe e con meno potenza. Immagine per gentile concessione di Peter R. Egli tramite Slideshare)

Le LPWAN sfruttano questa relazione per trasferire informazioni in modo estremamente affidabile su lunghe distanze con bassa potenza in uscita. Utilizzando una velocità di trasmissione dati relativamente bassa, i sistemi LPWAN riducono inoltre i loro requisiti in fatto di larghezza di banda del segnale. Perciò, i sistemi LPWAN possono comunicare a distanze che si misurano in chilometri.

Un secondo elemento chiave dei sistemi LPWAN è l'uso di frequenze inferiori a 1 GHz nelle bande internazionali senza licenza industriali, scientifiche e mediche (ISM) (886 - 906 MHz). Un funzionamento a queste frequenze (con lunghezze d'onda superiori) riduce la perdita di percorso nello spazio libero, potenziando il raggio effettivo per una potenza di trasmissione data, secondo l'equazione 1:

Equazione 1

Dove:

d = distanza

λ = lunghezza d'onda

A frequenze più basse, ostacoli come muri ed edifici assorbono meno energia di radiofrequenza (RF), perciò i sistemi LPWAN hanno un'eccellente capacità di penetrazione negli ambienti urbani.

I progetti ISM non necessitano di licenza ma devono comunque rispondere alle normative internazionali in materia di potenza e di compatibilità elettromagnetica per il funzionamento nella banda ISM.

Esempi di LPWAN

Esistono svariate opzioni per le reti LPWAN, ma i progettisti che puntano allo sviluppo rapido di applicazioni IoT basate su sensori hanno fondamentalmente tre scelte: LoRaWAN, Sigfox e la nuova RIIoT. Per ciascuna di queste esistono moduli pre-configurati di interfaccia radio e sensori che gli sviluppatori possono semplicemente inserire nei loro progetti nonché kit di sviluppo che agevolano la configurazione veloce e lo sviluppo delle applicazioni.

LoRaWAN si basa su standard aperti gestiti da LoRa Alliance e sulla tecnologia radio proprietaria a divisione di spettro posseduta e licenziata da Semtech Corp. La rete utilizza una topologia "star-of-stars", che consente ai singoli nodi di comunicare con più gateway, consentendo il roaming. Supporta comunicazioni bidirezionali tra gateway e nodi e affida ai gateway la trasmissione di messaggi da un nodo all'altro, nonché a un server sul cloud.

La rete LoRaWAN consente una velocità di trasmissione dati da 300 bit/s a 50 kbit/s, gestisce carichi utili di messaggi sino a un massimo di 243 byte e utilizza larghezze di banda del segnale di 125 kHz o 250 kHz. Supporta velocità di trasmissione dati adattive per mantenere l'affidabilità del segnale in condizioni mutevoli e può arrivare a coprire 5 km in un ambiente urbano e sino a 20 km con la linea visuale libera (LoS). Gli utenti possono sviluppare nodi e sfruttare le reti commerciali oppure mettere in piedi reti private con gateway e reti di accesso proprie.

Sigfox è un protocollo proprietario sviluppato e gestito da Sigfox, che concede in licenza la propria tecnologia agli sviluppatori di chip e fornisce accesso agli utenti alla propria ree attraverso stazioni di gateway in tutto il mondo. Mantenendo la sua velocità dati a 600 bit/s con una larghezza di banda del segnale di 100 Hz, Sigfox riesce ad aumentare il raggio, che arriva a 40 km con linea visuale libera e a 10 km in ambienti urbani. La leggerezza del suo protocollo limita i pacchetti di messaggi di uplink a 26 byte (con un massimo di 12 byte di dati utente) così che i trasmettitori vengono alimentati per poco tempo. I nodi possono inviare solo 140 messaggi al giorno e i gateway messaggi di downlink ai nodi solo quattro volte al giorno dopo aver ricevuto un messaggio di uplink da loro. Di conseguenza, le radio dei nodi rimangono attive per poco tempo e sono in modalità di sospensione per la maggior parte del tempo riducendo così al minimo il consumo energetico.

Le radio LPWAN sono a basso consumo ma nel mondo reale "basso consumo" è un termine relativo. Ad esempio, Radiocrafts propone due opzioni di potenza distinte per la sua gamma di moduli Sigfox. Il modulo di interfaccia sensori ad alta potenza RC1692HP-SSM comunica con un microcontroller host tramite una connessione UART e mette a disposizione porte SPI, I²C, analogiche e GPIO per il collegamento ai sensori (Figura 2). Funziona con un'alimentazione da 2,8 a 3,6°V.

Figura 2: Moduli completi di interfaccia radio e sensori per Sigfox come RC1692HP-SSM di Radiocrafts assorbono solo 20 µA quando non trasmettono. (Immagine per gentile concessione di Radiocrafts)

In modalità di sospensione il modulo assorbe 1 µA. In modalità attiva, con i sensori collegati, assorbe meno di 20°µA in standby e 292°mA in trasmissione.

Il modulo RC1682-SSM con potenza inferiore si rivolge al mercato europeo e assorbe molta meno corrente, solo 58°mA in trasmissione.

RIIoT è una delle opzioni per LPWAN più nuove a disposizione degli sviluppatori. Si basa sullo standard per lo strato fisico (PHY) IEEE 802.15.4g/e creato inizialmente per lo smart metering e le applicazioni di controllo di processo, cui aggiunge funzionalità RF e di controllo di accesso ai media (MAC) per supportare i bassi consumi, il lungo raggio e livelli avanzati di sicurezza. In una rete a stella, la comunicazione è bidirezionale e genera ritardi prevedibili inferiori a 15°ms per le applicazioni di controllo quasi in tempo reale.

RIIoT offre due velocità di trasmissione dati, 5°kbit/s e 50°kbit/s, e due livelli di potenza in modo che gli sviluppatori possano raggiungere il miglior compromesso tra vantaggi e svantaggi in tema di durata della batteria, velocità dei dati e raggio d'azione, a seconda delle loro esigenze. Nell'impostazione di bassa potenza e alta velocità dei dati, le reti RIIoT possono raggiungere i 5 km in linea di veduta e 200 metri in ambiente urbano, con una trasmissione a burst di 3,5°ms. Con una potenza più alta in uscita a una minore velocità di trasmissione dati, il loro raggio d'azione può raggiungere 60°km in linea di veduta e 2°km in ambiente urbano in burst di 45°ms. La corrente di sospensione per tipici nodi foglia è di 0,7°µA.

La costruzione di una rete RIIoT necessita di tre elementi base: un nodo, un gateway e un software per il controller di rete. I singoli nodi foglia utilizzano un modulo come RC1880CEF-SPR di Radiocrafts, che incorpora un convertitore analogico/digitale (ADC) oltre a interfacce GPIO, I²C, SPI e UART. Questi nodi comunicano in modalità wireless con un PC Linux che usa o il modulo compatibile RC1880CEF-GPR su una scheda che può essere innestata in uno slot di espansione, oppure un dongle USB collegato a una delle sue porte USB.

Per trasformare il PC in un gateway RIIoT lo sviluppatore dovrà installare un terzo elemento: il middleware RIIoT Net Controller. È un software che, oltre a gestire la rete, inclusi gli aggiornamenti via etere (OTA) del firmware ai nodi foglia, converte i dati e i comandi in oggetti JSON per semplificare l'interfacciamento con il cloud.

Figura 3: Una rete RIIoT completa contiene nodi foglia, un PC Linux che ospita un modulo gateway e software per il controller. (Immagine per gentile concessione di Radiocrafts)

Una delle funzionalità principali che RIIoT aggiunge allo standard IEEE202.15.4 sottostante è la capacità di implementare la sicurezze end-to end per le trasmissioni di dati. Mentre Sigfox non supporta la crittografia e LoRaWAN supporta la crittografia nei suoi collegamenti wireless tra nodo e gateway, RIIoT porta la sicurezza a un livello superiore.

Con RIIoT, ogni nodo può avere una chiave di sicurezza univoca, consentendo al sistema di mantenere la crittografia del messaggio dal nodo sino al programma applicativo basato su cloud che interagisce con esso. I gateway possono semplicemente far passare il messaggio crittografato, non hanno bisogno di accedere ai contenuti.

I moduli e i kit per velocizzare la programmazione: RIIoT

Gli sviluppatori che desiderano implementare reti IoT LPWAN possono accelerare il lavoro di programmazione utilizzando uno dei tanti moduli preconfigurati di interfaccia radio e sensori disponibili per le varie reti. Questi moduli hanno già trovato una soluzione per tutti gli spinosi problemi posti dalla progettazione RF, dalla riduzione della potenza e dall'implementazione dei protocolli e sono essenzialmente dispositivi drop-in per il processore host. Inoltre, i moduli dispongono di pre-certificazione di conformità agli standard normativi per le bande ISM. Gli sviluppatori devono ancora ottenere la certificazione per il prodotto finale, ma essendo l'elemento radio già collaudato, il processo risulta semplificato e l'esito più certo.

Questi moduli aiutano anche a snellire la progettazione fornendo interfacce sensori incorporate e la logica di controllo. RC1880CEF-SPR di Radiocrafts, ad esempio, dispone di interfacce per l'ingresso analogico negli ADC, GPIO per gli interruttori, I²C e SPI per i sensori compatibili e di un UART per il collegamento al processore dell'host (Figura 4). Gli sviluppatori possono inserire questo modulo nei loro progetti per rispondere sia ai requisiti della comunicazione wireless sia dell'interfaccia sensori del loro sistema. Il modulo può essere programmato per gestire autonomamente la configurazione, il controllo e il campionamento del sensore, semplificando il compito del processore per applicazioni. I sensori e le comunicazioni sembrano semplicemente operazioni di lettura e scrittura nella memoria del codice applicativo.

Figura 4: I moduli per i sistemi LPWAN possono contenere sia interfacce radio sia sensori, per semplificarne l'integrazione nella progettazione di sistemi di sensori IoT. (Immagine per gentile concessione di Radiocrafts)

I kit di sviluppo, come RC1880-RIIOT-DK, possono aiutare gli sviluppatori a mettere a punto velocemente una rete RIIoT end-to-end completa a fini sperimentali. Questo kit contiene i nodi foglia, i moduli gateway e il software di sistema per una rete completa. Sono inclusi anche gli strumenti software per la programmazione dei nodi foglia in C per gestire i sensori collegati.

Moduli e kit di sviluppo per LoRaWAN e Sigfox

Anche per le reti LoRaWAN sono facilmente reperibili moduli preconfigurati per l'implementazione dei sistemi IoT. Un buon esempio è costituito dal modulo PIS-1019 RAK811 per LoRaWAN di Pi Supply (Figura 5).

Figura 5: Il modulo PIS-1019 RAK811 per LoRaWAN di Pi Supply ha un'interfaccia sensori incorporata oltre a una porta seriale per il controllo da parte di un microcontroller host tramite comandi AT standard. (Immagine per gentile concessione di Pi Supply)

Questo dispositivo offre una porta seriale a un microcontroller host che controlla il modulo tramite comandi AT standard. Per contribuire alla realizzazione di una rete completa, il kit di sviluppo PIS-1037 per PIS-1019 contiene un modulo concentratore di gateway che può trasformare un controller PCIe host in un gateway/punto di accesso/router (Figura 6).

Figura 6: Gli utenti di LoRaWAN possono stabilire il proprio gateway di rete usando le risorse di Pi Supply PIS-1037, il kit di sviluppo per PIS-1019. (Immagine per gentile concessione di Pi Supply)

Anche Radiocrafts dispone di kit di sviluppo completi per Sigfox quali il kit RC1692HP-SSM-DK per il modulo RC1692HP-SSM RF e RC-1682-SSM DK per il modulo RF RC1682-SSM. Questi rendono possibile il collaudo e lo sviluppo immediato di moduli radio Sigfox. I kit contengono sensori di temperatura e di umidità, un accelerometro e un sensore effetto Hall.

Gli sviluppatori che utilizzano Sigfox non hanno tuttavia la possibilità di creare le proprie reti. Sigfox si occupa del funzionamento e della manutenzione dei gateway di sistema e delle reti d'accesso per i quali gli utenti pagano una tariffa. Tuttavia, i moduli vengono forniti con ID pre-codificati e chiavi crittografiche e iniziano a inviare dati al cloud Sigfox dopo una procedura di installazione minima, al termine della registrazione.

Conclusione

Per i progettisti che desiderano effettuare collegamenti a lungo raggio e a bassa potenza tra sensori a bassa velocità di trasmissione dati e l'IoT, soluzioni LPWAN come RIIoT, LoRaWAN e Sigfox rappresentano alternative convincenti al Wi-Fi, a Zigbee o alle reti cellulari dotate di licenza. Ciascuna ha i propri vantaggi specifici, ma tutte possono supportare applicazioni che vanno dai contatori intelligenti all'allevamento intelligente.