L'IoT è alla portata di tutti

Di Rolf Horn

Contributo di DigiKey

2020-10-07

Il mondo della tecnologia sta evolvendo a ritmi forsennati e l'applicazione di nuove tecnologie ai prodotti wireless non dà segno di rallentamento. Internet delle cose (IoT) sta alimentando l'innovazione in quasi ogni settore della nostra vita. Il solo connettere "cose" che non sono mai state collegate prima sta portando a vedere i dati in modo più profondo e ciò si traduce in cambiamenti significativi. L'IoT è un trend tecnologico macroscopico che non sarà solo una prova di resistenza per i sistemi legacy, ma modellerà anche il destino di piccole e grandi aziende in molti settori diversi. Le stime prevedono 50 miliardi di dispositivi connessi a IoT entro la fine del 2020 e 100 miliardi entro il 2025.

Grazie all'evoluzione degli standard di trasmissione alla luce delle esigenze dei dispositivi IoT, i patiti del wireless hanno buon gioco nel tentare di progettare un nuovo schema di modulazione, soprattutto dato che il numero di nuovi sensori da accoppiare in wireless è davvero notevole. Anche l'accessibilità di queste tecnologie da parte di un vasto pubblico è molto maggiore che in passato. Questo articolo discute entrambe le tendenze e cerca di capire come tutti possano mettere le mani su questa tecnologia poco costosa e onnipresente già da adesso.

Le tecnologie radio LPWAN (rete a bassa potenza e ampio raggio) sono disponibili su infrastrutture cellulari ormai da qualche anno. L'Internet delle cose a banda stretta (NB-IoT), le tecnologie LTE-M e LTE-MTC (Long Term Evolution Machine Type Connection) e l'eMTC (enhanced Machine Type Communication) godono di grande popolarità, poiché offrono il vantaggio di sfruttare i piloni a traliccio cellulari esistenti utilizzati per il traffico voce e ad alta larghezza di banda. Tuttavia, un dispositivo che necessita solo occasionalmente di reporting e controllo non ha bisogno di un'alta larghezza di banda e visto che molti sono alimentati a batteria gli standard di potenza e di larghezza di banda richiesti da queste tecnologie sono inferiori.

Tra le altre tecnologie che non sfruttano le reti cellulari esistenti e richiedono infrastrutture costruite appositamente citiamo Sigfox, LoRa/LoRaWAN e NB-Fi. Il loro svantaggio intrinseco è la necessità di un uplink per accoppiarsi alla rete Internet più estesa. Gli operatori di rete non cellulare forniscono questo uplink tra i loro servizi ma ciò implica il coinvolgimento di un altro sistema di rete con cui negoziare.

Tuttavia, gli operatori delle reti cellulari sono aziende di grandissime dimensioni e l'idea di poter competere con loro non è realistica. La soluzione migliore consiste nell'acquistare "tempo" sulle loro reti dotandosi di modem conformi ai loro standard pagando un canone mensile di affitto.

Le reti non cellulari possono essere costruite con capitali modesti ma coprono un'area geografica non proprio estesa a livello mondiale sinché non vengono collegate a un server che fa da ponte verso la rete Internet. A prescindere, vi sono molti casi di reti che non richiedono una connettività a livello mondiale. Un impianto industriale di sensori di assemblaggio e produzione ne è un esempio. Infatti, la rete dovrebbe essere isolata in queste applicazioni.

La buona notizia è che l'accesso alle reti cellulari e i chip e i moduli per costruire reti personali a bassa potenza sono disponibili e i piani dati per reti cellulari possono costare anche solo 3,00 dollari al mese. Serve solo un modem certificato da un operatore di rete cellulare e il vostro dispositivo sarà "online" in tutto il mondo.

Le soluzione elettroniche sotto forma di moduli continuano a crescere in modo esponenziale. Se non hanno le competenze per progettare a livello di chip, i progettisti possono ricorrere a dispositivi radio già assemblati e certificati. Oltre a dispensare gli utenti dal possedere una particolare preparazione sulle radiofrequenze, abbreviano il tempo per la commercializzazione dei prodotti. In un recente controllo a campione, dopo aver esaminato i chip usati nei moduli per appurare quale tipo di cliente acquistasse quale tipologia, è stato sorprendente vedere che le aziende che possedevano la preparazione necessaria non solo acquistavano gli stessi chip presenti nei moduli ma acquistavano anche i moduli, entrambi gli articoli in quantità da produzione, pari a migliaia di unità. Ciò suffraga l'idea che può essere più conveniente arrivare sul mercato prima con un articolo che ha costi maggiori per testare la risposta del mercato che progettare un prodotto ottimizzato nei costi da zero. Se le dimensioni del mercato da testare sono sufficientemente grandi, si può procedere all'ottimizzazione dei costi sino ad arrivare a livello di chip. Ma c'è un livello anche più basso di quello dei chip, ed è quello che in questo articolo chiamo il livello della forma d'onda.

Le SDR, ovvero le radio definite dal software, consentono a uno sviluppatore di fare esperimenti con nuovi schemi di modulazione. Se esiste un'esigenza unica e il progettista ha la competenza necessaria, è possibile sviluppare uno standard radio proprietario. E anche se non si hanno le competenze adeguate, fare esperimenti con una SDR può insegnare al progettista un sacco di cose e farlo divertire. Ad esempio, un collega dell'autore di questo articolo ha un brevetto per la decodifica di trasmissioni stereo FM mediante interpolazione del valore del segnale in banda base nell'istante preciso in cui il segnale è uguale alla forma d'onda destra o sinistra e senza che l'orologio sincronizzi il sistema con la portante RF. Si tratta di un approccio software alla scomposizione del segnale composito e tutto questo può essere implementato oggi in una SDR. Quel brevetto ha quasi 30 anni e non è stato semplice da sviluppare. È semplice oggi con una SDR di serie.

Una SDR di questo tipo è il modulo di apprendimento avanzato ADALM-PLUTO di Analog Devices disponibile in pronta consegna per USD 150 a settembre 2020. Questi moduli si interfacciano con un PC con un collegamento USB, contengono un FPGA che può essere facilmente riconfigurato, supportano estensivamente il linguaggio di programmazione Python e possono trasmettere e ricevere segnali in un intervallo da 325 MHz a 3,8 GHz. Se un progettista vuole realmente conoscere e usare le RF può iniziare a questo livello.

Tornando all'idea di usare prodotti specifici, si assiste alla proliferazione di centinaia di sensori sotto forma di chip e di moduli. Ci sono letteralmente centinaia di migliaia di sensori diversi disponibili presso molti distributori. Tra questi, DigiKey offre più di 210.000 sensori diversi.

Ecco alcuni dei diversi tipi di sensori disponibili:

Ciascuno di questi sensori singolarmente o abbinato ad altri può essere incorporato in un prodotto che si collega a Internet tramite svariate opzioni wireless.

Ad esempio, su maker.io è possibile trovare un progetto online che esemplifica la connessione a Internet di un "controller per le tende": Trinamic’s TMC5161 + Microchip’s AVR-IoT WG + DigiKey’s IoT Studio Temp (Figura 1).

Immagine del progetto di una veneziana telecomandata Figura 1: Progetto di una veneziana telecomandata come descritto su maker.io. (Immagine per gentile concessione di maker.io)

Il kit di sviluppo di Microchip Technology è destinato alle applicazioni di domotica IoT. Per maggiori dettagli, visitare: Kit di valutazione per domotica IoT (Figura 2).

Immagine del kit di valutazione per domotica IoT di Microchip Figura 2: Kit di valutazione per domotica IoT di Microchip. (Immagine per gentile concessione di Microchip)

Riepilogo

Tutti hanno accesso all'IoT e i kit di sviluppo discussi in questo articolo sono solo un esempio degli strumenti a disposizione dei progettisti di IoT.

Concludo augurandovi ogni successo nello sviluppo della prossima grande "cosa" per l'IoT in questo nostro mondo connesso.

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