Monitoraggio remoto con sensori wireless su Wi-Fi

Le fabbriche moderne hanno sistemi digitali sempre più complessi, con interconnessioni tra dispositivi e software di molti fornitori diversi. Questa complessità ha portato ad un allontanamento dalle interfacce proprietarie, sostituendole con standard comuni come Ethernet e Wi-Fi®. La standardizzazione delle comunicazioni digitali può essere considerata una parte della quarta rivoluzione industriale (Impresa 4.0) in cui le tecnologie dell'Internet delle cose (IoT) semplificano notevolmente la connessione di diversi dispositivi (Figura 1). Questo articolo passa in rassegna le forme più comuni della connettività di rete dei sensori basati su Wi-Fi e le loro tipiche applicazioni.

Figura 1: Il rilevamento abilitato dal Wi-Fi è sempre più comune negli ambienti industriali.

Storia e versioni del Wi-Fi

Il Wi-Fi è un protocollo di rete wireless basato su IEEE 802.11, standardizzato ulteriormente per garantire l'interoperabilità dei dispositivi. Lo standard Wi-Fi è mantenuto dalla Wi-Fi® Alliance e solo i prodotti certificati per soddisfare questo standard possono recare tale marchio.

Lo standard 802.11 è consolidato per le applicazioni di rete locale wireless (LAN) ed è stato rilasciato dall'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) nel 1997, come 802.11-1997. Le successive edizioni principali hanno incluso, in ordine cronologico, 802.11b, 802.11a, 802.11g, 802.11n e 802.11ac. Sebbene IEEE 802.11 sia la base tecnica per il Wi-Fi, IEEE non aveva alcuna certificazione o test, il che ha portato a problemi di interoperabilità nei primi dispositivi.

Nel 1999 la Wi-Fi Alliance è stata costituita da alcune delle prime aziende ad aver adottato lo standard IEEE 802.11. L'obiettivo di questa alleanza era quello di migliorare l'interoperabilità tra i dispositivi prodotti dalle aziende affiliate. Tra le società fondatrici vi erano 3Com e Nokia. Le generazioni Wi-Fi corrispondono alle principali versioni dello standard IEEE 802.11, come mostra la Tabella 1.

Tabella 1: Gli standard Wi-Fi negli anni

Portata, velocità e frequenza

Il Wi-Fi può funzionare a frequenze diverse e i dispositivi possono spesso essere configurati per utilizzare frequenze diverse. Le frequenze più comuni sono 2,4 GHz e 5 GHz.

In generale, frequenze più alte forniscono velocità di trasferimento dati più elevate. Tuttavia, le frequenze più alte si dissipano anche più facilmente, specialmente quando attraversano oggetti solidi. Le frequenze più basse, quindi, di solito forniscono una portata maggiore.

Quando opera nello stesso campo di frequenza degli altri dispositivi, anche il Wi-Fi è più suscettibile alle interferenze. Ad esempio, a 2,4 GHz, possono verificarsi interferenze Wi-Fi con forni a microonde, telefoni cordless e dispositivi Bluetooth. Ciò significa che in certi ambienti, 5 GHz possono effettivamente dare una portata migliore di 2,4 GHz. Se si riscontrano problemi a una particolare frequenza, spesso è più facile provare semplicemente un canale o addirittura una banda diversa.

I campi di frequenza sono bande all'interno delle quali vengono definiti canali specifici. Ad esempio, 2,4 GHz è diviso in 14 canali. Il canale 1 va da 2401 a 2423 MHz, il canale 2 va da 2406 a 2428 MHz, ecc. Nella banda 5 GHz sono disponibili molti più canali.

IEEE 802.11ah, noto come Wi-Fi HaLow o extended-range, opera nella banda di frequenza inferiore intorno ai 900 MHz, in combinazione con canali RF stretti da 1 MHz. Questi canali stretti e a bassa frequenza, combinati con i cambiamenti di protocollo, si traducono in un consumo energetico molto più basso, anche inferiore a quello di Bluetooth Low Energy. La portata dovrebbe essere circa il doppio di quella di 2,4 GHz - più di 40 metri a 150 kbps per un singolo flusso o oltre 80 metri con un chip dual-stream più complesso. Sebbene l'IEEE abbia già rilasciato lo standard 802.11ah, la Wi-Fi Alliance non ha ancora iniziato a certificare i dispositivi.

All'altro estremo dello spettro, IEEE 802.11ad, o WiGig, opera in una banda di frequenza più alta intorno ai 60 GHz per consentire un'elevata velocità dati di circa 7 Gbit/sec.

Topologia di rete Wi-Fi

La topologia di una rete è la struttura di base delle connessioni tra i dispositivi (Figura 2). Ad esempio, in una topologia a stella, un dispositivo è un hub cui si collegano tutti gli altri dispositivi. In una topologia a connessione totale, ogni dispositivo è connesso ad ogni altro dispositivo. Una topologia a maglia è simile alla topologia di connessione totale in quanto le connessioni sono decentralizzate, ma non ci possono essere connessioni tra ogni coppia di dispositivi; per questo può anche essere detta a connessione parziale. In una topologia bus ogni dispositivo è collegato a un cavo, noto come bus.

Figura 2: Le topologie di rete abbondano, ma la maggior parte delle reti Wi-Fi è a stella o a maglia. (Immagine per gentile concessione di Design World)

Le reti Wi-Fi sono tipicamente a stella o a maglia. Le topologie a maglia sono robuste e sicure, riducono il consumo energetico e migliorano la portata, poiché i singoli collegamenti possono essere più corti. Per le grandi reti IoT con molti sensori a bassa potenza, questi sono vantaggi importanti. Tuttavia, anche le reti a stella possono offrire vantaggi in questo senso. In una rete a stella, è possibile che i singoli dispositivi trasmettano in modo intermittente e solo l'hub richiede l'alimentazione continua per il segnale Wi-Fi.

Implementazioni Wi-Fi specializzate per le imprese

Come già detto, il Wi-Fi HaLow utilizza una frequenza più bassa per una maggiore portata e un ridotto consumo energetico, utile per piccoli dispositivi a batteria. Per le applicazioni di controllo e automazione industriale, dove è richiesta la comunicazione in tempo reale, il Wi-Fi ha faticato a fornire una connessione sufficientemente veloce, a bassa latenza e stabile. Nonostante l'interesse per il Wi-Fi in tempo reale da almeno un decennio, questa tecnologia non è stata ampiamente adottata. Forse l'implementazione di maggior successo del Wi-Fi in tempo reale è WIA-PA, uno standard industriale cinese di comunicazione wireless per l'automazione dei processi.

L'uso industriale del Wi-Fi è più comune in applicazioni meno impegnative come i sensori di movimento e i lettori di codici a barre. Il monitoraggio delle condizioni dei macchinari sta diventando molto comune. Per monitorare le vibrazioni delle macchine rotanti si utilizzano gli accelerometri. Anche il monitoraggio ambientale è un aspetto importante del monitoraggio delle condizioni e per questo sono usati piccoli sensori di temperatura, pressione, umidità e concentrazione di gas.

I sensori di monitoraggio delle condizioni sono impiegati in molti ambienti diversi. Tra questi vi sono ovviamente i macchinari di fabbrica e di magazzino, nonché i veicoli commerciali di alto valore, compresi gli autocarri, le attrezzature per il movimento terra e gli aerei. Il monitoraggio delle condizioni è anche molto ben consolidato e critico nelle operazioni di produzione di energia, nell'estrazione mineraria e nelle trivellazioni.

Il monitoraggio del traffico, dei livelli di inquinamento e delle condizioni atmosferiche sono altri esempi di applicazioni in cui vengono impiegati sensori wireless.

Tecnologie concorrenti

Il Wi-Fi non è l'unico standard che consente la comunicazione wireless tra dispositivi industriali. Per le applicazioni a corto raggio e a basso consumo, il Wi-Fi compete con Bluetooth e Zigbee. Per applicazioni a lungo raggio Le principali tecnologie che competono con il Wi-Fi sono le tecnologie cellulari - 3G, 4G e 5G.

Si consideri solo un esempio di unità microcontroller a bassa potenza (MCU) che aiuta gli ingegneri a configurare le comunicazioni via Bluetooth Low Energy (BLE) e Wi-Fi tramite un modulo Wi-Fi XBee:

Bluetooth è una forma di comunicazione a bassa potenza ben consolidata. Zigbee è una tecnologia più recente basata su IEEE 802.15.4, che si propone di utilizzare hardware e potenza ancora più economici rispetto a Bluetooth. Sebbene Wi-Fi HaLow sia destinato a competere in questo settore, non raggiunge il bassissimo costo e la potenza di Zigbee. A complicare ulteriormente le cose, 5G ha una propria tecnologia a bassa potenza - LPWA (bassa potenza, ampio raggio).

A complemento di molte di queste offerte a basso consumo energetico ci sono le capacità di energy harvesting:

Conclusione

Molti produttori di dispositivi industriali utilizzano ancora tecnologie wireless industriali proprietarie. Anche se questo rende più difficile l'interoperabilità, significa che possono fornire una maggiore sicurezza e comunicazioni in tempo reale. Poiché il Wi-Fi continua a migliorare in questi settori, gli ingegneri possono aspettarsi di vedere un maggior numero di dispositivi che adottano questo standard aperto. D'altro canto, 5G ha un grande potenziale per le applicazioni wireless IIoT. I prossimi anni porteranno una maggiore concorrenza tra gli ultimi standard Wi-Fi 6 e 5G.