La lotta contro le interferenze nei sistemi di controllo industriale wireless ad alta affidabilità

I controlli wireless sono un enorme vantaggio per i sistemi industriali, ma vi sono alcune sfide chiave da superare. Questo articolo prende in esame la sfida che le interferenze presentano per sistemi di controllo industriali ad alta affidabilità e le varie frequenze e i diversi protocolli wireless implementati in una molteplicità di ricetrasmettitori e moduli prodotti da Decawave, Linx Technologies, Digi e Atmel.

Vi sono molti modi diversi per minimizzare le interferenze nei sistemi di controllo wireless per l'automazione industriale. I progettisti possono scambiare bilancio di collegamento, distanza, frequenza e protocolli per ottenere i collegamenti wireless più affidabili possibile. Le interferenze possono provenire da moltissime fonti, dal rumore elettrico in banda larga ad altri sistemi wireless operanti nelle vicinanze.

I protocolli sono un modo per ottimizzare il collegamento, utilizzando la multiplazione a divisione di codice (CDMA) per ridurre al minimo l'effetto dei simboli perduti. La rilevazione e correzione degli errori a valle (FEC) e il controllo a ridondanza ciclica (CRC) ora vengono aggiunti di routine per mantenere l'integrità dei dati, ma possono occupare bit preziosi nel carico utile.

Per ridurre le interferenze vengono usate anche le tecniche di divisione di spettro e salti di frequenza. La diffusione del segnale su un intervallo di frequenze riduce anch'essa l'impatto delle interferenze a qualsiasi frequenza. In alternativa, il collegamento può rilevare un problema e spostarsi automaticamente su un'altra banda per evitare le interferenze in uno schema di salto di frequenza.

Allo stesso tempo, i progettisti possono compensare il raggio offerto da queste tecniche, che per alcuni sistemi può arrivare a 12 km, per fornire un bilancio di collegamento superiore nel sito di una fabbrica che può essere meno vulnerabile ad altri segnali. 

Tutte queste tecniche hanno degli effetti a catena per lo spettro delle frequenze usate. Le bande inferiori a 1 GHz (868 MHz e 902 MHz) sono affollate di molti tipi diversi di collegamenti che rendono impraticabile la divisione di spettro o i salti di frequenza, mentre la banda di 2,4 GHz accoglie il protocollo a basso consumo ZigBee ma deve accogliere anche Wi-Fi e Bluetooth oltre a far fronte alle comuni interferenze provenienti da forni a microonde e altri sistemi industriali.

Come esempio delle sfide, solo pochi canali ZigBee non si sovrappongono con il Wi-Fi (canali 15, 20, 25 e 26) e hanno di conseguenza interferenze trascurabili, mentre per ogni canale Wi-Fi ve ne sono quattro ZigBee che si sovrappongono. La riduzione nel rapporto di errori dei pacchetti (PER) è strettamente correlata con la distanza tra la fonte delle interferenze e il ricevitore e le differenze delle frequenze centrali (tra la fonte delle interferenze e il ricevitore), il che presenta delle sfide significative per i progettisti di sistemi che usano la banda di 2,4 GHz.

Invece di prendere di "forza" il problema, Decawave sta usando una combinazione di protocolli nella banda tra 3,5 GHz e 6,5 GHz e protocolli a banda ultra larga per fornire velocità dei dati superiori che sono più immuni alle interferenze. Il chip DW1000 di DecaWave è un CI a banda ultralarga CMOS completo a chip singolo basato sullo standard IEEE802.15.4-2011. Si tratta del primo prodotto della famiglia di componenti ScenSor (Seek Control Execute Network Sense Obey Respond). Opera con velocità dei dati di 110 kbps, 850 kbps e 6,8 Mbps e, conseguentemente alle frequenze più alte, può anche individuare gli oggetti cui sono stati applicati i tag, sia all'interno che all'esterno, entro 10 cm.

Figura 1: Diagramma a blocchi del ricetrasmettitore DW1000.

La tecnologia affronta il problema dei collegamenti ad alta affidabilità sia per una localizzazione interna precisa sia per le comunicazioni per l'automazione di fabbrica, specie in luoghi remoti o di accesso difficile. Dato che DW1000 consente di misurare in modo accurato sia le comunicazioni dati che quelle orarie in modo che abbiano luogo contemporaneamente, gli sviluppatori di sistemi di localizzazione in tempo reale (RTLS) e di posizionamento per interni (IPS), come pure di Internet delle cose e reti di sensori wireless, possono usarlo per un'ampia tipologia di applicazioni.

I fornitori di apparecchiature di automazione di fabbrica possono incorporare la tecnologia in strumenti di automazione e monitoraggio con una precisione di localizzazione di 10 cm rispetto ai 3-5 m per RTLS Wi-Fi. L'uso di frequenze superiori fornisce inoltre velocità dei dati fino a 6,8 Mbit/s rispetto ai 250 kbit/s per ZigBee e a 1 Mbit/s per Wi-Fi.

Il protocollo usato è lo standard 802.15.4a, una combinazione di modulazione della posizione burst (BMP) e polarizzazione a variazione di fase binaria (BPSK). La modulazione combinata BPM-BPSK è utilizzata per modulare i simboli, ognuno dei quali è composto da un treno di impulsi a banda ultra larga che riduce la vulnerabilità alle interferenze a qualsiasi frequenza determinata. Il chip combina anche sei canali di divisione della frequenza (FDMA) con tecniche di divisione di codice CDMA che usano due codici diversi per canale per ottimizzare ulteriormente il collegamento del canale e ridurre le interferenze. Questo viene poi combinato con la correzione degli errori FEC e CRC integrata per assicurare che le interferenze non abbiano ripercussioni sul segnale.

La tecnologia è inoltre dotata di immunità intrinseca alle interferenze multipath, perché la banda delle frequenze nell'impulso non riflette bene e dissipa più facilmente.

DW1000 usa una tensione di alimentazione singola tra 2,8 V e 3,6 V e ha una corrente della modalità di trasmissione a partire da 31 mA e una corrente della modalità di ricezione a partire da 64 mA per un funzionamento a basso consumo.

Nella banda inferiore a 1 GHz, Linx Technologies ha sviluppato un ricetrasmettitore affidabile per un controllo remoto a lungo raggio e applicazioni con sensori. TRM-900-TT è costituito da un ricetrasmettitore RF a divisione di spettro a salto di frequenza (FHSS) altamente ottimizzato e un transcodificatore di controllo remoto integrato. Il sistema FHSS consente una potenza superiore con meno interferenze e offre inoltre un raggio superiore a quello delle radio a banda stretta.

Operando nella banda di frequenze tra 902 e 928 MHz, il modulo raggiunge una sensibilità tipica di -112 dBm. La versione base è in grado di generare una potenza di uscita del trasmettitore di +12,5 dBm e raggiunge un raggio superiore a 3,2 km per una linea di collegamento del sito in ambienti tipici con antenne con un guadagno di 0 dB. Una versione potente emette +23,5 dBm, arrivando fino a 12,8 km. 

Il sintetizzatore RF contiene un VCO e un PLL N-frazionario a basso rumore. Il VCO funziona a una frequenza doppia rispetto a quella fondamentale per ridurre le emissioni spurie che causano le interferenze e consentire quindi un raggio maggiore. I sintetizzatori di ricezione e trasmissione sono integrati, per cui possono essere automaticamente configurati per offrire un rumore di fase, una qualità di modulazione e un tempo di assestamento ottimali.

Il ricevitore incorpora amplificatori a basso rumore altamente efficienti che forniscono una sensibilità fino a -112 dBm e Linx ha sviluppato tecniche avanzate di bloccaggio delle interferenze che rendono il ricetrasmettitore estremamente resistente in presenza di interferenze nella banda al di sotto di 1 GHz.

Moduli come XBee di Digi consentono ai progettisti di muoversi sulle bande di 2,4 GHz e 900 MHz usando il protocollo 802.15.4. Questi moduli RF embedded hanno un ingombro tipico, adatto a più piattaforme, comprese le topologie multipunto e ZigBee/rete a maglie, con entrambe le soluzioni, a 2,4 GHz e 900 MHz. Gli sviluppatori che implementano XBee possono sostituire un modulo XBee con un altro, a seconda delle esigenze dinamiche dell'applicazione, con uno sviluppo minimo. Le versioni a 2,4 GHz per l'implementazione globale e quelle a 900 MHz per raggi maggiori o ambienti più vasti richiedono una maggiore immunità alle interferenze.

Figura 2: Il modulo XBee di Digi ha lo stesso ingombro sia per l'implementazione a 2,4 GHz che per quella a 900 MHz.

Le interferenze sono una delle ragioni principali per cui gli sviluppatori scelgono i moduli. I moduli offrono la protezione contro le interferenze EMI tramite la schermatura ma hanno anche progetti di percorsi di antenne ottimizzati per ridurre le interferenze dai restanti dispositivi elettronici e dalle fonti esterne. 

Il modulo ATZB-S1-256-3-0-C ZigBit a 2,4 GHz a basso consumo di Atmel è un modulo ZigBee tradizionale che combina un microcontrollore AVR a 8 bit a basso consumo e un ricetrasmettitore ad alta velocità che offre velocità dei dati elevate tra 250 kb/s fino a 2 Mb/s, gestione dei frame, alta sensibilità del ricetrasmettitore e alta potenza di uscita di trasmissione per offrire comunicazioni wireless affidabili. Il modulo è studiato per sensibilità, monitoraggio, controllo e applicazioni di acquisizione dei dati wireless.

Figura 3: Modulo ATZB-S1-256-3-0-C ZigBit di Atmel.

Per affrontare il problema delle interferenze, lo standard IEEE802.15.4 supporta due opzioni PHY basate sulla divisione di spettro in sequenza diretta (DSSS). La PHY a 2,4 GHz usa la modulazione Q-QPSK, mentre quella a 780/868/915 MHz usa la modulazione BPSK ed entrambe possono offrire buone prestazioni nel rapporto degli errori di bit (BER). Per mettere in luce le sfide poste dall'uso di salti di frequenza a queste bande di frequenza più basse, il livello fisico 802.15.4 offre 31 canali, quattro nella banda dei 780 MHz per la Cina (802.15.4c), uno nella banda degli 868 MHz per l'Europa, dieci in quella dei 915 MHz per il Nord America e sedici nella banda dei 2,4 GHz per tutto il mondo.

A volte le interferenze devono essere affrontate all'interno del dispositivo stesso. WL1835MOD di Texas Instruments combina i collegamenti sia Wi-Fi MIMO che Bluetooth 4.0 con un singolo dispositivo che presenta sfide importanti nella gestione delle interferenze tra i canali.

Figura 4: WL1835MOD di TI affronta il problema delle interferenze tra il funzionamento Wi-Fi e quello Bluetooth sullo stesso chip.

Il chip include gli amplificatori di potenza (PA) integrati a 2,4 GHz per Wi-Fi e un processore in banda base che gestisce velocità dei dati 802.11b/g e 802.11n con progetti SISO (antenna singola) a 20 MHz o 40 MHz e MIMO (antenna multipla) a 20 MHz, oltre a front-end radio Bluetooth.

A tale fine è richiesto uno nuovo schema avanzato di coesistenza. Tale schema opera a livello MAC per coordinare l'uso di tutta la larghezza nella banda di 2,4 GHz. In qualsiasi momento, tutta la larghezza di banda disponibile può essere dedicata a 802.11 o a Bluetooth, a condizione che l'uno o l'altro siano inattivi. Ad esempio, in assenza di comunicazioni Bluetooth, tutta la larghezza di banda può supportare comunicazioni 802.11n a velocità fino a 54 Mbit/s. Oppure, quando la radio 802.11 è inattiva, tutta la larghezza di banda nell'intervallo di 2,4 GHz può essere dedicata alle comunicazioni Bluetooth. Per assicurare la qualità di certi tipi di comunicazioni critiche, per lo più canali audio, la soluzione di coesistenza può intelligentemente impostare priorità diverse a seconda della natura delle comunicazioni per le quali il tempo è un fattore cruciale.

Conclusione

Esistono molti modi per ridurre al minimo l'impatto delle interferenze: uscire dalle bande affollate, servendosi delle tecniche di divisione di spettro e salti di frequenza e potenziando il collegamento con ricevitori più sensibili e trasmettitori più potenti oltre a layout ottimizzati per ridurre l'impatto dei segnali esterni. Tutto questo consente al progettista di apparecchiature di automazione industriale di compensare il bilancio e la distanza di collegamento per implementare i collegamenti ad alta affidabilità di cui ha bisogno.