Utilizzare SoC multi-protocollo e multi-banda per semplificare l'implementazione delle reti IIoT.

A seguito della costante innovazione, esistono molteplici e incompatibili opzioni wireless per le applicazioni destinate all'Internet delle cose (IoT). Se da un lato è sempre bene avere più scelte, dall'altro questo complica l'implementazione delle reti wireless, soprattutto nel caso di installazioni IIoT pre-esistenti, in cui possono già essere implementate più reti wireless e dove centinaia o migliaia di sensori devono ora essere aggiunti in più strutture.

Per affrontare questo problema, i produttori di transceiver IoT hanno sviluppato soluzioni a basso costo e a basso consumo di System-on-Chip (SoC) che supportano più protocolli su più bande RF, il tutto in un unico dispositivo.

Questo articolo esamina brevemente le sfide progettuali presentate dall'uso diffuso di molteplici standard e specifiche per le comunicazioni wireless a corto raggio. Saranno quindi presentati dei System-on-Chip (SoC) di NXP, Texas Instruments, Silicon Labs e Analog Devices che offrono ai progettisti la flessibilità necessaria per poter adottare più interfacce RF, esplorarne le capacità e i protocolli wireless supportati.

La sfida delle opzioni wireless

Solo pochi anni fa c'erano pochissimi transceiver IoT o SoC a microcontroller che supportavano più di un protocollo wireless, quindi i produttori di dispositivi periferici ne sceglievano uno e lo utilizzavano in tutte le loro linee di prodotti. Ad esempio, nella domotica, la prima applicazione IoT visibile, un costruttore di prodotti di illuminazione "intelligenti" avrebbe potuto utilizzare Zigbee, mentre un altro Z-Wave, e un altro ancora il Wi-Fi, rendendo una nuova tecnologia già complessa ancora più confusa per i consumatori.

Il mercato dell'IIoT si trova ora ad affrontare le stesse sfide, ma su scala molto più larga. A differenza delle abitazioni che sono aree geograficamente ben definite, le grandi aziende possono avere strutture in tutto il mondo e dover supportare un'ampia gamma di apparecchiature e di requisiti normativi. L'emergere di transceiver multi-protocollo e multi-banda e SoC a microcontroller rende tutto ciò più facile per gli ingegneri che implementano tali dispositivi, così come per gli architetti di sistemi e di reti. Poiché questi SoC sono sempre più utilizzati nei dispositivi periferici, sta diventando possibile configurare una rete utilizzando molti protocolli wireless sull'edge tramite SoC di un singolo fornitore.

Caratteristiche tipiche di SoC per IoT

Un tipico SoC per IoT include una sezione in banda base e una in RF basate su un'interfaccia wireless dello strato fisico IEEE 802.15.4 (PHY) per rete PAN (Personal Area Network) a bassa velocità (LR-WPAN), un coprocessore e un processore host Arm, un certo livello di crittografia, ad esempio AES-128 e un generatore di veri numeri casuali (TRNG). Sono inclusi anche i circuiti di gestione dell'alimentazione e dei sensori, orologi e timer multipli e diverse opzioni di I/O (Figura 1). Dato che Zigbee è diventato un protocollo molto diffuso per le applicazioni industriali, è quasi universalmente supportato in questi dispositivi, insieme a protocolli simili a bassa velocità di trasmissione dati come Thread.

Figura 1: La serie CC26xx di SoC SimpleLink, così come raffigurato in questo diagramma a blocchi, è un esempio rappresentativo dei SoC wireless per IoT. Il processore host è un Arm Cortex-M3, supportato dal coprocessore Arm Cortex-M0. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

In questo caso è incluso anche Bluetooth Low Energy (Versione 4) ed è sempre più supportato anche Bluetooth 5 (Versione 5.1). Nella versione 5.1 è stata adottata la rete a maglie, il che rende Bluetooth un altro candidato per IoT su larga scala. Tuttavia, non tutti i SoC supportano questa versione, quindi è importante stabilire se un dispositivo destinato a IIoT supporta la versione 5.1.

Alcuni dispositivi supportano anche IPv6 over Low-power Wireless Personal Area Network (6LoWPAN), uno standard aperto definito dalla Internet Engineering Task Force (IETF) sulla base di 802.15.4 PHY. 6LoWPAN incorpora la compressione dell'intestazione IP (IPHC) richiesta per l'implementazione di IPv6, lo standard TCP/UDP basato su 802.15.4 PHY e gli strati Media Access Control (MAC); opera alle frequenze sia di 900 megahertz (MHz) (o meno) che di 2,45 gigahertz (GHz).

L'uplink a Internet è gestito tramite un router edge IPv6 a cui sono collegati anche diversi PC e server (Figura 2). La stessa rete basata su 6LoWPAN è connessa al router di rete IPv6 tramite il proprio router edge.

Figura 2: Una rete IPv6 con una rete a maglie basata su 6LoWPAN L'uplink a Internet è gestito tramite un punto di accesso che funge da router IPv6, connesso a un router edge IPv6 a cui è possibile collegare anche diversi PC e server. La rete basata su 6LoWPAN è connessa alla rete IPv6 tramite un router edge. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Una delle caratteristiche peculiari di 6LoWPAN è la sua capacità di consegnare i pacchetti end-to-end ovunque utilizzando protocolli Internet standard, il che permette ai progettisti di adottare protocolli di messaggistica di alto livello come MQTT, CoAP e HTTP con tutte le applicazioni.

Come gli altri protocolli citati in questo articolo, può funzionare anche su radio "sub 1 GHz" oltre ai 2,4 GHz, vantando quindi buone caratteristiche di propagazione. Ad esempio, le dimostrazioni di 6LoWPAN hanno coperto distanze fino a 6,5 km a 900 MHz utilizzando un transceiver con potenza di uscita RF di +12 dBm. Le frequenze più basse sono particolarmente utili in ambienti interni in quanto attraversano meglio le pareti. Configurato in modo appropriato e con un bridge adeguato, 6LoWPAN è interoperabile con qualsiasi altra rete IP come Ethernet, Wi-Fi o anche reti dati cellulari.

Protocolli essenziali

Al momento, nessun SoC supporta tutti i protocolli wireless utilizzati in ambito IoT. Ma la cosa non è particolarmente importante per i progettisti di reti IIoT dato che alcuni protocolli, come Thread e Z-Wave, vengono adottati soprattutto nel settore consumer. Questo riduce i contendenti a Zigbee - di gran lunga il protocollo più diffuso per Industrial IoT - insieme a 6LoWPAN e Bluetooth. Ciò detto, qualsiasi SoC che supporti lo standard 802.15.4 dovrebbe essere in grado di funzionare con Zigbee, LPWAN, Thread, ed eventualmente soluzioni proprietarie se queste possono operare nelle stesse bande.

Dato il consumo relativamente elevato di questa tecnologia, il Wi-Fi in genere non è incluso nei SoC multi-protocollo per applicazioni con dispositivi periferici a basso consumo energetico alimentati da una piccola batteria. Nel campo IoT è usato principalmente per l'accesso alla backhaul e da gateway a Internet, situazioni in cui il consumo di energia non è importante. Tuttavia, grazie alla sua elevata velocità di trasmissione dati e alla sua estrema diffusione, il Wi-Fi è essenziale quando le città aggiornano, ad esempio, l'illuminazione, la sorveglianza e altre infrastrutture.

Per queste applicazioni, i SoC Wi-Fi-on-a-chip sono disponibili da diversi anni e il loro utilizzo è in crescita, poiché la tecnologia è una parte essenziale di molte applicazioni IoT in cui è fondamentale poter contare su una velocità di trasmissione dati molto elevata. Uno di questi SoC solo Wi-Fi è il processore di rete Wi-Fi CC3100R11MRGCR di Texas Instruments che vanta una radio Wi-Fi a 2,4 GHz e un processore di rete con un server Web su chip oltre a uno stack TCP/IP. In combinazione con un microcontroller di TI o di altra marca, forma una soluzione Wi-Fi completa con due soli piccoli dispositivi.

A parte ciò, i SoC che combinano Wi-Fi e Bluetooth non sono pochi, dato che entrambi i protocolli sono molto diffusi e complementari. Ad esempio, WL1831MODGBMOCR, della famiglia di moduli combo Wi-Fi/Bluetooth WiLink 8 di Texas Instruments supporta sia Bluetooth che Bluetooth Low Energy. Per il Wi-Fi, include IEEE 802.11b/g/n a una velocità di trasmissione dati massima di 100 Mbit/s oltre a Wi-Fi Direct. La sua capacità MIMO 2 x 2 offre un raggio di 1,4 volte quello di un dispositivo che utilizza una singola antenna e in modalità Wi-Fi consuma meno di 800 µA. Le funzioni Bluetooth includono la conformità con Bluetooth 4.2 Secure Connection, un'interfaccia controller host per Bluetooth su UART e un processore audio che supporta un codec sub-band per Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) Bluetooth.

All'interno del suo contenitore di 13,3×13,4×2 mm sono presenti amplificatori di potenza RF e commutatori, filtri e altri componenti passivi, oltre alla gestione energetica e altre risorse, come un'interfaccia host SDIO a 4 bit.

Il SoC Mighty Gecko EFR32MG13P733F512GM48-D multi-protocollo di Silicon Labs adotta un approccio interessante combinando un microcontroller con un transceiver che opera nelle frequenze chiave tra 169 MHz e 2,450 GHz. Questa soluzione lo rende compatibile con Bluetooth Low Energy e Bluetooth 5.1, Zigbee, Thread e anche 802.15g, una variante dello standard progettata per applicazioni in utility di grandissime dimensioni, in smart grid che possono avere milioni di endpoint fissi su un'area molto ampia.

Alcuni dispositivi della famiglia Mighty Gecko supportano reti che operano al di sotto di 1 GHz e permettono la personalizzazione per applicazioni specifiche. Sono quindi in grado di supportare numerosi schemi di modulazione come OOK, FSK e OQPSK formati e modulazione DSSS.

La piattaforma SimpleLink di Texas Instruments include hardware che supporta Bluetooth Low Energy e 5.1, Thread, W-Fi, Zigbee e soluzioni "sub 1 GHz" come 6LoWPAN, oltre a standard cablati tra cui Ethernet, CAN e USB. In base al modello, un dispositivo supporta due o tre protocolli. Ogni modello della famiglia è supportato in un unico ambiente di sviluppo software.

Ad esempio, l'MCU wireless multi-standard SimpleLink CC2650F128RHBR include il supporto per Bluetooth, Zigbee e 6LoWPAN, oltre ad applicazioni di controllo remoto come Zigbee Radio Frequency for Consumer Electronics (RF4CE). Quest'ultimo protocollo è un miglioramento rispetto a IEEE 802.15.4 e dispone di strati di rete e di applicazioni per realizzare soluzioni interoperabili tra più fornitori. CC2650 utilizza come processore host un Arm Cortex-M3 a 32 bit, abbinato a un controller a sensore di potenza che agisce in modo autonomo, anche quando l'intero sistema è in modalità di sospensione. Il controller Bluetooth e il MAC 802.15.4 usano un processore Arm Cortex-M0 separato, liberando così memoria per il supporto dell'applicazione.

Il SoC MKW40Z160VHT4 di NXP Semiconductors include Bluetooth Low Energy e 802.15.4 per Zigbee e Thread, opera tra 2,36 GHz e 2,48 GHz, si avvale di una CPU Arm Cortex-M0+, hardware Bluetooth Link Layer e di un processore di pacchetti 802.15.4. Oltre al suo uso principale come sottosistema completo, può anche fungere da modem per aggiungere la connettività Bluetooth o 802.15.4 a un controller integrato esistente, o come sensore wireless autonomo con un'applicazione embedded dove non è richiesto un controller host.

Il SoC LTC5800IWR-IPMA#PBF multi-protocollo di Analog Devices combina il supporto per i protocolli basati su 802.15.4, menzionati sopra, con un altro protocollo denominato SmartMesh che ha una storia interessante. È stato sviluppato da Kris Pister, professore di elettrotecnica e scienze informatiche all'Università di Berkeley in California alla fine degli anni '90 grazie al finanziamento del progetto Smart Dust della DARPA. L'obiettivo del programma era quello di creare una piccola radio altamente affidabile che potesse essere alimentata da una batteria o tramite energy harvesting. I clienti chiave dovevano essere i gestori di condotte con un'infrastruttura altamente distribuita che spesso opera in condizioni ambientali ostili.

Per commercializzare la tecnologia, Pister ha co-fondato la Dust Networks per produrre una rete a maglie di sensori wireless chiamata SmartMesh. Nel 2011 l'azienda fu acquisita da Linear Technology, a sua volta acquisita nel 2017 da Analog Devices, dove SmartMesh esiste ancora e adesso anche in IIoT.

SmartMesh® è costituita da una rete di nodi autoformanti e multi-hop (denominati "mote") che raccolgono e ritrasmettono i dati e da un gestore di rete che coordina le prestazioni e la sicurezza e scambia i dati con un'applicazione host (Figura 3). Poiché l'affidabilità era uno dei requisiti fondamentali del programma DARPA, SmartMesh ha conservato questa caratteristica con un tempo di attività del 99% anche in condizioni ambientali difficili. Il suo protocollo di comunicazione è una variante della divisione di spettro chiamata Time Slotted Channel Hopping (TSCH) che sincronizza tutti i "mote" della rete in pochi microsecondi.

Figura 3: In una rete SmartMesh ogni nodo funge da router, quindi i nuovi nodi possono essere connessi in qualsiasi punto. Questa tecnologia supporta fino a 50.000 nodi. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Tutti i "mote" della rete vengono sincronizzati in meno di 1 millisecondo (ms) e possono avere una durata della batteria superiore a 10 anni. Per creare un nodo wireless completo servono solo un disaccoppiamento dell'alimentazione, cristalli e un'antenna. Quando si utilizza un'antenna con guadagno di 2 dBi, LTC5800-IPM ha una portata tipica di 300 m all'esterno e 100 m in interno.

Conclusione

Con tutte le varianti esistenti per i protocolli wireless, è difficile selezionare l'interfaccia wireless corretta e il protocollo giusto da utilizzare per le implementazioni IIoT, dato che anche sistemi pre-esistenti potrebbero richiedere supporto. Come spiegato sopra, offrendo ai progettisti una maggiore flessibilità, i SoC per IoT che supportano più protocolli wireless a corto raggio su più bande RF possono semplificare notevolmente l'implementazione delle reti IIoT.