L'IoT alla portata di tutti

Il mondo della tecnologia sta evolvendo a ritmi forsennati e l'applicazione di nuove tecnologie ai prodotti wireless non dà segno di rallentamento. 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. Analizziamo entrambe le tendenze e cerchiamo di capire come possiamo mettere le mani su questa tecnologia poco costosa e universalmente disponibile al momento.

Le tecnologie radio LPWAN (rete a banda larga a bassa potenza) 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 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. Non hanno un raggio globale sinché non vengono collegate a un server che fa da ponte verso la rete Internet.

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 presso DigiKey. DigiKey vende anche piani dati per reti cellulari, che costano solo USD 3,00 al mese per 300 kB di dati e di servizi internazionali (Figura 1). Serve solo un modem certificato da un operatore di rete cellulare e il vostro dispositivo sarà "online" in tutto il mondo. Sono disponibili anche i modem e i chip contenuti nei modem.

Figura 1: Piani dati DigiKey per reti cellulari.

Le soluzione elettroniche sotto forma di moduli continuano a crescere in modo esponenziale. I moduli consentono di fare a meno delle competenze necessarie per progettare a livello di chip fornendo 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. Recentemente ho fatto un 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 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 a un nuovo prodotto. Se le dimensioni del mercato sono sufficientemente grandi, si può procedere all'ottimizzazione dei costi sino ad arrivare a livello di chip. Ma c'è persino un livello più basso di quello dei chip, ed è quello che 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 avete un'esigenza specifica e possedete le competenze necessarie, potete sviluppare il vostro standard radio personale. E anche se non le avete, fare esperimenti con una SDR può insegnarvi un sacco di cose.

Una SDR di questo tipo è il modulo di apprendimento avanzato (ADALM-PLUTO) di Analog Devices disponibile in pronta consegna presso DigiKey (Figura 2). Ad agosto 2019 queste unità costano meno di USD 150. 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 volete realmente conoscere e usare le RF potete iniziare a questo livello.

Figura 2: SDR ADALM-PLUTO disponibile presso DigiKey. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Tornando all'idea di usare prodotti specifici, si assiste alla proliferazione di centinaia di sensori sotto forma di chip e di moduli. Ecco alcune delle cose che possono essere rilevate insieme al numero di articoli a magazzino (SKU) presso DigiKey alla data della pubblicazione di questo blog:

• Sensori di prossimità (10.150 articoli)
• Sensori, trasduttori, sensori di temperatura - Uscita analogica e digitale (4.256 articoli)
• Sensori, trasduttori, sensori specializzati (914 articoli)
• Sensori, trasduttori, sensori gas (371 articoli)
• Sensori, trasduttori, sensori di posizione - Misurazione di posizione angolare, lineare (2.961 articoli)
• Sensori, trasduttori, sensori di pressione, trasduttori (30.778 articoli)
• Sensori, trasduttori, sensori di umidità (570 articoli)
• Sensori, trasduttori, sensori di corrente (2.033 articoli)
• Sensori, trasduttori, sensori ottici - Sensori luce ambiente, IR, UV (1.240 articoli)
• Sensori, trasduttori, sensori ottici - Misurazione della distanza (137 articoli)
• Sensori, trasduttori, schede di valutazione - Sensori (2.589 articoli)
• Schede di sviluppo, kit, sensori di campo magnetico per programmatori - Posizione, prossimità, velocità (moduli) (4.266 articoli)
• Sensori, trasduttori, sensori ottici - Fotoelettrici, industriali (9.979 articoli)
• Sensori, trasduttori, sensori di movimento - Accelerometri (1730 articoli)
• Sensori, trasduttori, sensori di immagine, foto/videocamera (1.551 articoli)

Complessivamente DigiKey propone oltre 210.000 sensori differenti.

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

Un altro strumento che vi consentirà di sviluppare il vostro prodotto wireless è DK IoT Studio (Figura 3). Questo strumento per lo sviluppo rapido di applicazioni (RAD) viene offerto gratuitamente da DigiKey. Potrete scegliere una scheda microcomputer embedded pronta all'uso da un ambiente di sviluppo integrato (IDE) sul web, configurarla nell'IDE e scaricare la configurazione sulla vostra scheda compreso il codice open-source generato nell'IDE. La scheda può comunicare tramite un dispositivo collegato in tethering con un host via cavo oppure senza cavo tramite Bluetooth o Wi-Fi e inviare tutti i dati di cui dispone a Internet, dati che verranno ricevuti da uno smartphone accoppiato. Esistono opzioni, soggette a una commissione nominale, per dimensionare questa soluzione su scala più grande. Ad esempio, su maker.io è possibile trovare un progetto online che esemplifica la connessione a Internet di un "controller per le tende". Qui, sul sito web eewiki di DigiKey potrete trovare il codice per modificare DK IoT Studio aggiungendo funzionalità personali.

Figura 3: DK IoT Studio di DigiKey

I miei migliori auguri per il vostro lavoro di programmazione e per la presentazione al mondo dei vostri dispositivi connessi tramite l'Intenet delle cose.