Come avviare il rilevamento IoT wireless a bassa potenza con i moduli LPWAN RF

Quando si considera la connettività wireless per un sensore Internet of Things (IoT), è comune per gli sviluppatori pensare prima al Wi-Fi, Zigbee o Bluetooth. Tuttavia, è spesso il caso che le applicazioni richiedano una potenza inferiore, una portata più lunga, e abbiano un modello di utilizzo diverso e velocità di dati inferiori a quelle che queste tecnologie possono fornire. Piuttosto che progettare la propria interfaccia wireless da zero e incorrere nel costo, nei potenziali ritardi e nella rielaborazione di questo approccio, i progettisti possono rivolgersi a moduli off-the-shelf per una gamma di relativamente nuove reti a bassa potenza e ad ampio raggio (LPWAN).

Queste LPWAN, che includono Sigfox, LoRaWAN e il nuovo Radiocrafts Industrial IoT (RIIoT), sono progettate per collegare sensori relativamente semplici che operano a frequenze di campionamento moderate e inviano brevi e poco frequenti raffiche di dati su lunghe distanze, fino a e oltre 50 chilometri (km). Tali applicazioni spesso specificano vincoli di potenza estremamente stretti per massimizzare la durata della batteria per i sensori in luoghi remoti o scomodi. Idealmente, i sensori collocati in tali luoghi potrebbero funzionare in modo affidabile con una batteria a bottone o AAA per un massimo di 10 anni.

Questo articolo discute i tipici requisiti di progettazione del rilevamento IoT a lungo raggio e le caratteristiche di Sigfox, LoRaWAN e RIIoT. Poi introduce i moduli adatti di Pi Supply, Sigfox e Radiocrafts e mostra come usarli.

Caratteristiche delle LPWANs

La stretta larghezza di banda delle LPWANs è parte del loro ingrediente segreto per il funzionamento a basso consumo (Figura 1). I principi della teoria dell’informazione affermano che la larghezza di banda del segnale e il rapporto segnale-rumore (SNR) hanno un’intima relazione con il tasso di errore dei trasferimenti di informazioni. Più alto è il SNR, o più stretta è la larghezza di banda, più basso è il tasso di errore.

Diagramma di larghezza di banda stretta LPWANFigura 1: La larghezza di banda stretta delle LPWAN permette loro di operare su gamme più lunghe a bassa potenza. (Fonte immagine: Peter R. Egli, via Slideshare)

LPWANs approfitta di questa relazione per ottenere trasferimenti di informazioni altamente affidabili su lunghe distanze a bassa potenza di uscita. Adottando una velocità di dati relativamente bassa, i sistemi LPWAN riducono anche i loro requisiti di larghezza di banda del segnale. Il risultato è che i sistemi LPWAN possono comunicare su distanze misurate in chilometri.

Un secondo elemento chiave dei sistemi LPWAN è il loro uso di frequenze subgigahertz (GHz) nelle bande di frequenza internazionali industriali, scientifiche e mediche (ISM) senza licenza (886 – 906 megahertz (MHz)). Il funzionamento a queste frequenze (con lunghezze d’onda più lunghe) riduce la perdita di percorso nello spazio libero, aumentando la sua portata effettiva per una data potenza di trasmissione, secondo l’equazione 1:

Equazione 1 Equazione 1

dove:

d = distanza

λ = lunghezza d’onda

A frequenze più basse, ostacoli come muri ed edifici assorbono meno energia di radiofrequenza (RF), dando ai sistemi LPWAN un’eccellente capacità di penetrazione in ambienti urbani.

I progetti basati su ISM non richiedono una licenza; tuttavia, devono ancora essere conformi alle normative globali di potenza e compatibilità elettromagnetica per il funzionamento in banda ISM.

Esempi di LPWAN

Ci sono molteplici opzioni LPWAN tra cui scegliere, ma per gli sviluppatori che cercano un rapido sviluppo di applicazioni IoT basate su sensori, tre chiare scelte sono LoRaWAN, Sigfox e il recentemente introdotto RIIoT. Ognuno di questi ha il supporto per moduli di interfaccia radio e sensori preconfigurati che gli sviluppatori possono semplicemente includere nel loro progetto, così come i kit di sviluppo che facilitano la rapida configurazione e lo sviluppo di applicazioni.

LoRaWAN è basato su standard aperti gestiti dalla LoRa Alliance e sulla tecnologia radio proprietaria a spettro diffuso di proprietà e concessa in licenza da Semtech Corp. La rete utilizza una topologia a stella estesa, permettendo ai singoli nodi di comunicare con più gateway, permettendo il roaming. Supporta le comunicazioni bidirezionali tra i gateway e i nodi, permettendo ai gateway di trasmettere messaggi da un nodo all’altro, così come a un server basato su cloud.

LoRaWAN permette velocità di dati da 300 bit/s a 50 kbits/s, gestisce carichi utili di messaggi fino a 243 byte, e utilizza larghezze di banda del segnale di 125 kilohertz (kHz) o 250 kHz. Supporta tassi di dati adattivi per mantenere l’affidabilità del segnale in condizioni mutevoli e può raggiungere gamme fino a 5 km in un ambiente urbano e fino a 20 km in linea di vista (LoS). Gli utenti possono sviluppare nodi e accedere a reti commerciali, o stabilire reti private utilizzando i propri gateway e reti di backhaul.

Sigfox è un protocollo proprietario sviluppato e gestito da Sigfox, che concede in licenza la sua tecnologia agli sviluppatori di chip e dà agli utenti l’accesso alla sua rete attraverso stazioni base gateway in tutto il mondo. Mantenendo i suoi tassi di dati a 600 bit/s con una larghezza di banda del segnale di 100 hertz (Hz), Sigfox può massimizzare la portata. Può raggiungere 40 km in condizioni di LoS e 10 km in ambienti urbani. Il suo protocollo leggero limita i pacchetti di messaggi uplink a 26 byte (con un massimo di 12 byte di dati utente) in modo che i trasmettitori siano alimentati solo brevemente. I nodi possono inviare solo 140 messaggi al giorno, e i gateway possono inviare messaggi downlink ai nodi solo quattro volte al giorno dopo aver ricevuto un messaggio uplink da loro. Di conseguenza, i nodi passano pochissimo tempo con le loro radio attive, rimanendo in modalità sleep per la maggior parte del tempo per minimizzare il loro consumo energetico.

Mentre le radio LPWAN sono a bassa potenza, nel mondo reale, bassa potenza è un termine relativo. Per esempio, Radiocrafts ha due opzioni di alimentazione distinte per le sue offerte di moduli Sigfox. Il modulo di interfaccia sensore ad alta potenza RC1692HP-SSM comunica con un microcontrollore host tramite una connessione UART e offre porte SPI, I2C, analogiche e GPIO per il collegamento ai sensori (Figura 2). Funziona con un’alimentazione da 2,8 a 3,6 volt.

Immagine del sensore Sigfox RC1692HP-SSM e del modulo di interfaccia radio Figura 2: Il sensore Sigfox completo e i moduli di interfaccia radio come il Radiocrafts RC1692HP-SSM consumano solo 20 microampere (µA) quando non trasmettono. (Fonte immagine: Radiocrafts)

In modalità sleep, il modulo consuma 1 µA. In modalità attiva con i sensori attaccati, consuma meno di 20 µA quando è inattivo e 292 mA durante la trasmissione.

Il modulo RC1682-SSM a bassa potenza si rivolge al mercato europeo e consuma molto meno corrente, solo 58 mA durante la trasmissione.

RIIoT è una delle più recenti opzioni LPWAN per la considerazione degli sviluppatori. È costruito sullo standard di livello fisico (PHY) IEEE 802.15.4g/e, inizialmente sviluppato per applicazioni di misurazione intelligente e controllo dei processi. Aggiunge caratteristiche RF e di controllo dell’accesso ai media (MAC) per supportare il basso consumo energetico, la lunga distanza e la sicurezza avanzata. La comunicazione è bidirezionale su una rete a stella, fornendo ritardi di rete prevedibili di meno di 15 ms per applicazioni di controllo quasi in tempo reale.

RIIoT offre due velocità di dati (5 kbits/s e 50 kbits/s) e due livelli di potenza in modo che gli sviluppatori possano ottimizzare l’equilibrio tra durata della batteria, velocità dei dati e gamma per soddisfare al meglio le loro esigenze. Nella configurazione a bassa e alta velocità di dati, le reti RIIoT possono raggiungere una portata di 5 km LoS e 200 metri (m) urbani, trasmettendo in burst di 3,5 millisecondi (ms). Con una maggiore potenza di uscita a velocità di dati inferiori, la loro gamma può raggiungere 60 km LoS e 2 km urbani in raffiche di 45 ms. La corrente di riposo per i tipici nodi terminali è di 0,7 microampere (µA).

Costruire una rete RIIoT comporta tre elementi principali: un nodo, un gateway e il software del driver di rete. I singoli nodi “terminali” usano un modulo come RC1880CEF-SPR di Radiocrafts, che integra un convertitore analogico-digitale (ADC) insieme alle interfacce GPIO, I2C, SPI e UART. Questi nodi comunicano in modo wireless con un PC Linux utilizzando o i due moduli compatibili RC1880CEF-GPR su una scheda che può essere inserita in uno slot di espansione, o un dongle USB inserito in una delle sue porte USB.

Per convertire completamente il PC in un gateway RIIoT, lo sviluppatore deve installare un terzo elemento: il middleware RIIoT Net Controller. Questo software non solo gestisce la rete, compresi gli aggiornamenti del firmware over-the-air sui nodi finali, ma converte anche i dati e i comandi in oggetti JSON per semplificare l’interfacciamento con il cloud.

Diagramma della rete RIIoT completa Figura 3: Una rete RIIoT completa contiene nodi finali, un PC Linux che ospita un modulo gateway e un software di controllo. (Fonte: Radiocrafts)

Una delle aggiunte chiave che RIIoT aggiunge al sottostante standard IEEE202.15.4 è la capacità di implementare la sicurezza end-to-end nelle trasmissioni di dati. Mentre Sigfox non supporta la crittografia e LoRaWAN supporta la crittografia sui suoi collegamenti wireless tra nodo e gateway, RIIoT porta la sicurezza un passo avanti.

Con RIIoT, ogni nodo può avere una chiave di sicurezza unica, permettendo al sistema di mantenere il messaggio crittografato dal nodo al programma applicativo basato su cloud che interagisce con esso. I gateway possono semplicemente passare il messaggio criptato; non hanno bisogno di accedere al contenuto.

Velocizzare la progettazione utilizzando moduli e kit: RIIoT

Gli sviluppatori che vogliono implementare reti IoT LPWAN possono ottenere un rapido vantaggio sui loro sforzi di progettazione utilizzando uno dei molti moduli di interfaccia RF e sensori preconfigurati disponibili per le varie reti. Questi moduli hanno già risolto tutti i complicati problemi di design RF, minimizzazione della potenza e implementazione del protocollo, rendendoli essenzialmente un dispositivo di comunicazione diretto per il processore host. Inoltre, i moduli sono pre-certificati per soddisfare i requisiti normativi per le bande ISM. Gli sviluppatori dovranno ancora certificare il loro prodotto finale, ma avere l’elemento radio già testato rende la certificazione finale molto più facile e sicura.

Questi moduli aiutano anche a velocizzare la progettazione fornendo interfacce integrate per i sensori e la logica di controllo. L’RC1880CEF-SPR di Radiocrafts, per esempio, ha interfacce per l’ingresso analogico a un ADC, GPIO per interruttori, I2C e SPI per sensori compatibili, e una UART per connettersi al processore host (Figura 4). Gli sviluppatori possono includere questo modulo nel loro progetto per affrontare le comunicazioni wireless e le esigenze di interfaccia del sensore per il loro sistema. Il modulo può essere programmato per gestire la configurazione del sensore, il controllo e il campionamento da solo, semplificando il compito del processore dell’applicazione. I sensori e le comunicazioni appaiono semplicemente come memorie di lettura/scrittura nel codice dell’applicazione.

Il diagramma dei sistemi LPWAN può includere radio e interfacce per sensori Figura 4: I moduli dei sistemi LPWAN possono includere radio e interfacce per sensori, rendendoli più facili da progettare nei sistemi di sensori IoT. (Fonte immagine: Radiocrafts)

I kit di sviluppo, come il RC1880-RIIOT-DK, possono aiutare gli sviluppatori a impostare rapidamente una rete RIIoT completa end-to-end per la sperimentazione. Questo kit comprende i nodi finali, i moduli gateway e il software di sistema per una rete completa. Sono inclusi anche strumenti software per programmare i nodi terminali in C per gestire i sensori collegati.

Moduli e kit di sviluppo per LoRaWAN e Sigfox

Sono disponibili anche moduli preconfigurati per una facile implementazione del sistema IoT per LoRaWAN. Un buon esempio è il modulo LoRaWAN PIS-1019 RAK811 di Pi Supply (Figura 5).

Immagine del modulo LoRaWAN PIS-1019 RAK811 di Pi Supply Figura 5: Il modulo LoRaWAN PIS-1019 RAK811 di Pi Supply ha un’interfaccia sensore integrata insieme a una porta seriale per permettere a un microcontroller host di controllarlo usando comandi AT standard. (Fonte dell’immagine: Pi Supply)

Questo dispositivo fornisce una porta seriale a un microcontrollore host che controlla il modulo usando comandi AT standard. Per aiutare a impostare una rete completa, il kit di sviluppo PIS-1037 per il PIS-1019 contiene un modulo hub gateway che può trasformare un controller PCIe host in un punto di accesso gateway/router (Figura 6).

Immagine dal kit di sviluppo PIS-1037 di Pi Supply Figura 6: Gli utenti LoRaWAN possono stabilire il proprio gateway di rete utilizzando le risorse del PIS-1037 di Pi Supply, il kit di sviluppo del PIS-1019. (Fonte immagine: Pi Supply)

Radiocrafts ha anche kit di sviluppo Sigfox completi come il kit RC1692HP-SSM-DK per il modulo RF RC1692HP-SSM e l’RC-1682-SSM DK per il modulo RF RC1682-SSM. In questo modo i moduli radio Sigfox possono essere testati e sviluppati direttamente dalla scatola. I kit sono dotati di sensori di temperatura e umidità, un accelerometro e un sensore a effetto Hall.

Tuttavia, gli sviluppatori che usano Sigfox non hanno la possibilità di creare le proprie reti. Sigfox gestisce e mantiene i gateway di sistema e le reti di backhaul, per i quali gli utenti pagano una tassa di accesso. Tuttavia, i moduli sono completi di ID e chiavi di crittografia precodificati e, una volta registrati, inizieranno a fornire dati al cloud Sigfox con una configurazione minima.

Conclusione

Per i progettisti che cercano di collegare sensori a bassa velocità di dati all’IoT su una lunga distanza a bassa potenza, le soluzioni LPWAN come RIIoT, LoRaWAN e Sigfox offrono alternative interessanti a Wi-Fi, Zigbee o reti cellulari con licenza. Ognuno ha i suoi rispettivi vantaggi, ma tutti possono affrontare applicazioni che vanno dai contatori intelligenti all’agricoltura intelligente.

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