Rilevamento, elaborazione, azionamento e connettività sono i blocchi chiave dei progetti IoT e l’impiego di soluzioni modulari di tipo plug-and-play per ciascuno di questi blocchi può contribuire ad accelerare e semplificare lo sviluppo di nuovi progetti in molteplici applicazioni. Ciò assume un particolare rilievo nel caso tali soluzioni modulari includano tool di sviluppo “ad hoc” e, laddove richiesto, siano pre-certificate per garantire la conformità ai requisiti imposti dalle normative degli standard internazionali di riferimento e dal protocollo. Anche se nel caso di IoT esiste un gran numero di protocolli per la connettività, SigFox è uno degli standard più utilizzati, grazie a una infrastruttura integrata e alla garanzia di connettività su lunghe distanze.
Le problematiche associate alle applicazioni IoT
La connettività tramite IoT sta apportando benefici di notevole entità in ambito sia consumer sia aziendale a livello planetario. In un’abitazione, ad esempio, grazie a “campanelli remoti” un utente può essere (virtualmente) a casa dovunque si trovi, a patto ovviamente che disponga di una connessione Internet. In ambito aziendale, tutti i processi che si svolgono in uno stabilimento possono essere monitorati in remoto fornendo dati che contribuiscono ad incrementare in maniera significativa l’efficienza operativa. Grazie alla possibilità di effettuare analisi dei dati più approfondite, al monitoraggio in real-time, alla manutenzione predittiva e ad altri servizi ad alto valore aggiunto, i vantaggi promessi da IoT si stanno tramutando in realtà concreta in numerose applicazioni. In ogni caso è bene sottolineare che molte delle caratteristiche che rendono questi dispositivi IoT così utili e portatili, pongono non poche problematiche in termini di progettazione.
Un tipico nodo IoT deve integrare un gran numero di funzionalità. Solitamente è contemplata la presenza di un microcontrollore (MCU) per gestire il sistema ed elaborare i dati, vari tipi di sensori, in funzione dei parametri che devono essere misurati o monitorati, oltre a funzioni di crittografia per assicurare che ogni dato sensibile venga memorizzato e trasmesso in modo sicuro. Inoltre, è necessaria una sorgente di alimentazione che, molto spesso, è una batteria, per poter supportare il crescente numero di dispositivi che non può essere alimentato attraverso la rete.
I vincoli dimensionali e la disponibilità di una quantità comunque finita di energia (quella della batteria) comportano l’insorgere di un certo numero di problematiche progettuali, in quanto è necessario scegliere e utilizzare componenti di piccole dimensioni e a bassissima dissipazione e sviluppare sofisticati algoritmi di gestione della potenza per eliminare qualsiasi spreco di energia.
Problematiche di connessione di dispositivi IoT
Un ulteriore problema che deve essere affrontato nello sviluppo dispositivi IoT è rappresentato dall’interfaccia di comunicazione, elemento essenziale per collegare il nodo all’IoT. I progettisti devono scegliere il protocollo più adatto a partire dalla vasta gamma attualmente disponibile. Alcuni di questi protocolli sono di tipo proprietario e destinati ad applicazioni specifiche mentre altri, come Bluetooth e Wi-Fi sono diffusi su larga scala, anche se per applicazioni che prevedono comunicazioni su brevi distanze (short range).
SigFox è un sistema simile alla rete cellulare appositamente concepito per dispositivi remoti connessi, in particolar modo i nodi IoT, caratterizzato da consumi ridotti, elevata distanza di trasmissione, bassa velocità di trasferimento dati e costo contenuto. Destinata all’utilizzo in semplici comunicazioni M2M, una rete Sigfox può essere implementata con estrema facilità e coprire distanze di trasmissione molto superiori rispetto a quelle di un singolo trasmettitore a bassa potenza. Questa rete fa ricorso alla tecnologia UNB (Ultra Narrow Band) che richiede una bassa potenza di trasmissione pur garantendo l’affidabilità della connessione.
Progettata per soddisfare la quasi totalità delle applicazioni IoT, Sigfox prevede pochi vincoli e, a patto che l’applicazione non trasmetta più di 140 messaggi di 12 byte (96 bit) al giorno a una velocità di 100 bps, si propone come una soluzione di connettività affidabile caratterizzata da basso costo e consumi ridotti. A questo punto è utile sottolineare il fatto che a differenza di quel che accade per protocolli di ampia diffusione come ad esempio Bluetooth, il know how relativo a SigFox è considerato una nicchia appannaggio quindi di un numero ridotto di specialisti.
Eliminare le barriere tecnologiche con soluzioni Sigfox modulari
ON Semiconductor di recente ha annunciato l’introduzione di un tranceiver RF sotto forma di SiP (System in Package) Sigfox che integra un SoC (System-on-Chip) RF avanzato corredato di tutti i componenti esterni necessari (compreso un TCXO - oscillatore compensato in temperatura), dando in tal modo l’opportunità di semplificare e ridurre i tempi richiesti per le fasi di progettazione e di certificazione.
AX-SIP-SFEU è una soluzione SiP per la connettività, sia in uplink sia in downlink, dal dispositivo al cloud da utilizzare in applicazioni IoT remote che utilizzano una rete LPWAN (ovvero una WAN a basso consumo) in tecnologia Sigfox. Il SiP in questione integra un circuito radio RF, i componenti discreti per l’adattamento RF, tutti i dispositivi passivi richiesti e il relativo firmware in un unico package. Poiché la soluzione è precertificata per garantire la conformità alle normative CE ed è “Sigfox Verified”, i progettisti possono disporre di una soluzione ad alto grado di integrazione, completa e contraddistinta da un elevato livello qualitativo.
Offerto in un package miniaturizzato, di dimensioni pari a soli 7x9x1 mm che è stato sottoposto a un trattamento di conformal coating (una verniciatura protettiva), AX-SIP-SFEU può essere utilizzato in applicazioni IoT remote dove esistono severi vincoli in termini di spazio, come ad esempio dispositivi indossabili, etichette per il monitoraggio degli asset e, più in generale, in tutte quelle applicazioni che richiedono una soluzione Sigfox compatta.
L’adozione di AX-SiP-SFEU consente anche di ridurre in maniera significativa i problemi correlati ai consumi, grazie a una progettazione che prevede modalità di stand-by, sleep e deep sleep che permettono di minimizzare i consumi quando il dispositivo non è in fase di trasmissione. Quando si trova nelle questa modalità di risparmio energetico appena sopra delineate, le correnti assorbite sono pari a soli 0,55 mA, 1,2 µA e 180 nA, consentendo l’uso di una batteria a bottone (tipo CR2032). In alternativa è possibile utilizzare tecniche di energy harvesting (ovvero immagazzinamento e riutilizzo dell’energia), eliminando quindi il ricorso alla batteria e alle relative operazioni di gestione o di sostituzione.
Uno degli aspetti più critici nella progettazione della sezione radio, è quella relativa all’ottenimento delle approvazioni richieste. Come accennato in precedenza, il dispositivo SiP AX-SIP-SFEU è “Sigfox Verified” per le reti della zona RC1: ciò certifica la sua conformità con le specifiche RF e del protocollo dello standard, garantendo in tal modo la completa interoperabilità. Il dispositivo ha inoltre ottenuto la certificazione CE, ovvero risulta conforme agli standard relativi alla protezione dell’ambiente, della sicurezza e della salute a cui devono conformarsi i prodotti che vengono commercializzati nella EEA (European Economic Area).
