Protocolli wireless a basso consumo: criteri di scelta

La sempre maggiore importanza di IoT (Internet of Things) e l’evoluzione delle tecnologie che ne hanno reso possibile l’implementazione stanno contribuendo a definire un mondo che in un prossimo futuro sarà veramente connesso. Scegliere i protocolli di trasmissione giusti in base alle applicazioni è sempre più importante.

I trasporti (via terra, mare e aria) e le reti di telecomunicazione (wireless e cablate) mettono a disposizione svariate opzioni per collegare persone in ogni angolo del globo in funzione di esigenze specifiche (ad esempio per incontrare di persona un cliente, parlare con un collega che lavora in un altro Paese utilizzando la rete fissa o una piattaforma VoIP, oppure ospitare una video conferenza che coinvolge partecipanti che si trovano in Paesi con differenti fusi orari). In modo del tutto analogo sarà disponibile tutta una serie di tecnologie di rete per connettere milioni di dispositivi IoT in base alle loro specifiche funzionalità.

Sebbene l’obiettivo dei dispositivi IoT possa variare notevolmente, in linea generale le loro esigenze di connettività si possono riassumere in questi quattro elementi chiave:

Essi devono essere (almeno nella maggior parte dei casi) di tipo wireless.

La distanza di trasmissione deve essere abbastanza elevata (fino a 5 km nelle aree urbane e tra 10 e 40 km nelle aree rurali).

Il consumo deve essere ridotto (per consentire una durata delle batterie di almeno 5, se non addirittura 10 anni).

Il costo di installazione, messa in esercizio e manutenzione di questi dispositivi deve essere ridotto.

Secondo le stime di IoT Analytics le connessioni IoT attive su scala globale passeranno dai 7 miliardi del 2018 ai 15,8 miliardi previsti per il 2023, 1,15 miliardi delle quali utilizzeranno reti LPWAN (Low Power Wide Area Network) come quelle descritte in questo articolo. Andando più in là nel tempo, secondo IDTechEx Research nel 2029 saranno in funzione 2,7 miliardi di connessioni IoT basate su reti LPWAN.

Protocolli LPWAN

Questo articolo sarà focalizzato sulle tecnologie LPWAN ideate per colmare il divario esistente in termini di dati trasmessi tra le connessioni wireless su brevi distanze (Bluetooth, Wi-Fi e Zigbee) e le reti cellulari che richiedono parecchia energia (2G, 3G e 4G). Sigfox, LoRa e Weightless sono alcune tra le più diffuse tecnologie LPWAN. L’articolo prenderà anche in considerazione NB-IoT (Narrowband IoT) che, sebbene basata sul protocollo LTE e in grado di funzionare sia su reti GSM sia su reti LTE, supporta la trasmissione bi-direzionale di piccole quantità di dati caratterizzata da consumi molto ridotti.

Sigfox

Questa tecnologia proprietaria è stata sviluppata nel 2009 da una società francese che porta lo stesso nome. Essa opera nella banda radio ISM (Industrial, Scientific, Medical) che non prevede licenze alle frequenze di 868 MHz (Europa), 915 MHz (Nord America) e 433 MHz (Asia). SigFox utilizza un protocollo leggero ottimizzato per gestire messaggi di dimensioni limitate. Questa rete trasmette piccole quantità di dati (a velocità di 100 o 600 bps a secondo della regione geografica) utilizzando la modulazione BPSK (Binary Phase Shift Keying). La trasmissione è di tipo bi-direzionale ma con restrizioni su base giornaliera: fino a 140 messaggi di 12 byte in trasmissione (upload) e un massimo di 4 messaggi da 8 byte in ricezione (download). La rete Sigfox ha raggiunta una copertura a livello nazionale in Francia nel 2014 e la società attualmente rivendica una copertura su scala su scala nazionale in 60 Paesi.

Tra i dispositivi che supportano Sigfox da segnalare l’ATA8520 di Microchip Technology, un transceiver su chip singolo operante a 868 MHz estremamente flessibile che può essere utilizzato in abbinamento a qualsiasi microcontrollore (MCU) host. Il dispositivo integra un front end RF e un controller in un unico chip ed è caratterizzato da un funzionamento a basso consumo di corrente (32,7 mA con una potenza di uscita di 14,5 dBm e 5 nA in modalità off).

LoRa

Anche questa rete è di origine francese ed è stata brevettata da Cycleo SAS nel 2009 (azienda acquisita da Semtech nel 2012). Essa opera nella banda pubblica ISM e utilizza le medesime frequenze di Sigfox, ma con un’ampiezza di banda di 125 e 250 kHz, e può raggiungere una velocità di trasmissione massima di 50 kbps (supportando messaggi di 243 byte in entrambe le direzioni) sfruttando la modulazione CSS (Chirp Spread Spectrum). Essa supporta inoltra la cifratura AES-128. Nel 2015 LoRA Alliance ha deciso di adottare LoRAWAN come protocollo standard. Al momento attuale la rete LoRA è stata installata in un centinaio di Paesi. Semtech è l’unico produttore che sviluppa i circuiti integrati impiegati nelle reti LoRA. Progettato per applicazioni in applicazioni quali contatori “intelligenti”, reti di sensori di sicurezza e monitoraggio in campo agricolo, SX1301 è un chip in banda base digitale che permette la creazione di macro gateway LoRAWAN esterni. Esso integra un concentratore LoRA, un transceiver multi-canale ad alte prestazioni progettato per ricevere diversi pacchetti LoRA simultaneamente utilizzando fattori di diffusione (SF - Spreading Factor, ovvero il numero di chip con cui viene rappresentato ogni bit di informazione) casuali su canali random. Il dispositivo assicura una connessione ottimale tra un concentratore dati wireless centralizzato e diversi punti terminali (end-point) situati a distanze variabili. Tra le altre caratteristiche di rilievo da segnalare funzionamento simultaneo su doppia banda, adattamento DDR (Dynamic Data Rate) e disponibilità di 10 percorsi di demodulazione paralleli programmabili. Murata, uno dei membri più importanti di LoRa Alliance, ha rilasciato i moduli wireless LoRA ABZ, compatti e a basso consumo, progettati per applicazioni quali contatori “intelligenti”, dispositivi indossabili e monitoraggio degli asset. Di dimensioni pari a 12,5x11,6x1,76 mm, queste unità sono fornite in package con schermatura in metallo.

Essi integrano il transceiver wireless a dispersione di spettro SX1276 di Semtech che opera su lunghe distanze e una MCU a 32 bit della famiglia STM32L0 di STMicroelectronics con core ARM Cortex M0+ (la dotazione di memoria prevede 192 kb di Flash e 20 kB di RAM). Per realizzare una rete LoRA sono necessari tre elementi: un gateway, almeno un nodo e un server locale preposto al monitoraggio di tutti i dispositivi connessi. I gateway LoRa/LoRaWAN a 868 e 915MHz di Seed Studio sono soluzioni wireless operanti su lunghe distanze da utilizzare per la creazione di reti LPWAN. Questi kit integrano tutti i blocchi base necessari, compresi l’SBC Raspberry Pi 3 e la scheda di sviluppo Seeeduino LoRAWAN con GPS, oltre a un gateway a 10 canali e un server locale per acquisire e trasferire i dati tra tutti i nodi LoRA. I progettisti possono realizzare prototipi nel giro di pochi minuti collegando il gateway con i moduli Seeeduino LoRAWAM e Grove.

Weightless

Sviluppato da Weightless SIG (Special Interest Group), un’organizzazione no-profit con sede a Cambridge, Weightless è uno standard aperto che opera nello spettro non coperto da licenze nella banda inferiore al GHz (sub-1 GHz) e prevede tre differenti versioni: Weightless-W, Weightless-N e Weightless-P. Weightless-W utilizza lo “spazio bianco”, ovvero lo spettro locale non utilizzato della banda televisiva (coperta ovviamente da licenze), mentre Weightless-N sfrutta il protocollo operante in banda ultra-stretta non coperta da licenze basata sulla tecnologia unidirezionale di NWave. Weightless-P, infine, opera sull’intero spettro delle bande ISM/SRD sub-1GHz non coperte da licenze, utilizza la modulazione FDMA + TDMA nella banda stretta a 12,5 kHz e prevede l’adattamento della velocità di trasferimento dati (da 200 bps a 100 kbps). Weightless supporta la cifratura AES-128/256 e l’autenticazione sia del terminale sia della rete.

Narrowband IoT (NB-IoT)

Standardizzato da 3GPP (3rd Generation Partnership Project) nel 2016 (Release 13), NB-IoT può operare sulle reti cellulari GSM e LTE (coperte da licenze) con consumi estremamente contenuti. Esso è caratterizzato da un’ampiezza di banda di 180 kHz e supporta velocità di trasferimento dati di 50 kbps (sia in upload che in download) con messaggi di dimensioni di 1,6 kB. Per quanto riguarda l’implementazione pratica, si può dire che NB-IoT è attualmente in fase di recupero. T-Mobile ha lanciato il primo servizio per reti NB-IoT su scala nazionale negli Stati Uniti nel 2018, mentre AT&T prevede di implementare la propria rete NB-IoT in Nord America entro la fine dell’anno. La rete NB-IoT europea di Vodafone include 10 differenti Paesi (Paesi Bassi, Gran Bretagna, Repubblica Ceca, Irlanda, Germania, Grecia, Italia, Spagna, Ungheria e Romania), ai quali dovrebbe aggiungersi la Turchia.

La scelta del protocollo più idoneo

La scelta della tecnologia LPWAN più appropriata dipende da numerosi fattori. Tra i più importanti da tenere in considerazione vi sono la copertura della rete e la distanza di trasmissione, l’efficienza energetica, la latenza e la qualità del servizio (QoS), oltre alla scalabilità e ai costi. Nelle applicazioni in campo agricolo le trasmissioni saranno minime ed è necessario garantire una lunga durata delle batterie ma, in considerazione del fatto che molte località sono solitamente ubicate al di fuori delle aree coperte da LTE, Sigfox e LoRA rappresentano probabilmente le opzioni migliori. Il monitoraggio in tempo reale dei macchinari presenti negli stabilimenti richiede la presenza di numerosi sensori con diversi requisiti di comunicazione.

Laddove Wi-Fi o Ethernet non fossero disponibili, NB-IoT sarà in grado di supportare la necessità di frequenti comunicazioni e di garantire un’elevata QoS. Poiché il tracciamento degli asset o il monitoraggio dello stato richiedono sensori a basso costo in grado di funzionare a batteria per un lungo periodo, LoRA e Sigfox rappresentano l’opzione più adatta. In ogni caso, per gli asset in movimento (ad esempio per il tracciamento di camion, cisterne o pallet nel settore della logistica), LoRA si propone come la scelta più adeguata. In modo analogo, nel caso di monitoraggio di condizioni ambientali negli edifici “intelligenti, che quindi non richiedono comunicazioni frequenti o una QoS particolarmente spinta, LoRA e Sigfox rappresentano la soluzione più idonea (in funzione della copertura richiesta e della penetrazione all’interno degli edifici). In considerazione delle molteplicità di dinamiche in gioco, in molte applicazioni IoT i progettisti dovranno sviluppare soluzioni LPWAN di tipo ibrido. STEVAL-FKI001V1 di STMicroelectronics è un tool di sviluppo e prototipazione espressamente ideato per il progetto di sistemi basati su tecnologie Sigfox, BLE (Bluetooth Low Energy) e sub-1GHz. Questo kit di sviluppo integra un modulo WS2118 di Jorjin Technologies equipaggiato con il SoC (System-on-Chip) BlueNRG-1 che supporta BLE e con il transceiver S2-LP sviluppato per applicazioni nella banda di frequenze inferiori a 1 GHz. Il ridotto valore della corrente richiesta dalla MCU in modalità attiva (quando la CPU e le memorie sono in funzione) e della corrente RF, abbinato al basso consumo di corrente in modalità low-power garantisce una maggiore durata della batteria, consentendo il funzionamento con una batteria a bottone o mediante tecniche di recupero e accumulo dell’energia (energy harvesting). Il kit è compatibile con le schede aggiuntive (shield) Arduino che ospitano sensori di movimento, sensori ambientali e sensori di distanza basati sulla tecnologia ToF (Time-of-Flight). I progettisti possono anche utilizzare la “discovery board” LoRA WAN B-L072Z-LRWAN1 basata sul microcontrollore STM32 di STMicroelectronics per realizzare soluzioni hardware IoT basate su LoRA e/o tecnologie FSK/OOK. Questo tool di sviluppo, che integra un modulo “all-in-one” realizzato da Murata e viene fornito corredato con il software I-CUBE-LRWAN, permette di realizzare un nodo LoRAWAN completo conforme alla classe A e in grado di supportare la classe C. La scheda prevede connettori compatibili con Arduino per la connessone di schede di espansione.