Le tecnologie M2M e IoT, utilizzate in misura sempre maggiore per collegare una miriadi di sensori e azionamenti, dipendono da un elemento chiave: la comunicazione. Per garantire che i dati provenienti da una moltitudine di sensori remoti (nodi periferici), solitamente alimentati a batteria, possano essere utilizzati per espletare compiti di analisi e di controllo è indispensabile una connessione affidabile e sicura dai nodi stessi alle applicazioni residenti sull’host. In misura sempre maggiore, e in modo particolare per i nuovi servizi o le applicazioni IoT che si basano sull’effettivo utilizzo, come quelle relative ad attrezzature agricole, contatori per la contabilizzazione dei consumi e gestione delle risorse negli impianti produttivi, l’intero modello di business può funzionare solamente se è garantita la completa disponibilità dei dati inviati dai sensori. In un mondo come quello attuale, dominato da comunicazioni di tipo wireless, far comunicare i nodi sensori periferici può apparire un compito relativamente semplice. Esistono tuttavia alcuni vincoli di progetto che tendono a complicare la situazione. In primo luogo, i sensori alimentati a batteria per loro natura non possono utilizzare tecnologie di comunicazione wireless che richiedono una connessione permanente (always on) e consumare parecchia potenza. Le frequenti sostituzioni della batteria rappresentano un elemento di disturbo e sono di difficile attuazione in un’installazione single site, come ad esempio una fabbrica. Nel caso in cui i sensori sono distribuiti e ubicati in posizioni fisicamente remote, il costo di sostituzione di una batteria da 50 centesimi richiede quello che in gergo industriale viene chiamato “truck rolls” (invio di un tecnico sul posto): ciò comporta un esborso di circa 100 euro, oltre alla necessità di eseguire una pianificazione degli interventi. Un altro aspetto di natura ingegneristica da tenere in considerazione è lo spazio disponibile all’interno del contenitore del sensore per integrare le funzionalità wireless. La quantità di dati da trasmettere, la distanza (range) entro la quale devono essere trasmessi i dati e il costo dell’invio di questi dati in base alla tariffa applicata dal fornitore del servizio sono altri elementi da valutare con attenzione.
Tecnologie wireless a confronto
Le più importanti tecnologie di comunicazione wireless attualmente disponibili per la creazione e messa in esercizio di sistemi IoT/M2M presentano ovviamente vantaggi e svantaggi. I protocolli Lan wireless per comunicazioni su corta distanza (short range) come Wi-Fi e i protocolli per comunicazioni su lunga distanza (long range) come ad esempio quelli cellulari sono utilizzati da molto tempo e risultano quindi ben collaudati, affidabili e ampiamente sperimentati. Benché di introduzione relativamente recente, le reti wireless a basso consumo operanti su lunga distanza stanno evolvendo rapidamente, proponendosi come una valida alternativa ad altri tipi di soluzioni. Nonostante la velocità di trasferimento dati di una rete Lpwan (Low power wide area network) sia inferiore rispetto a quella delle altre due tecnologie menzionate, le sue caratteristiche si adattano perfettamente ai requisiti dei nodi sensore, che trasmettono piccole quantità di dati con bassa frequenza di aggiornamento. In linea generale lo sviluppo della tecnologia delle reti Lpwan è avvenuto su due fronti: da un lato è stato promosso dagli operatori di telefonia cellulare entro lo spettro delle frequenze della telefonia cellulare esistente, strettamente regolato e coperto da licenze e dall’altro è stato supportato da organizzazioni indipendenti nella banda Ism (Industrial, Scientific and Medical) a 868/915 MHz priva di licenze. Benché gli operatori di telefonia cellulare si siano affrettati a integrare il traffico a bassa velocità di trasferimento dati all’interno delle infrastrutture esistenti, evidenziando le caratteristiche di affidabilità che sono in grado di offrire, le evoluzioni di parecchi nuovi standard Lpwan di tipo open source permettono ora di realizzare infrastrutture affidabili abbinate a un modello di costi decisamente competitivo.
LoRa, uno standard emergente
Uno degli standard emergenti che opera nella banda Ism è LoRa. Promosso e gestito da LoRa Alliance, un’organizzazione aperta e no-profit che conta oltre 320 membri che si sono impegnati a collaborare per condividere e favorire l’adozione di questo protocollo. In grado di garantire una connettività di tipo Lpwan, questa tecnologia a dispersione di spettro (spread spectrum) bidirezionale opera in tutto il mondo nella banda Ism a 868/915 MHz a secondo delle varie regioni. Caratterizzata da una distanza di trasmissione (teorica) che può arrivare a 15 km e una capacità di 1 milione di nodi per rete, la rete LoRa si sta affermando in parecchie applicazioni all’interno delle città e nelle aree metropolitane. Utilizzando un profilo di consumo molto basso, una tipica applicazione basata su sensori può operare fino a un massimo di 10 anni prevedendo un utilizzo medio delle funzioni di trasmissione e ricezione.
I vantaggi dell’approccio modulare
Per ogni progettista di sistemi embedded che voglia integrare funzioni di comunicazioni basate sul protocollo LoRa nella propria applicazione, l’impiego di un modulo completamente integrato e pre-certificato rappresenta una soluzione senza dubbio più affidabile e meno onerosa, in termini di tempi di realizzazione, rispetto allo sviluppo di un progetto di tipo discreto. Sul mercato sono oramai disponibili parecchi tipi di moduli e nell’implementazione di parecchi progetti potrebbe essere opportuno considerare l’opportunità di utilizzare moduli in grado di operare in modalità “host-less”. In questo contesto ciò significa che non è richiesto nessun supporto addizionale, da parte della Mcu, per far funzionare l’applicazione finale, che può essere ad esempio un sensore di temperatura o di umidità, e far girare il codice richiesto per stabilire e mantenere un collegamento radio. Ciò non solo semplifica l’intero processo di sviluppo, ma assicura anche che il nodo periferico occupi il minor spazio possibile. Chiaramente, nel caso le funzionalità IoT/M2M del nodo periferico richiedano maggiori capacità di elaborazione, potrebbe essere necessario il ricorso a una Mcu aggiuntiva, ma nella quasi totalità dei casi non sono richieste risorse di elaborazione particolarmente spinte per cui un approccio di tipo host-less appare la soluzione ideale. Un esempio di modulo LoRa di tipo host-less è il dispositivo CMWX1ZZABZ-078 (Tipo ABZ) di Murata. Questo modulo realizzato in un package metallico a montaggio superficiale è alimentato con una singola tensione compresa tra 2,2 e 3,6 Vdc e può operare nell’intervallo di temperatura compreso tra -40 e +85 °C. Esso dispone di tutte le approvazioni necessarie per poter essere utilizzato in tutte le aree geografiche del mondo. Il modulo funziona grazie al transceiver SX1276 wireless di Semtech sul modem LoRA che permette di effettuare comunicazioni su lungo raggio in modalità spread spectrum e a un microcontrollore a 32 bit STM32LO di STMicroelectronics basato su core Arm Cortex M0+, che si occupa della gestione del transceiver, oltre a ospitare gli stack di comunicazione e le applicazioni IoT/M2M. Questa Mcu include 192 kB di Flash e 20 kB di Ram, mentre la vasta gamma di periferiche presenti, che prevede interfacce Uart, Spi e I2C, oltre a un convertitore A/D e un massimo di 18 Gpio, garantisce la flessibilità necessaria per soddisfare le esigenze dell’applicazione finale. Come ricordato in precedenza, qualora i casi d’uso richiedano più risorse di elaborazione e di memoria, il modulo di Murata può operare solamente in modalità modem, mentre il controllo dell’applicazione viene effettuato dalla Mcu esterna. Nel corso dell’anno Murata ha anche pianificato il supporto per SigFox, un altro diffuso protocollo per reti Lpwan. Per stabilire il collegamento con la rete LoRa viene utilizzato il set di comandi AT Hayes: a questo proposito Murata mette a disposizione un’esaustiva guida di riferimento. Per aiutare il progettista a realizzare un prototipo funzionante è disponibile la scheda di valutazione STM Discovery, identificata dalla sigla B-L072Z-LRWAN1. La scheda integra il modulo tipo ABZ di Murata le cui connessioni sono portate all’esterno delle basette su connessioni facilmente utilizzabili per passo e combinazione (in pratica è una breakout board), oltre a fornire ulteriori funzionalità di I/O permettendo la connessione di tasti e Led di stato. Per garantire un collaudo del progetto embedded in tempi brevi, Murata ha integrato sette funzioni dei comando del set AT da utilizzare per il test all’interno del firmware sulla scheda di valutazione. Questi comprende Atu, utilizzato per ottenere l’ID della Cpu, Att (frequenza, potenza di uscita, selezione della potenza) per avviare le trasmissioni di test e Atg (porta, pin) per attivare uno specifico pin Gpio. Ulteriori dettagli sulla modalità di funzionamento del firmware di test sono riportati in Fig. 3. Per la comunicazione e la programmazione della scheda STM Discovery è possibile utilizzare un’interfaccia Uart - sfruttando un apposito adattatore Uart-Usb - e ricorrere successivamente a un tool per l’emulazione del terminale. In alternativa alla programmazione mediante Uart è possibile utilizzare il tool per la programmazione e il debugging in-circuit STLink/V2 per i dispositivi della serie STM8 e STM32 di STMicroelectronics. Sulla scheda di valutazione è previsto un header a singolo filo compatibile con ST-Link/V2.
