Comunicazione affidabile e intelligente

Secondo le ultime stime di mercato, il numero di dispositivi connessi in rete cresce a un tasso di 5,5 milioni al giorno. Entro il 2020, il numero di oggetti connessi sarà di 20 miliardi. Data la crescita esponenziale, è necessario analizzare l’infrastruttura di comunicazione che connetterà tutti questi apparecchi, secondo criteri di disponibilità e affidabilità della rete. La sfida corrente è creare una rete di comunicazione che faccia dialogare tutti i dispositivi, garantendo la qualità del servizio. Questa si lega soprattutto alle prestazioni di due componenti critici: un ricetrasmettitore radio e un microcontrollore. Le soluzioni Analog Devices possono massimizzare l’affidabilità del sistema di comunicazione, permettendo l’accesso alla rete ad applicazioni di alto livello, laddove integrità e qualità dei dati sono parametri critici. Le tecnologie disponibili per soluzioni consumer non sempre soddisfano le prestazioni richieste dai mercati industrial ed healthcare. Le diverse priorità in questi segmenti, includendo sicurezza, accuratezza e requisiti di sincronizzazione, aumentano il bisogno per una maggiore robustezza. I sistemi cellulari attuali sono simili nei requisiti, ma non sostenibili in termini di durata della batteria, costi e banda di accesso. Sistemi altamente affidabili già esistono per mercati di riferimento come l’industriale e il militare, e sono stati disegnati a partire dal requisito primo dell’affidabilità e a seguire in base ai costi. Per applicazioni IoT industriali la sfida tecnologica è realizzare dispositivi con un alto grado di affidabilità a costi contenuti.

Gli scenari applicativi della connettività

Analizziamo alcuni scenari applicativi, dove la connettività wireless ha aggiunto efficacia al sistema e dove l’affidabilità della connessione è un requisito primario.

  • Industry 4.0 - L’efficacia di dispositivi connessi sulle linee di produzione è legata all’aumento potenziale della resa per unità di prodotto. Per raggiungere questi obiettivi è necessario avere accesso alla linea di produzione per implementare aggiustamenti senza fermi macchina. A questo proposito, un esempio nelle linee pick & place può essere il controllo dei piazzamenti per unità di tempo per migliorare run-time l’efficienza della linea.
  • Vital Signs Monitoring - Ospedali e centri di cura guardano ai sistemi connessi wireless per controllare i parametri vitali dei pazienti. I sensori cablati possono essere sostituiti da sensori wireless connessi tramite un gateway locale, permettendo un più efficace controllo del paziente e riducendo al contempo l’impatto sul personale sanitario.
  • Smart City - Con il miglioramento dei sensori audio e video e degli algoritmi, i sistemi montati in aree pubbliche, come i lampioni, possono osservare e segnalare eventi come incidenti, atti criminali con un elevato livello di confidenza. Queste informazioni possono essere veicolate attraverso reti wireless alle autorità competenti, insieme all’ubicazione, per ridurre i tempi di primo intervento.

Costruire una rete wireless in ambienti complessi

Ognuno degli esempi applicativi presentati è soggetto a condizioni ambientali che possono condizionare in negativo le comunicazioni wireless. Le costruzioni in acciaio, lo spessore dei muri delle abitazioni, la vegetazione possono degradare l’intensità del segnare radio al punto da non poter più essere ricevuto dal destinatario. La sensitività del transceiver, usato nel ricevitore, determina quanto il segnale possa essere degradato senza conseguenze sulla sua decodifica. Una variazione di pochi dB in ricezione può determinare una significativa differenza tra il ricevere o non ricevere il pacchetto di informazioni trasmesse. La sensitività è quindi un parametro fondamentale nella selezione di un dispositivo radio. I dispositivi connessi wireless lavorano tipicamente nelle bande Ism nella regione di interesse. Le bande Ism sono libere da licenze e possono essere usate per una diversità di applicazioni che richiedono connettività. Il 2,4 GHz è uno standard globale e universalmente utilizzato per servizi Wi-Fi e Bluetooth. In aggiunta al 2,4 GHz, c’è una porzione di spettro disponibile a frequenze inferiori a 1 Ghz: queste bande sono comunemente utilizzate per applicazione IoT. In Europa la banda è centrata a 868 MHz, mentre negli Usa è centrata a 915 MHz. Le difficoltà emergono quando più dispositivi in prossimità condividono le stesse bande Ism. Dispositivi adiacenti posso mutuamente interferirsi come accade in ospedali pubblici dove sono presenti numerose macchine che condividono le bande Ism. La capacità delle radio di operare in presenza di interferenti è misurata in termini di ampiezza dei disturbi; senza una sufficiente capacità di reiettare gli interferenti dispositivi adiacenti come telefoni o tablet potrebbe causare una perdita della comunicazione. In applicazioni militari e aerospaziali vengono utilizzati componenti estremamente costosi viste le prestazioni (linearità, spurie,) per mitigare gli interferenti. Per applicazioni come quelle presentate, l’obiettivo è raggiungere prestazioni elevate a costi accessibili dal mercato, per realizzare radio che garantiscano la comunicazione anche in presenza di interferenti multipli.

Effetti ambientali e prestazioni dei ricetrasmettitori

I ricetrasmettitori radio sono realizzati con processi che sono intrinsecamente soggetti a variazioni delle prestazioni, in funzione dell’ambiente in cui operano. Queste variazioni includono cambi di temperatura, variazioni delle tensioni di alimentazione, riduzione della carica delle batterie e variazioni dovute al processo di produzione. Questi cambiamenti possono influire sulla stabilità operativa del dispositivo. Per esempio, un sistema di monitor per le emergenze, installato sui lampioni della luce a bordo strada, può essere soggetto a temperature molto fredde, nella stagione invernale, influenzando la potenza di uscita o la sensibilità del ricetrasmettitore causando quindi la perdita della connessione. Se per una applicazione consumer questo è un problema minore, per un monitor delle emergenze è una condizione inaccettabile. Per lavorare al meglio, questi deve essere almeno in grado di segnalare la criticità e perciò essere sostituito. In fase di selezione dei componenti, l’ingegneria dei sistemi deve considerare tutte le condizioni ambientali, per garantire robustezza e affidabilità alle comunicazione e all’intero sistema. L’affidabilità è un requisito anche del microcontrollore che controlla le comunicazioni. Benché estremamente affidabili le memorie flash e le non volatili possono occasionalmente corrompersi. Questo può essere dovuto a un evento inatteso, connesso all’ambiente di lavoro o come atto voluto di manomissione hardware. Indipendentemente dalla ragione è necessario che il microcontrollore sia provvisto della logica di integrità per identificare quando un dispositivo è corrotto. Quando identificato, il microcontrollore può eventualmente correggere l’errore o escludere il dispositivo, spegnendolo per salvaguardare la sicurezza del sistema completo.

Soluzioni progettate per durare

Analog Devices realizza da oltre 50 anni prodotti affidabili, in grado di affrontare queste sfide. L’ultima sfida è quella di realizzare un sistema robusto per soluzioni Internet of Things. l’ADF7030-1 è un ricetrasmettitore ultralow power in banda Ism che, insieme al microcontrollore l’ADuCM3029 Cortex-M3, indirizza livelli prestazionali che permettono di sviluppare link di connessione affidabili. L’ADF7030-1 è attualmente il ricevitore radio con la miglior sensitività disponibile. In molti casi l’ADF7030-1 è in grado di ricevere segnali radio 3 dB sotto la soglia di molti prodotti similari; questo a significare che può ricevere segnali di intensità molto deboli rispetto alle radio disponibili. In aggiunta alla sensitività, l’ADF7030-1 è in grado di gestire interferenti nell’ordine dei 100 dB con prestazioni paragonabili alle radio militari e avioniche senza costi aggiuntivi, dovuti a componenti esterni addizionali, e garantendo il valore delle comunicazioni anche negli ambienti Rf più difficili. L’ADF7030-1 è estremamente flessibile e configurabile e può gestire i protocolli più popolari a livello Phy (ZigBee,6loWpan, Wireless M-bus). Inoltre l’ADF7030-1 gestisce lo standard multirate frequency shift keying (Mr-Fsk) Phy 802.15.4g con formato di pacchetti specifico con Fec come da standard Ieee 802.15.4g-2012 e velocità fino a 150 kbps. Attraverso la collaborazione con diversi attori in ambito industriale, Analog Devices ha sviluppato tecniche e metodi per affrontare gli effetti di ambienti estremi sui transceiver radio. Ad esempio, la potenza di uscita trasmessa dall’ADF7030-1 varia meno di 0,2 dB sull’intera gamma di temperature di funzionamento; questo grazie a processi di design unici di Analog Devices. Una soluzione wireless completa può essere realizzata usando un ridotto numero di componenti discreti esterni all’ADF7030-1 e un microcontrollore. Il controllore può configurare l’ADF7030-1 usando un semplice protocollo a comando e utilizzando un’interfaccia standard Spi a 4 fili. Un comando a singolo byte commuta lo stato della radio o inizializza una specifica funzione. L’ADuCM302x è un microcontrollore ultra low power con power management integrato per applicazioni che richiedono processamento, controllo e connettività. È basato su una architettura Arm Cortex-M3, una serie di periferiche, memorie Stram e Flash integrate e un sistema analogico per il clocking, reset, power in aggiunta ai convertitori Adc. L’ADuCM3029 nasce con Ecc parity check per assicurare che gli errori dovuti a corruzione della memoria siano identificati e corretti. L’ADuCM3029 è inoltre equipaggiato con capacità di battery monitoring anche in sleep mode. Questa funzione permette di osservare la qualità delle tensioni anche in sleep e informare il processore di eventuali malfunzionamenti della rete di alimentazione. Il dispositivo può quindi decidere di informare il sistema o entrare in modalità safe mode per evitare di compromettere l’intero sistema.

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