Diversificare l’IoT con la tecnologia sotto a 1 GHz

Nel corso della sua evoluzione, l’Internet delle Cose si è distinta per la sua eterogeneità. Da un esordio alquanto modesto per la connessione di elettrodomestici o contatori elettrici/dell’acqua a Internet, l’IoT ha assunto ora un ruolo ben più ampio, affermandosi in vari settori industriali e nel commercio al dettaglio, basti pensare alle etichette elettroniche da scaffale, alla logistica, ai servizi di ricerca e soccorso, all’agricoltura e ad altri nuovi ambiti di applicazione. Alcuni esperti prevedono che entro il 2020, circa 50 miliardi di dispositivi faranno parte dell’Internet delle cose in tutto il mondo. Ogni nuovo caso di utilizzo dell’IoT, però, implica un insieme unico e particolare di caratteristiche tecnico-operative. Fortunatamente la tecnologia di connettività wireless per bande di frequenza sotto 1 GHz soddisfa molti dei requisiti più stringenti che i progettisti di sistemi IoT si trovano ad affrontare. Ovviamente la grande efficacia della tecnologia sotto 1 GHz per molte di queste applicazioni non dipende da un singolo fattore, ma piuttosto dalla combinazione delle sue notevoli capacità e dalla sua adattabilità alle esigenze specifiche delle applicazioni. Il lungo raggio dei transceiver e dei microcontrollori wireless operanti a frequenze inferiori a 1 GHz sta già rendendo possibili nuove applicazioni dell’IoT. Alcuni test hanno dimostrato che le trasmissioni al di sotto di 1 GHz hanno una portata effettiva che va anche oltre i 100 chilometri. Inoltre, occupando le bande Ism nello spettro wireless al di sotto di 1 GHz, le comunicazioni Sub-1 GHz evitano la banda ben più affollata da 2,4 GHz su cui operano Wi-Fi, Bluetooth Smart, ZigBee e altri protocolli wireless. Su una banda meno congestionata, le reti IoT saranno più stabili e in grado di coprire aree più vaste. La maggiore stabilità ed efficienza derivante dal fatto di operare su una banda non affollata, unitamente ad altri fattori, comporta anche un minor consumo di energia dei dispositivi sotto 1 GHz. In effetti alcuni nodi terminali hanno un’autonomia fino a 10 anni con una singola batteria a bottone. Un altro aspetto cruciale consiste nella compatibilità e flessibilità software della tecnologia Sub-1 GHz. In poco tempo gli sviluppatori possono differenziare i propri prodotti con caratteristiche che offrono un vantaggio competitivo sul mercato. Come emerge nell’analisi finale, la tecnologia sotto 1 GHz sta diventando uno dei principali elementi trainanti alla base dell’Internet of Things del futuro, non solo per l’insieme di caratteristiche esclusive che la compongono, ma anche perché ciascuna di esse è adattabile ai requisiti specifici e singolari di ogni applicazione.

Connettività wireless a lungo raggio

La maggiore portata di segnale dei transceiver e degli Mcu wireless integrati ha permesso alla tecnologia sotto 1 GHz di distinguersi da altre tecnologie alternative. Questo aspetto è particolarmente rilevante nel caso delle reti IoT, che possono essere molto diverse tra loro e coprire intere abitazioni, edifici multipiano per uso uffici o persino un’intera città o regione. La frequenza radio effettiva di una rete sotto 1 GHz sarà determinata dalla tipologia di applicazione, che richiederà una determinata velocità di trasferimento dati e una certa quantità di dati da trasmettere. A velocità di trasmissione dati inferiori, il raggio d’azione sarà più ampio. In generale, gli Mcu integrati e i transceiver terminali sotto 1 GHz più avanzati sono dotati di caratteristiche che consentono il funzionamento a lungo raggio. Per esempio, un Mcu wireless avanzato di recente concezione è in grado di rilevare segnali nella banda inferiore a 1 GHz con velocità di trasmissione dati di 50 kbps a -110 dBm, oppure con una velocità di soli 0,625 kbps a -124 dBm. Le interferenze derivanti da altre comunicazioni wireless possono essere superate impostando un blocco a 90 dB, mentre livelli di potenza in uscita fino a +14 dBm garantiscono un segnale stabile per comunicazioni a più lungo raggio. L’attuale tecnologia dei transceiver sotto 1 GHz è talmente eterogenea che i requisiti di portata di un’applicazione IoT specifica possono essere soddisfatti con un determinato dispositivo. I transceiver a banda stretta e ultra-stretta sotto 1 GHz, per esempio, sono diventati una delle tecnologie portanti nelle applicazioni quali i sistemi di monitoraggio dei flussimetri, le radio delle forze dell’ordine, i sistemi d’allarme e altre applicazioni in cui la velocità di trasmissione dati può essere piuttosto bassa per coprire un lungo raggio e non è necessario l’utilizzo di un Mcu. In Europa lo standard wireless M-Bus (wM-Bus) per applicazioni metrologiche si basa sulla tecnologia a banda stretta sotto 1 GHz. Oltre alle qualità legate al lungo raggio d’azione dei transceiver sotto 1 GHz a banda stretta e ultrastretta, alcuni Mcu wireless avanzati operanti a meno di 1 GHz hanno una modalità operativa integrata a lungo raggio che consente ai dispositivi terminali (end node devices) di sfruttare le maggiori capacità di elaborazione di un Mcu e mantenere al contempo l’operatività a lungo raggio. La flessibilità architetturale delle reti operanti a frequenze al di sotto di 1 GHz può influire anche sulla portata del segnale. Tali reti possono essere configurate secondo diverse architetture per soddisfare i requisiti di portata delle applicazioni. A titolo esemplificativo, una rete relativamente circoscritta con un punto di controllo centrale, come un sistema di domotica, potrebbe adottare un’architettura a stella basata su wM-Bus o 6LoWpan. Un’architettura a maglia (mesh) con gateway multipli potrebbe essere utilizzata come base per una rete più ampia destinata a campus aziendali o ambienti agricoli. Un’altra configurazione possibile è un’architettura punto a punto, che potrebbe essere utilizzata per ritrasmettere a un elemento di controllo centrale piccole quantità di dati, come ad esempio i valori di temperatura o altre misurazioni effettuate da qualche sensore.

Uno spettro meno congestionato

Le reti operanti sotto 1 GHz non presentano i problemi di sovraffollamento tipici della banda da 2.4 GHz. La maggior parte dei sistemi wireless attualmente più diffusi funziona sulla banda a 2.4 GHz, inclusi gli hotspot Wi-Fi e i router wireless domestici, ZigBee, Bluetooth, alcuni telefoni cordless e persino i baby monitor. Un eccesso di traffico in qualsiasi banda dello spettro wireless causa problemi ai dispositivi operanti su quella banda. Le interferenze e i conflitti tra tanti segnali wireless nella banda da 2.4 GHz possono corrompere le informazioni contenute nel payload o nell’header dei pacchetti di comunicazione, nonché rallentare la portata generando un gran numero di ritrasmissioni o persino impedendo la connettività. Se la tecnologia wireless è basata su un protocollo di rilevamento delle collisioni come il Wi-Fi, un numero eccessivo di collisioni dovuto al sovraffollamento della banda potrebbe impedire l’accesso alle onde radio o ridurre le prestazioni di tutte le comunicazioni wireless nelle vicinanze. L’arrivo di altri 50 miliardi di dispositivi IoT sulla banda da 2.4 GHz entro il 2020 non farebbe che peggiorare la situazione. In futuro, inoltre, un’alta percentuale di traffico IoT sarà piuttosto diversa da gran parte del traffico ad alta densità di dati presente sulla banda da 2.4 GHz, in cui lo streaming video, le conversazioni telefoniche, i download da Internet e altri collegamenti ad alta priorità possono impegnare i canali per lunghi periodi di tempo. Una quantità considerevole di traffico IoT consisterà in piccoli pacchetti di dati trasmessi a velocità inferiori per ottimizzare la portata del segnale. Pertanto è opportuno allocare diverse tipologie di applicazioni su bande distinte dello spettro wireless. Una minore congestione dei segnali consente tra l’altro una più facile espansione delle reti sotto 1 GHz e una rapida scalabilità dei dispositivi supportati su una qualsiasi rete e all’esterno per coprire distanze superiori. Con una minore congestione si verificheranno meno perdite di dati sulle reti operanti sotto 1 GHz, il che rappresenta un aspetto cruciale per alcune applicazioni importanti come le comunicazioni d’emergenza o la trasmissione di informazioni prioritarie dei sensori.

Potenza ultrabassa

Il bassissimo consumo di energia rappresenterà un altro requisito per molte applicazioni IoT. In effetti, il dover alimentare 50 miliardi di dispositivi IoT costituirà già di per sé una difficile sfida. Fortunatamente molti dispositivi terminali sotto 1 GHz consumano quantità di energia incredibilmente piccole. Molti dispositivi come i nodi sensori o i sistemi di monitoraggio dei flussimetri sono in grado di funzionare con una semplice batteria a bottone per 10 anni o anche di più, se provvisti di un sistema di approvvigionamento energetico alternativo come un pannello solare. I bassi consumi assumono una particolare importanza in caso di installazioni inaccessibili o difficili da raggiungere: sostituire una batteria in un nodo sensore, per esempio, potrebbe essere piuttosto oneroso o pericoloso per l’operatore addetto alla sostituzione, oppure realmente impossibile se il nodo in questione è installato ad esempio in un satellite meteorologico. Il bassissimo consumo di energia dei nodi terminali sotto 1 GHz, peraltro, non pregiudica o riduce la portata del segnale o la potenza in uscita. Un Mcu wireless sotto 1 GHz di recente introduzione, ad esempio, ha picchi di consumo pari a soli 5,5 milliampere in ricezione e 22,6 mA in trasmissione a +14 dBm. Inoltre, il core Arm Cortex-M3 di questo Mcu consuma solo 51 μA di potenza per ogni megahertz di capacità di calcolo. Questo dispositivo è stato integrato con sofisticati algoritmi di gestione energetica che mettono in standby parti del sistema con un consumo di 0,6 microampere di potenza, mantenendo i contenuti in memoria.

Flessibilità software

L’ambiente software di una rete operante nella banda inferiore a 1 GHz è particolarmente predisposto a innovazioni creative. La conformità allo standard Ieee 802.15.4g ha fornito agli sviluppatori soluzioni standard con prestazioni generalmente in linea con le aspettative. Inoltre, gli standard industriali aperti stimolano sempre la crescita di un ecosistema di supporto composto da vari strumenti e ausili allo sviluppo. Per quando riguarda le reti sotto 1 GHz, questi fattori hanno accelerato l’implementazione di nuove topologie di rete wireless come 6LoWpan, wM-Bus e altre ancora. I nuovi microcontrollori wireless Sub-1 GHz, ampiamente programmabili e ricchi di risorse, valorizzano ancora di più la flessibilità software dei dispositivi terminali di comunicazione. A differenza dei semplici transceiver, i microcontrollori wireless integrano un motore di elaborazione come il nucleo Arm Cortex-M3 a basso consumo per il funzionamento dell’applicazione. La facilità di programmazione di questi Mcu wireless permette ai progettisti di terminali di comunicazione e ai produttori di apparecchiature di integrare rapidamente nei loro prodotti delle funzionalità in grado di differenziare i loro prodotti rispetto alla concorrenza. I più avanzati tra questi Mcu wireless sono dotati di una serie di risorse complementari che semplificano lo sviluppo software. L’inclusione di un sistema operativo real-time, di driver, interfacce periferiche e, almeno in un caso, di un’unità di controllo sensori, permette agli sviluppatori di software di concentrarsi sullo sviluppo di nuove caratteristiche innovative senza doversi preoccupare di come integrare le risorse di base nel dispositivo. Inoltre, questo tipo di ambiente software presenta anche un enorme vantaggio per i fornitori di apparecchiature di rete che desiderano utilizzare il proprio software proprietario. Nuovi strumenti di programmazione, piattaforme di sviluppo, librerie di proprietà intellettuale e altre caratteristiche di supporto ridurranno il time-to-market per i nuovi sistemi proprietari.

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