Soluzioni wireless per applicazioni non consumer

WIRELESS –

Alcuni produttori di componenti offrono chipset e software di supporto e alcuni sviluppatori indipendenti hanno implementato moduli wireless che rappresentano per i progettisti una soluzione sicura.

I microcontrollori piccoli ed economici hanno aperto la strada a nuovi mercati e ad applicazioni di controllo elettronico, con l'impiego nell'automazione domestica, nelle apparecchiature industriali, nei giocattoli e giochi. Nel frattempo è arrivata la rivoluzione del wireless, accrescendo ancora di più le aspettative degli utenti. I microcontrollori, ove possibile, stanno diventando wireless per evitare il rischio di fallimento sul mercato. I progettisti devono essere in grado di realizzare un'applicazione wireless. Una valutazione iniziale del tipo di prodotto, della prestazione e delle funzioni necessarie può indirizzare il progettista verso una serie di tecnologie radio e aiutarlo ad identificare il software e i protocolli più adatti. É necessario prendere in considerazione una serie di cose, tra cui la gamma di comunicazione, se sono necessarie comunicazioni unidirezionali o bidirezionali, la velocità di trasmissione dati richiesta in entrambe le direzioni, e la necessità di semplici comunicazioni point-to-point o opzioni di networking più sofisticate. Tuttavia, realizzare una soluzione wireless richiede notevoli capacità in termini di progettazione RF, oltre che un'approfondita conoscenza dello sviluppo di software e firmware. Per questo motivo i costruttori di componenti offrono una varietà di chipset e sistemi su chip. Si tratta di articoli basati su standard industriali, quale ad esempio la piattaforma radio Ieee802.15.4, abbinata ad un software stack come ZigBee, o basati su altri protocolli. D'altra parte, in alcune situazioni, un chipset proprietario può risultare vantaggioso dal punto di vista della prestazione o dei costi. I progettisti possono semplificare ulteriormente il progetto scegliendo moduli che offrono una soluzione wireless plug-in: per ragioni commerciali, questi moduli tendono ad essere progettati con tecnologie wireless industry-standard.

Opzioni basate su standard
La piattaforma radio Ieee 802.15.4 definisce i layer radio e i trasporti fisici  e Mac sui quali gli sviluppatori possono basare un'estesa gamma di protocolli e di applicazioni. Una serie di vendor di circuiti integrati offre soluzioni wireless che includono radio conformi all'Ieee 802.15.4 con un IC all'interno di un chipset o integrato all'interno di un sistema on-chip singolo. Uno dei vantaggi dell'Ieee 802.15.4 è che è stato concepito come radio a basso consumo, di semplice concezione nella struttura esterna ma, allo stesso tempo, in grado di supportare funzionalità elaborate come la crittografia Aes128, il rilevamento di energia e la misura della qualità dei link di comunicazione. Esso utilizza la trasmissione con modulazione a spettro allargato per trasmettere l'energia del segnale radio con alta immunità all'interferenza e opera su bande radio di 2.4 GHz o 868 MHz. L'assorbimento del segnale nell'aria comporta che le frequenze più basse vengano irradiate in un raggio più ampio. Ieee 802.15.4 è rivolto principalmente alle applicazioni di wireless networking, in particolare per il sensor networking. Tutti i dispositivi hanno indirizzi a 64 bit, permettendo il collegamento di un numero praticamente illimitato di dispositivi. Il picco di velocità di trasferimento dati è di 250 kbit/s. É disponibile una serie di stack di networking disponibili in base allo Ieee 802.15.4. Lo ZigBee, ad esempio, è un noto standard di wireless networking che definisce i network, i layer e le applicazioni progettate per funzionare su layer Mac e Phy Ieee 802.15.4. Per applicazioni che richiedono comunicazioni point-to-point o point-to-multipoint, una serie di vendor offre stack software meno complessi, ad esempio il SimpleMac di Freescale o il TIMac di Texas Instruments. Altri stack possono essere utilizzati con lo Ieee 802.15.4 per implementare controlli semplici, per esempio la sostituzione per telecomandi a infrarossi utilizzati nelle applicazioni di largo consumo. In genere si tratta di stack leggeri che possono essere ospitati su microcontrollori low-end connessi al transceiver chip Ieee 802.15.4. Questi permettono uno sviluppo rapido e diretto a costi ridotti. I produttori di circuiti integrati offrono una serie con uno stack ZigBee che può essere combinato con un microcontrollore e un transceiver a circuito integrato RF per costruire un nodo wireless conforme a ZigBee. Freescale, in particolare, ha una serie di piattaforme Ieee 802.15.4 standard, inclusa la MC1321X, che combina un transceiver da 2.4GHz con un microcontrollore da 8 bit in un system-in-package, creando una soluzione integrata capace di ospitare uno stack ZigBee. In alternativa, utilizzando un transceiver a IC discreto si ottiene una soluzione a due chip che offre maggiore flessibilità nello scegliere l'host ideale per il microcontrollore. La serie Atmega di Atmel combina una radio 2.4GHz AT86RF230 con una selezione di microcontrollori Avr Atmega, che vanno da ATmega644 a ATmega2560. L'aggiunta di antenna, cristallo e condensatori di decoupling all'IC radio completa il progetto hardware. Oltre a offrire una scelta di trasmettitori discreti adatti per l'utilizzo in architettura dei microcontrollori MSP430, TI offre anche un sistema su chip completo CC2430, che comprende un trasmettitore con un Mcu 8051 che ospita lo stack ZigBee di TI, noto come Z-Stack. Tra queste due configurazioni, il processore ZigBee CC2480 è uno front end Zig Bee a 2.4GHz che offre agli sviluppatori la possibilità di ottimizzare la loro scelta di Mcu, ma evita l'obbligo di conoscere la complessità dello stack ZigBee completo. Il processore ZigBee comunica con il processore host tramite un comando di interfaccia Spi o Uart, e il processore host conversa con il processore ZigBee utilizzando un protocollo semplice da utilizzare. Utilizzando uno di questi chipset o sistemi in package, i progettisti possono realizzare soluzioni che solitamente richiedono una conoscenza approfondita nella progettazione RF. D'altro canto, la progettazione e la costruzione di una scheda per un sottosistema radio può richiedere una grande specializzazione. C'è anche la necessità di integrare nel sistema lo stack di protocollo. Una serie di moduli wireless sono ora disponibili per integratori indipendenti, il che può semplificare ulteriormente la progettazione dei sistemi radio embedded. I moduli wireless sono tipicamente unità compatte che comunicano con l'host attraverso un'interfaccia di comando. Oltre all'integrazione del software e al layout fisico, di solito si risolvono problemi come la scelta dell'antenna. Ne è un esempio l'Amber Wireless AMBZ200. Questo è un modulo wireless ZigBee a corto raggio che offre un Api industry-standard che permette la configurazione del modulo attraverso la porta Spi e la Uart fornita. Lo stack ZigBee integrato permette agli sviluppatori di definire una rete utilizzando dei semplici comandi. Un ulteriore vantaggio nell'utilizzo di un modulo è che si dispone già delle autorizzazioni necessarie come quelle dettate dalla normativa R&TTE 1999/5/EC. Questo può aiutare a risparmiare i costi derivanti dalla registrazione di un progetto radio per i testi e approvazione. D'altro canto, gli sviluppatori di applicazioni devono prendere in considerazione l'impatto dei costi per la licenza ZigBee sul prezzo del prodotto finale.

Tecnologie wireless proprietarie
Le tecnologie radio proprietarie possono offrire un'alternativa allo standard Ieee 802.15,4, e potrebbero anche imporre un sistema a minore potenza o memoria. Dal momento che entrambe le cose sono preziose in un sistema embedded, i progettisti dovrebbero prendere seriamente in considerazione le soluzioni radio proprietarie. I costruttori tendono anche a supportare queste tecnologie con software e o firmware royalty-free, il che può avere un effetto apprezzabile sul costo totale del prodotto finale.
La maggior parte dei sistemi radio proprietari attualmente sul mercato utilizza schemi di modulazione Fsk (Frequency Shift Keyed) o Ask (Amplitude Shift Keyed) che sono più semplici dei Dsss utilizzati nello Ieee 802.15.4. Un esempio è il transceiver RadioWire Micrel MICRF505/6, un dispositivo Fsk con tecnologia 'frequency hopping', che comprende potenza di trasmissione programmabile ed è supportato dal protocollo di networking gratuito della Micrel, MicrelNet. Benché MicrelNet non abbia una rete a maglie capace di autoriparazione come ZigBee, è in grado di supportare reti a stella multilivello che contengono fino a 65.000 nodi. Inoltre lo stack occupa solo 8KB di memoria, se paragonato ai 64 KB di ZigBee. Per semplici applicazioni di comando e controllo (azionamento), possono essere prese in considerazione soluzioni più semplici e meno costose come la tecnologia QwikRadio di Micrel o i microcontrollori rfPIC di Microchip con un trasmettitore Ask/Fsk. Incorporato in diversi microcontrollori rfPIC di diversa densità di memoria e potenza di elaborazione, il trasmettitore Microchip trasmette con una velocità che raggiunge i 40kbit/s, ha una potenza regolabile ed è disponibile in 3 versioni che operano nelle bande sotto 1GHz senza licenza: 290-350MHz, 390-450MHz e 850-930MHz. I trasmettitori e ricevitori QwikRadio operano anche su bande sotto 1GHz, e garantisce la convenienza di un trasmettitore data-in/RF-out con un ricevitore RF-in/Data-out per una diretta integrazione con il sistema host. Essi supportano una velocità di trasferimento dati che raggiunge i 115 kbit/s. Entrambe le famiglie di prodotti rappresentano per gli sviluppatori una piattaforma a basso costo per costruire apparecchiature come il controllo porte, i sensori wireless, i contatori, o la telemetria a bassa potenza. A metà fra la complessità del protocollo di networking di ZigBee e una soluzione semplice come l'azionamento, diverse tecnologie stanno cercando di eliminare i fili di dispositivi a bassa velocità di trasferimento dati, che al momento comunicano attraverso connessioni Usb a fili. Dispositivi come il system on chip CC2511 della TI combinano un controllore Usb full speed con una Cpu 8051 e radio Fsk da 2.4GHz per permettere alle chiavi Usb di comunicare in modalità wireless con dispositivi come un controllore per giochi, dispositivi audio voce, o radiocomando ad una velocità che raggiunge i 500 kbit/s. WirelessUsb, la soluzione di ultima generazione della Cypress, d'altro canto, mira alle applicazioni con un dispositivo radio che utilizza la modulazione Dsss per un'elevata immunità alle interferenze nella banda 2.4GHz e comunicando ad una velocità che raggiunge i 250kbit/s. Quando si utilizza la modulazione Gfsk, può essere supportata una velocità di trasferimento dati fino a 1Mbit/s.

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