Una soluzione single chip per applicazioni ZigBee

RF & MICROONDE –

Con l’introduzione dei nuovi protocolli wireless come ZigBee, diventa sempre più importante mettere a disposizione del progettista l’hardware adeguato e la soluzione single chip integrata capaci di ospitarli.

ZigBee è una tecnologia wireless sviluppata sotto forma di uno standard globale aperto per soddisfare le necessità specifiche di reti M2M (Machine-to-machine) wireless a basso consumo e di costo ridotto. Questa tecnologia è divenuta rapidamente il protocollo di riferimento in numerosi ambienti wireless. Recentemente sono stati rilasciati numerosi profili pubblici di ZigBee destinati ai mercati per i quali ZigBee è stata inizialmente sviluppata, tra cui automazione domestica, controllo energetico e gestione efficiente dei consumi, automazione degli edifici e servizi in ambito medico/sanitario, divenuti in tempi brevi protocolli di uso comune. Oltre a ciò è stato definito ZigBee RF4Ce (RF for Consumer Electronics) come nuovo standard per controlli remoti basati sulla radiofrequenza. Questo standard permette a un controllo remoto di operare in assenza di contatto visivo. Questo standard è basato su Ieee 802.15.4 e sostituirà i controlli remoti a infrarossi nel settore dell’elettronica di consumo che attualmente possono vantare un volume pari a 500.000 unità all’anno. Nel momento in cui sorge la necessità di implementare ZigBee, i progettisti devono ricercare tutte le caratteristiche necessarie per lo sviluppo di una soluzione completa.

Soluzioni integrate microcontrollore e transceiver
Con l’introduzione di questi nuovi protocolli wireless, diventa sempre più importante assicurare che il progettista abbia a disposizione l’hardware adeguato e la soluzione single chip integrata capaci di ospitarli. Aziende come Atmel propongono una soluzione completamente integrata che include in un unico chip i microcontrollori della serie AVR e un transceiver RF. Si tratta di un transceiver radio a 2,4 GHz a bassa dissipazione progettato per applicazioni industriali e consumer conformi a Ieee 802.15.4, ZigBee, 6LoWpan, RF4CE e altri standard a 2,4 GHz caratterizzati da elevata velocità di trasferimento dati. All’interno di questa soluzione su chip singolo si trovano parecchie funzionalità e caratteristiche indispensabili per il progettista. Tra queste si possono annoverare eccellenti prestazioni in radiofrequenza, engine di cifratura Aes a 128 bit, diversità nello spazio (antenna diversity), elevata velocità di trasferimento dati e acceleratori hardware multipurpose. Una soluzione wireless su chip singolo deve essere caratterizzate da elevate prestazioni in radiofrequenza, o da un link budget (bilancio di collegamento) più elevato, al fine di conferire maggiore affidabilità al progetto di un sistema wireless. Il link budget è definito come la zona dinamica tra la sensibilità del ricevitore (RX) e la potenza di uscita del trasmettitore (TX). Una soluzione ottimale è quella che assicura eccellenti caratteristiche in termini di sensibilità in ricezione e di potenza di uscita in trasmissione a fronte di una corrente di alimentazione minima. La diversità nello spazio può essere utilizzata per migliorare ulteriormente l’affidabilità di un sistema wireless.

La riduzione dei consumi
Un altro aspetto della massima importanza è la minimizzazione dei consumi di corrente, indispensabile per assicurare una lunga durata della batteria e per ridurre i costi di manutenzione complessivi. I sistemi wireless alimentati a batteria possono essere anche termostati e sensori ambientali, come pure contatori di acqua e gas, che trascorrono la maggior parte del loro tempo in modalità “sleep”. Dispositivi di questo tipo solitamente utilizzano ZigBee per trasmettere dati e risultano quindi attivi per periodi di tempo molto brevi. I requisiti in termini di durata per prodotti di questo tipo sono nell’ordine di 12-15 anni senza manutenzione nel caso di una singola cella. Utilizzando le più recenti tecnologie a basso consumo si potrebbe ipotizzare l’uso di installazioni prive di batterie da abbinare a dispositivi in grado di immagazzinare energia. La sicurezza riveste un ruolo di primaria importanza. Le applicazioni ZigBee richiedono la cifratura (o codifica) e la decifrazione (o decodifica) dei dati utilizzando lo standard Aes (Advanced Encryption Standard). In alcune soluzioni di crittogafia basate su software si assiste a una penalizzazione della velocità di elaborazione. Nella soluzione proposta da Atmel l’engine di cifratura è implementato in hardware, fatto questo che assicura elevate prestazioni di cifratura in modo che il dispositivo possa effettuare l’elaborazione più velocemente e trascorrere quindi più tempo in modalità “sleep”, con evidenti vantaggi sui consumi. Oltre a ciò, la funzione di cifratura è abbinata a una comunicazione ad alta velocità che non ha un impatto alcuno sulle prestazioni: si tratta quindi della soluzione “perfetta” per applicazioni wireless e alimentate a batteria che richiedono comunicazioni cifrate sicure e consumi ridotti. Con la definizione “antenna diversity” o diversità nello spazio si fa riferimento a uno dei parecchi schemi di diversità usati nel campo delle comunicazioni wireless che prevedono l’impiego di due o più antenne per migliorare la qualità e l’affidabilità della connessione “senza fili”. In questo caso un segnale viene riflesso tra cammini multipli prima di essere ricevuto invece di percorrere il cammino in visibilità reciproca tra il trasmettitore e il ricevitore. Quando il segnale rimbalza avanti e indietro, nell’ambiente vi possono essere interferenze aggiuntive. La diversità nello spazio risulta efficace per contrastare gli effetti imputabili a questi cammini multipli. Il dispositivo selezionerà, tra le due, l’antenna caratterizzata dal percorso del segnale RF più affidabile per deviare interferenze aggiuntive sul dispositivo. Una velocità di trasferimento più elevata è un parametro critico per tutti quei sistemi che richiedono un maggior throughput. Soluzioni come quella wireless su chip singolo proposta da Atmel garantiscono velocità di trasferimento dati fino a 2 Mbit/s. Velocità così elevate permettono di ridurre sensibilmente il tempo “on air” e di conseguenza i consumi. Maggiori velocità di trasferimento dati consentiranno anche lo sviluppo di applicazioni che richiedono un più elevato throughput dei dati, come ad esempio il trasferimento di dati audio e video necessari in sistemi quali videocitofoni. Il problema principale è assicurare che queste maggiori velocità non influenzino nessuna altra funzionalità, come appunto si verifica nei dispositivi di Atmel.

L’implementazione di reti mesh wireless
Dispositivi wireless come ad esempio l’ATmega128RFA di Atmel sono stati progettati per garantire la compatibilità con standard quali ZigBee e IPv6/6LoWpan: essi risultano particolarmente indicati per sistemi operativi per reti a maglia (mesh) wireless proprietari come ad esempio Synapse Snap. Insieme, consentono l’implementazione della prima rete mesh wireless in grado di assicurare i miglioramenti di produttività necessari per il rapido sviluppo di applicazioni e per la programmazione di tipo Ota (Over-The-Air). I progettisti possono dunque disporre di tutte le caratteristiche di una Mcu wireless pronta all’uso, nonché dei tool e delle funzionalità tipiche di un sistema operativo come Snap. Snap permette di realizzare una rete mesh peer-to-peer di tipo instant-on (in grado ciò di attivarsi quasi istantaneamente), multi-hop, in grado di rilevare e risolvere automaticamente i problemi di rete e capace di supportare le velocità di trasferimento dati del dispositivo di Atmel. Oltre a ciò è possibile utilizzare Portal di Synapse, fornito a titolo gratuito, un ambiente software completo che permette di sviluppare un’applicazione in modo semplice, veloce e robusto. Grazie a Snap Connect, le applicazioni possono collegarsi a Internet e interagire con altri dispositivi ubicati in qualsiasi parte del mondo. Snap supporta le chiamate Rpc (Remote Procedure Call) in modo da consentire di sfruttare tutta la potenza della Mcu di Atmel che viene considerata come un vero e proprio computer sulla rete. Per qualsiasi prodotto wireless funzionalità e prestazioni sono il risultato dell’hardware e del firmware che vengono utilizzati. Al fine di garantire la massima flessibilità e ridurre gli oneri di manutenzione i sistemi wireless dovrebbero essere installati con la funzionalità Otau (Over-The-Air-Upgrade) per i futuri aggiornamenti firmware. ZigBee e altre applicazioni wireless integrano una funzionalità Otau robusta e affidabile completamente trasparente, in modo da consentire l’esecuzione dell’applicazione durante l’installazione degli aggiornamenti. La scelta, infine, del microcontrollore wireless più adatto è un elemento di fondamentale importanza. La soluzione ideale dovrebbe avere tutte le caratteristiche richieste integrate in un unico chip per ridurre ingombri e consumi e consentire l’attivazione di ZigBee e di altri prodotti wireless.

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