Wireless e a basso consumo

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Il wireless rappresenta un’area applicativa sconfinata e in continua crescita. I sottosistemi Rf diventeranno in breve tempo parte del sistema delle periferiche standard dei microcontrollori, indipendentemente dalla loro architettura computazionale, come è accaduto per le periferiche analogiche e le periferiche mixed-signal. Il contesto applicativo è ampio e Internet of Things rappresenta solo una parte di questo. Gli sviluppatori di infrastrutture wireless prevedono che per il 2020 ci saranno 50 miliardi di dispositivi mobili wireless connessi a Internet. Gartner prevede che per il 2018 il 50% delle applicazioni IoT saranno sviluppate da startup con meno di tre anni dalla loro attivazione e che molte delle applicazioni che saranno rese disponibili non sono nemmeno immaginabili, perché ancora non sono state inventate.


Connettività wireless indispensabile
I sistemi embedded hanno evidenziato nel tempo la necessità di connettività senza fili per estendere e rendere più flessibile la natura delle applicazioni. Con l’evolversi della connettività basata su Internet, in particolare di IoT, la connettività wireless si è confermata essere un fattore chiave di fattibilità, e di conseguenza sono state sviluppate varie soluzioni che ne rendessero pratica e fattiva l’applicazione. Accanto a questa esigenza di connettività senza fili è cresciuta anche quella di alimentazione senza fili, cioè di alimentazione a batteria o harvesting. Il basso consumo energetico è quindi diventato un imperativo per questa nuova generazione emergente di sistemi embedded wireless. Ciò ha messo in moto un enorme impegno di sviluppo di tecnologie per la connettività a basso consumo, basso costo e orientata al supporto di applicazioni embedded senza fili alimentate a batteria, come per esempio il Bluetooth Low Energy. La combinazione tra microcontrollori a bassissimo consumo con moduli di comunicazione a radiofrequenza low power ha consentito di sviluppare la prima generazione di sistemi embedded a connettività wireless e battery powered integrati su scheda. Due enormi sforzi tecnologici sono stati messi in campo, da una parte dai produttori di microcontrollori di natura SoC relativamente all’implementazione di tecnologie di basso consumo, e dall’altra da parte degli sviluppatori di moduli di connettività Rf a basso consumo e altamente integrati. Questo sforzo disgiunto di sviluppo della tecnologia dei microcontrollori ultra-low power e dei moduli Rf ad alta integrazione e basso consumo è ora diventato congiunto nel nuovo paradigma di sviluppo dei cosiddetti microcontrollori wireless battery powered. Nel campo dei microcontrollori, Jennic, una società britannica nata nel 1996, è stata precursore dello sviluppo di microcontrollori wireless introducendo i primi dispositivi monolitici che integravano standard wireless low-power come 802.15.4, 6LoWpan and ZigBee. Nel campo dei moduli Rf, Bluegiga Technologies, una società finlandese nata nel 2000, è stata precursore dei moduli wireless a basso consumo ed elevata integrazione per il Bluetooth e la connettività a basso consumo e corto raggio. La loro storia è emblematica dello sviluppo della tecnologia dei microcontrollori wireless a basso consumo, in quanto Jennic è stata acquisita nel 2010 dall’olandese NXP (attualmente in fase di joint venturing con Freescale) ed è diventata la divisione NXP Low Power Rf, mentre Bluegiga è stata acquisita a febbraio del 2015 da Silicon Labs, un produttore statunitense di microcontrollori ultra-low power. La conferma di questa strategia di sviluppo di prodotti e tecnologie integrate in dispositivi monolitici microcontrollori con spiccate connotazioni SoC è confermata anche dalle strategie di altri importanti produttori di microcontrollori ultra-low power come Texas Instruments e Atmel.

Internet-on-a Chip
IoT è senza dubbio il contesto applicativo che stimola i produttori di Mcu all’integrazione della funzionalità wireless on chip. Il campo applicativo di IoT è incredibilmente vasto, dal consumer all’industriale, al civile, al sanitario, a tutto quello che è connettibile con qualcos’altro attraverso il Cloud. La tecnologia abilitante per questa immensa miniera di applicazioni è il wireless on Mcu che consente un livello di embedding sufficientemente elevato per questa nuova generazione di applicazioni. Il recente annuncio da parte di Texas Instruments della famiglia di Mcu wireless SimpleLink ha confermato questo elevato interesse a investire nello sviluppo di questa tecnologia del microcontrollo che va incontro alle esigenze applicative di IoT e anche di altri ambiti come il wearable e l’ultra embedded computing. Le Mcu SimpleLink implementano su singolo chip vari standard di connettività wireless fino a 5 MBps come il Bluetooth Smart, lo ZigBee, il 6LoWpan. In particolare la famiglia di Mcu SinpleLink CC3x integrano su singolo chi tutta la funzionalità Mcu e gli standard completi Wi-FI per l’integrazione di sensori in applicazioni di connettività intelligente senza fili. I CC3x sono soluzioni ad alta integrazione per la smart connectivity a IoT. In particolare, il CC3100, denominato wireless Network Processor, è un processore di rete con integrato un web server e lo stack Tco/IP per l’accesso alla rete. Inoltre integra un cryptography engine hardware per stabilire connessioni sicure TSL in 200 ms. Il CC3100 è interfacciabile a qualsiasi Mcu, consentendo in tal modo di realizzare nodi sensoriali collegabili a IoT in modalità cloud, anche grazie ai numerosi protocolli Internet memorizzati in Rom, come il mDns, il Dns, il Ssl/Tsl e il server Http. Una versione integrata con Mcu Arm Cortex M4 a 80 MHz e varie periferiche è il CC3200, una vera e propria Mcu wireless che consente di sviluppare fino a 200 kByte di codice applicativo indipendente dalla gestione e dal controllo della connettività Wi-Fi. L’elevato livello di integrazione riguarda anche le periferiche che, oltre a supportare la connettività tipica delle Mcu (Spi, Uart e I2C), integra anche periferiche per lo streaming veloce di audio e video.

Connettività wireless ultra-low power
La connettività wireless dei microcontrollori è la tecnologia abilitante per un’enorme quantità di applicazioni di cui IoT rappresenta solo la punta dell’iceberg. Per accedere a questo quasi sconfinato mondo delle applicazioni embedded basate sulla connettività wireless, la tecnologia ultra-low power è l’altro elemento di innovazione che deve caratterizzare la Mcu wireless. Le applicazioni ultra embedded come per esempio quelle indossabili oppure quelle per l’interazione tra l’ambiente e le macchine, per esempio il monitoraggio ambientale, richiedono, oltre alla connettività wireless, anche l’assoluta indipendenza energetica. Malgrado i notevoli progressi tecnologici relativi all’harvesting e alla integrazione on-chip delle batterie, un considerevole sforzo tecnologico concerne proprio la capacità propria della Mcu di consumare energia in maniera infinitesimale. In tal modo, la combinazione wireless e ultra-low power diventa tecnologia abilitante per le applicazioni embedded della prossima generazione. Silicon Labs ha recentemente presentato una soluzione di wireless (SoC) ultra-low-power, BlueGecko, che integra una Mcu Arm Cortex M3 o M4 con il sottosistema di trasmissione Bluetooth Smart software stack, consentendo di ottenere una efficienza di trasmissione di almeno + 10 dBm rispetto alle normali prestazioni di dispositivi simili. I BlueGecko SoC di Silicon Labs sono basati su Mcu a 32 bit dotate fino a 256 kbyte di memoria flash on-chip, fino a 32 kbyte di Ram e di unità di accesso diretto alla memoria. I SoC basati su core M4 dispongono anche della floating-point unit che consente di implementare in modo efficiente applicazioni computazionalmente intensive, come quelle ad elevato contenuto di signal processing. Il sottosistema radio integrato on-chip consiste di un BlueTooth Smart Modem, di un front-end di amplificazione del segnale radio e di un Balun integrato. Questo sottosistema integra quello che in questa architettura di Mcu SoC viene chiamato Prs (Peripheral reflex system), un sottosistema di periferiche altamente integrato ed efficiente connesso ad un sistema di bus a 32 bit che applicano in maniera diffusa le tecnologie ultra-low power per rendere il dispositivo energeticamente efficiente (low energy BT, low energy Uart, low energy timer). Anche il sottosistema di sicurezza (hardware cryptography accelerator, AES 256/128 RSA 2048 SHA1, SHA2 ECC) fa parte del Prs, insieme alle periferiche mixed-signal (Adc, Idac e comparatori analogici). Il sottosistema radio è compatibile con la specifica Bluetooth 4.2 ed evidenzia un’eccellente sensibilità in modalità di ricezione (-95 dBm). Un importante elemento di efficienza deriva anche dalla programmabilità della potenza di uscita (+11.5 dBm) e dalle caratteristiche di low power radio che includono la funzionalità RfSense. Un’interessante soluzione che rende particolarmente semplice ed efficiente lo sviluppo delle applicazioni embedded wireless sono i moduli BGM111 che consentono di astrarre la complessità della progettazione Rf, del protocollo Bluetooth Smart e della programmazione embedded in generale. Lo sviluppo delle applicazioni utilizzando questi moduli è molto efficiente per l’elevato grado di integrazione del software e dell’hardware, ed efficiente in quanto consente una rapida transizione sui SoC della serie Blue Gecko per ottenere la versione minima del sistema utilizzando in maniera completa il software sviluppato. Questi moduli sono supportati da un Sdk (Software development kit) per il wireless che introduce un paradigma innovativo per la creazione di applicazioni Bluetooth, il BGScript, un linguaggio di scripting (sintassi simile a quella del linguaggio Basic) che consente di eseguire la logica applicativa senza l’utilizzo di una Mcu esterna, in quanto tutto il codice applicativo può essere eseguito dal modulo BGM111. I modouli BGM111 incorporano tutte le caratteristiche dei SoC Blue Gecko e le relative prestazioni ultra-low- power (alimentazione con batteria standard a bottone da 3 Volt o AAA, 59 uA/MHz run mode, 1,7 µA-200 nA sleep mode, 7.5 mA peak receive mode, 8.2 mA a 0dBm peak transmit mode, fino a + 8 dBm transmit power, line-of-site Rf range fino a 200 metri). Il package di questi moduli è molto piccolo, fino a 3,3 x 3,2 mm, quindi adatto anche in applicazioni di ridottissime dimensioni.

Low-power wireless networking
La connettività wireless a basso consumo energetico è uno dei principali obiettivi nello sviluppo di applicazioni embedded che possono essere connesse a IoT, ma che possono anche essere organizzate in reti indipendenti da Internet e a questa interconnettibili in accordo con il nuovo paradigma di Internet of Everythings. Le reti wireless a basso consumo ed elevata efficienza, in particolare le wireless Pan (Personal area networks), sono alla base di applicazioni emergenti come il lighting e home automation, gestione dei computer games, la smart energy, l’energy harvesting per i sistemi autoalimentati, ecc. NXP, con l’acquisizione di Jennic, ha individuato negli standard ZigBee e Ieee 802.15.4 due fondamentali paradigmi di connettività wireless abilitanti per applicazioni basate sulle architetture di rete a basso consumo e basso costo. JN516x di NXP è una serie di wireless Mcu ad alte prestazioni e ultra-low power che supportano gli stack ZigBee PRO o Rf4CE intesi a facilitare lo sviluppo di applicazioni in networking come la home automation, la smart energy, il light link e il controllo remoto in generale. Basati su un core Risc a 32 bit dotato di memoria flash e Eeprom on-chip, i dispositivi JN516x sono particolarmente efficienti nell’esecuzione e la memorizzazione del codice grazie alle istruzioni a lunghezza variabile e al pipelining multi-stage delle istruzioni. Per quanto riguarda l’efficienza energetica, le operazioni sono eseguite in condizioni ultra-low power grazie al clock programmabile. Il 2,4 GHz Ieee 802.15.4 transceiver integrato nel chip insieme a un set di periferiche analogiche (sensore di temperatura e di batteria), mixed-signal (4-input 10-bit Adc), digitali energy efficient (per esempio il timer ha una figura di consumo di solo 0,6 µA in modalità sleep) consente a questo dispositivo di implementare un’intera applicazione con il singolo chip alimentato da una piccola batteria a bottone.

Wireless power efficient con Mcu a 8 bit
Le applicazioni wireless possono essere anche computazionalmente molto semplici, soprattutto se basate su paradigmi di elaborazione non convenzionali, come ad esempio la logica fuzzy per contesti a dati incerti e di natura sfumata. In questi e in altri casi applicativi, le architettura di elaborazione a 32 bit, ancorché single chip e ottimizzate, possono essere ridondanti e comunque non ottimizzanti relativamente ai target di consumo energetico sempre più imperativi (la batteria non deve essere sostituita o ricaricata per tutta la vita dell’applicazione). In generale le Mcu a 4 e 8 bit rappresentano una fetta significativa del mercato delle Mcu in generale (in un report di IC Insights del 2013 era stato stimato per le Mcu a 4/8 bit il 28% del mercato totale delle Mcu). Le Mcu a 8 bit rappresentano in moltissime applicazioni embedded una soluzione ottimale relativamente a tutti i requisiti, dal consumo energetico al costo, alle dimensioni della memoria. L’integrazione on chip del sottosistema Rf su una Mcu a 8 bit rappresenta quindi un ulteriore completamento del puzzle delle Mcu wireless. Atmel, oltre alle Mcu wireless a 32 bit basate su core Arm M0+, ha sviluppato anche la famiglia di Mcu wireless basate sul core a Avr a 8 bit, per esempio ATmega256Rf, una Mcu che integra su singolo chip lo standard Ieee 802.15.4 ideale per applicazioni basate su ZigBee Rf4CE, IPv6/6LoWpan, Ism (Industrial, scientific, medical). Queste Mcu sono ottimizzate per lo sviluppo di applicazioni in linguaggio C per generare codice minimo ed efficiente (sono Mcu ad architettura Harvard, con esecuzione a singolo ciclo delle istruzioni). Il core Avr è integrato con un transceiver Rf a 2,4 GHz a elevata sensibilità con data rate da 250 kbit/s a 2 Mbit/s. L’architettura Avr implementa diverse tecnologie ultra-low power che consentono di ridurre i consumi fino al 50% in varie modalità operative rendendo comunque disponibili funzionalità di attivazione efficienti come il wake-on-radio feature che mantiene il transceiver Rf attivo mentre il microcontrollore dorme.

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