Radiofrequenza e sensoristica

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Radiofrequenza e sensoristica sono un connubio che sta diventando sempre più importante nello sviluppo di applicazioni embedded, in particolare i sistemi e i sensori RF a microonde.

La tecnologia RF e la relativa sensoristica è oggetto di integrazione, da diversi anni, in svariati sistemi embedded. Gli antifurti veicolari, i sistemi di identificazione a radiofrequenza, i sistemi di giuda automatica e anticollisione nell'automotive, le reti di sensori per il monitoraggio di ambienti, i sistemi di monitoraggio medicale, sono solo alcuni dei più noti esempi applicativi. Il segnale RF è un importante mezzo di innovazione in innumerevoli applicazioni, ma in particolare in quelle relative alla sensoristica, offrendo due importanti opportunità di innovazione, quella dell'operatività senza fili e quella dell'autoalimentazione dei dispositivi sensoriali. La stessa sensoristica si è molto evoluta negli ultimi anni, sia in termini dimensionali, sia in termini di integrazione. La tecnologia Mems per esempio ha molto contribuito alla miniaturizzazione, mente al basso consumo hanno contribuito le tecnologie di integrazione microelettronica di ultima generazione. Un altro aspetto interessante della sensoristica è quello di utilizzare proprio il campo RF per implementare la funzionalità di sensing, in particolare quella che non implica il contatto tra il sensore e l'oggetto di misura.

Sensori RF
Oxford RF Sensors ha sviluppato sensori (non contact) basati su una tecnologia RF brevettata presso l'Università di Oxford. Questa tipologia di sensori è particolarmente vantaggiosa rispetto alle altre soluzioni di sensing non contact relativamente ad aspetti di velocità (fino a 1 GHz possono misurare la velocità di qualsiasi sistema meccanico), di risoluzione (fino a 1 parte su 105 parti), di capacità discriminante relativa alla natura dei materiali, di operatività con qualsiasi tipo di materiale, di range operativo di temperatura fino a 1000°C, di consumo dell'ordine dei milliWatt. I sensori RF utilizzano le proprietà elettromagnetiche dei materiali, in particolare la permettività elettrica e la suscettività magnetica per definire un volume di cui sono in grado di misurare le variazioni di tali parametri quando i materiali invadono tale volume. Il volume quantitativamente viene definito dalla dimensione e forma dell'antenna RF. L'operatività dell'antenna, a seconda del sensore e del materiale da rilevare, può variare da pochi kHz ai GHz, mentre la natura dell'antenna, capacitiva o induttiva, rispettivamente consente di misurare la permettività elettrica o la suscettività magnetica. Infine, il tipo di materiale usato per l'antenna determina la gamma di temperatura operativa. Il sensore RF opera eccitando l'antenna a una specifica frequenza operativa e rilevando la variazione della componente reale dei parametri elettromagnetici attraverso la variazione della suddetta frequenza operativa e rilevando la variazione della componente immaginaria attraverso la variazione dell'ampiezza della frequenza operativa. Tramite queste variazioni di frequenza e di ampiezza, un'opportuna elaborazione consente di ottenere le informazioni di velocità e posizione, oppure di composizione del materiale. Le applicazioni dei sensori RF sono innumerevoli e particolarmente importanti nelle applicazioni industriali: riconoscimento di materiali, misure di posizione e di velocità, misure di flusso e di livello, misure di contaminazione e viscosità, misure di temperatura da remoto, misura di microparticelle (particolato sub 10 micron).

Reti wireless di sensori
Grazie allo sviluppo della microelettromeccanica e dell'integrazione della tecnologia RF su silicio, è stato possibile realizzare dispositivi di sensing a bassa potenza capaci di comunicare tra loro utilizzando la tecnologia wireless a corto raggio. In tal modo si è sviluppata la tecnologia delle reti wireless di sensori capaci sia di misurare parametri fisici, sia di elaborali. Inoltre, i nodi sensori in rete, oltre a comunicare con un nodo centrale, possono comunicare anche tra loro. I nodi sensori di una rete wireless sono dotati di capacità di elaborazione autonoma, quindi possono estrarre le informazioni necessarie all'applicazione localmente tramite algoritmi di elaborazione più o meno sofisticati, e inviare tali informazioni ad un nodo centrale che raccoglie tali informazioni e le utilizza ai fini dell'applicazione. Lo sviluppo delle Wpan (Wireless personal area network) e delle Wban (Wireless body area network) ha reso particolarmente interessante l'uso di sensori per il monitoraggio in ambito medicale e paramedicale. Tali sensori devono consentire la raccolta dati e il trasferimento continuo in modalità streaming in condizioni di bassissimo consumo di potenza elettrica. Le Wpan e le Wban sono reti wireless che coprono aree molto limitate essendo legate all'individuo nella sua vita quotidiana, quindi agli spazi di vita privata o di lavoro (il raggio d'azione e dell'ordine della decina di metri). Grazie alla recente disponibilità di ultra-low-power short-range radio transceiver, i sensori possono disporre di capacità trasmissiva in streaming per diverse settimane, alimentandosi con microbatterie (celle a bottone o batterie a ioni di litio). Applicazioni delle Wpan e Wban con relativa sensoristica wireless supportata da ultra-low-power short-range radio transceivers riguardano il monitoraggio in ospedali e cliniche oltre al monitoraggio in ambiti privati sia per motivi di salute, sia per motivi di benessere.

Ultra-low-power short-range radio transceiver
Microsemi ha recentemente introdotto un ultra-low-power short-range radio transceiver che ha le caratteristiche necessarie all'implementazione di wireless-based sensor networks, dove i sensori sono alimentati con batterie singole (tensioni sotto i 2 volt). L'ultra-low-power short-range radio transceiver di Microsemi, ZL70250 ha le caratteristiche richieste da queste applicazioni relativamente ai requisiti di alimentazione e consumi di potenza elettrica. Il suo package è di natura chip-scale che misura solo 2 x 3 mm, quindi particolarmente piccolo per essere integrato in sistemi embedded di ridottissime dimensioni. Malgrado le piccolissime dimensioni, il transceiver integra anche una serie di risorse di interfaccia e comunicazione come quella a 2 file e quella Spi che consente l'interfacciamento a microcontrollori standard. Per esempio, combinando un transceiver ZL70250, un microcontrollore e un Adc, si ottiene una soluzione Ecg wireless capace di operare in maniera continua con una batteria a celle per una intera settimana. Simili soluzioni di sensing wireless possono riguardare il monitoraggio dei movimenti (con accelerometri a tre assi), o il monitoraggio della respirazione (ossimetri) o qualsiasi altro dispositivo adatto al monitoraggio di parametri fisiologici nelle attività di fitness. La convergenza di varie tecnologie come quella delle micro-power bateries e degli ultra-low-power transceiver consente oggi di avere sistemi di sensing capaci di operare in modalità continua per periodi di tempo ampiamente superiori alle 24 ore (ormai superiori alla settimana).

Sensore Bluetooth su ZigBee
La spagnola Libelium progetta e realizza soluzioni hardware per la realizzazione di reti wireless di sensori. Un'interessante applicazione è il sensing Bluetooth. La piattaforma di monitoraggio del traffico (Vehicle TrafficMonitoring Platform) di Libelium è in grado di rilevare il segnale Bluetooth emesso dai dispositivi mobili lungo le strade e di trasferire i dati tramite multi-hop ZigBee radio, via Internet gateway, verso un server per le opportune elaborazioni. È possibile discriminare il segnale Bluetooth dei pedoni da quelli veicolari, quindi è possibile, in maniera molto efficace, monitorare il traffico delle strade in modo da poter gestire le congestioni e tutto quanto porta a problematiche di flusso del traffico veicolare. Il modulo radio (Espansion Radio Board for Waspmote) è particolarmente interessante perché consente di combinare due differenti tecnologie radio che possono operare contemporaneamente, in particolare quella Bluetooth e quella ZigBee. Bluetooth viene utilizzato come sensore, mentre ZigBee viene utilizzato come sistema di comunicazione e interconnessione. Questo tipo di soluzione radio combinata consente l'interconnessione fino a 250 dispositivi, con controllo del livello di potenza per operare in un raggio da 10 a 50 metri. Per consentire al dispositivo di identificare i canali Bluetooth viene utilizzato l'Adaptive Frequency Hopping, evitando in tal modo le interferenze con altri sistemi radio (ZigBee e WiFi).

La Near Field Communication
Il Near Field Communication è un insieme di tecnologie RF a corto raggio, dell'ordine di pochi centimetri. La sua peculiarità sta nel fatto che uno dei due dispositivi dotati di tale tecnologia può essere passivo, sia dal punto di vista dell'alimentazione, sia dal punto di vista funzionale. Il campo RF viene generato da quello attivo e tale campo viene utilizzato per alimentare quello passivo. La tecnologia contactless, e in particolare quella Rfid, sta diventando una delle principali innovazioni nella funzionalità dei sistemi embedded. Un esempio innovativo è quello del transceiver CR95HF di STMicroelectronics che, oltre a implementare la funzionalità Rfid, implementa anche altre funzionalità come la memoria non volatile, l'interfaccia wired e wireless e soprattutto la capacità di autoalimentazione. Con queste caratteristiche questo dispositivo diventa una piattaforma di implementazione di sensoristica wireless e autoalimentata. Il dispositivo M24LR64E-R di STMicroelectronics è una dual-interface (wireless RF e wired I2C), dotata on chip di memoria Eeprom (8192 x 8 bit in I2C mode e 2048 x 32 bit in RF Mode). La peculiarità del dispositivo, oltre a quella di avere memoria on chip, ha anche la capacità di catturare energia dal campo RF fornendo tale energia su un piedino di uscita analogico (Vout). Quando la modalità Energy Harvesting viene attivata, il dispositivo M24LR64E-R può inviare in uscita la parte di energia catturata dal campo RF in eccesso rispetto al suo uso interno attraverso il piedino Vout. Quando l'intensità del campo RF non è sufficiente a ottenere energia elettrica, il piedino Vout viene messo nello stato di alta impedenza, in modo da disattivare l'alimentazione verso l'esterno.

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