Una soluzione single chip per applicazioni ZigBee

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.