Bluetooth® porta la rete a maglie nell'Internet delle cose

La rete a maglie è un'architettura chiave per l'Internet delle cose (IoT). Negli ultimi vent'anni, standard come ZigBee IEEE804.15 hanno implementato con successo la rete a maglie nell'automazione industriale. Ciò significa che ogni nodo della rete è in grado di accettare e inviare dati a un nodo vicino, permettendo di scalare più facilmente la rete con la semplice aggiunta di nuovi nodi. È un sistema molto più economico e semplice che non dover usare altri dispositivi gateway o punti di accesso che spesso richiedono anche una pianificazione più estesa per evitare il conflitto di frequenze.

Bluetooth^®, invece, è essenzialmente una connessione punto-punto che si avvale di un collegamento a un terminale come uno smartphone o a un punto di accesso come un iBeacon o Eddystone. In quanto tale, ha riscosso grande successo nelle tecnologie indossabili, offrendo un collegamento con uno smartphone e da lì all'Internet allargata. Questa tecnologia ha consentito di usare Bluetooth in diverse applicazioni che si connettono sempre più direttamente a Internet e sta promuovendo la domanda di reti a maglie.

Figura 1: Avere dei nodi che si collegano al nodo più vicino consente a una rete a maglie di estendere la portata dei dispositivi Bluetooth da una stanza all'altra.

Le ultime versioni di Bluetooth Smart, a partire dalla 4.0, hanno ridotto drasticamente il consumo energetico, come pure i tempi di configurazione e al contempo la velocità di trasmissione dei dati. Questo ha delle implicazioni per una rete a maglie in quanto la velocità dei dati viene dimezzata ad ogni passo aggiuntivo nella rete.

Tuttavia, alcuni specialisti di Bluetooth come Cambridge Silicon Radio stanno lavorando a una propria versione di rete a maglie utilizzando Bluetooth. CSRmesh è un overlay software per dispositivi Bluetooth Low Energy che consente loro non solo di ricevere e reagire ai messaggi, ma anche di ripeterli ai dispositivi circostanti. Questo estende la portata di Bluetooth Smart e offre una rete a maglie ad hoc semplice per IoT.

Una delle prime importanti implementazioni di CSRmesh è quella con SK Telecom in Corea, che ha sviluppato la prima gamma al mondo di lampadine a LED intelligenti, che fungono anche da beacon Bluetooth Smart in ambiente retail. Ciò consente di controllare e connettere in rete in modo semplice un numero quasi illimitato di lampadine intelligenti in un negozio e allo stesso tempo di indirizzare offerte speciali, in base alla posizione, agli utenti di smartphone.

Figura 2: Scheda di sviluppo CSRmesh per applicazioni di controllo dell'illuminazione intelligente.

I sistemi beacon correnti richiedono l'installazione di numerosi sensori wireless all'interno del negozio. Questo processo è spesso lungo, costoso e necessita di una manutenzione costante. L'uso dell'approccio CSRmesh offre un sistema di beacon senza la necessità di rivedere l'infrastruttura dell'edificio. Con beacon LED intelligenti, i sistemi di illuminazione esistenti di un edificio offrono una copertura completa perché sono distribuiti in modo uniforme nel negozio. Il beacon LED fa affidamento anche su un'alimentazione di rete permanente, il che significa che il fornitore del servizio non deve più gestire centinaia di dispositivi alimentati a batteria.

Il sistema utilizza lampadine a LED che vengono inserite negli impianti di illuminazione esistenti, in cui ogni lampadina comunica con quella accanto in una rete a maglie. Le lampadine intelligenti vengono installate con un modulo pre-certificato basato sul chipset CSR1010 e sul layer di protocollo CSRmesh v1.2 con capacità beacon e supporto per dispositivi mobili iOS e Android.

La scheda di sviluppo CSRmesh (Figura 2) aiuta i progettisti a implementare il protocollo a maglie sul software Bluetooth standard. Ciò consente di instradare i messaggi su più dispositivi Bluetooth Smart attraverso una piattaforma semplificata per progettisti che desiderano prototipare rapidamente la connettività di rete di prodotti Bluetooth Smart e testare le capacità di un'implementazione a maglie.

A tale fine, il kit fornisce un set completo di strumenti per la valutazione e lo sviluppo software, dalla scheda di sviluppo, l'ambiente di sviluppo software CSR xIDE, il programmatore USB e i cavi di interfaccia, applicazioni CSRmesh di esempio per la scheda di sviluppo e applicazioni host di esempio e codice sorgente per smartphone Android e iOS Apple.

Le schede di sviluppo sono normalmente alimentate da due pile stilo, ma possono essere gestite anche dalla connessione USB host, inoltre possono essere usate facilmente altre schede per creare una rete più ampia.

Tutto questo rientra nel tentativo di vincere la sfida posta dalla gestione di migliaia di beacon abilitati per Bluetooth Smart in spazi ampi come possono essere quelli di uno stadio, con beacon di illuminazione intelligente basati su una rete a maglie.

Anche un altro produttore di chip, Nordic Semiconductor, sta implementando la rete a maglie sui suoi dispositivi Bluetooth Smart a bassissimo consumo per poter offrire una soluzione completa di rete a maglie wireless ULP a basso costo per applicazioni IoT.

Wirepas Pino è uno stack di protocollo di rete a maglie a più salti, completamente automatico e con auto-ottimizzazione, sviluppato da Wirepas per l'esecuzione sul chip Bluetooth nRF51822 di Nordic. Supporta alte densità di nodi e dimensioni di rete (numero di nodi) teoricamente illimitate con una topologia di rete che si auto-ottimizza in modo continuo per bilanciare il traffico dei dati in rete e adattarsi ai cambiamenti nel loro ambiente operativo come ad esempio le interferenze RF.

Tale topologia può aumentare fortemente l'affidabilità della rete per cui, quando un nodo accusa un problema, la rete si "risana" automaticamente reindirizzando le comunicazioni per mezzo di altri nodi attorno ad esso. Ne conseguono anche un aumento dell'efficienza della rete e un minor consumo per tutti i nodi, dato che la rete può auto-riconfigurarsi in modo automatico e continuo per mantenere prestazioni ottimali via via che vengono aggiunti nuovi nodi.

Figura 3: La startup finlandese Wirepass teorizza una rete a maglie wireless di connessione Bluetooth in edifici di grandi dimensioni.

Conseguentemente a tutto questo interesse, lo Special Interest Group (SIG) Bluetooth sta incorporando la rete a maglie nella specifica Bluetooth per consentire questo tipo di capacità nello standard, affinché tutti i dispositivi certificati Bluetooth possano essere aggiunti a una rete a maglie. Con il proliferare dei sensori Bluetooth Smart nelle abitazioni, la rete a maglie diverrà una componente integrale per assicurare ai consumatori che serrature intelligenti, luci, sistemi HVAC e anche elettrodomestici abilitati per Bluetooth interagiscano per offrire un'esperienza di fruizione domestica intelligente e semplice.

Il Bluetooth Smart Mesh Working Group sta realizzando l'architettura per capacità di rete a maglie standardizzate per la tecnologia Bluetooth Smart. La decisione sta riscuotendo un enorme successo e sono già più di ottanta le società che si sono offerte volontariamente di collaborare al gruppo, con un'adesione fra le più alte di qualsiasi gruppo di lavoro SIG.

Del gruppo fanno parte società di diversi settori, fra cui quello automotive, dei cellulari/mobilità, dell'automazione industriale, della domotica, dei prodotti elettronici consumer e dell'informatica. Invece di concentrarsi su un caso d'uso specifico, il gruppo ha l'obiettivo di realizzare una piattaforma comune sviluppabile da tutti i membri. Il gruppo sta valutando numerosi scenari utente che trarrebbero vantaggi dalla rete a maglie, compresi l'illuminazione, il controllo HVAC, la gestione delle risorse in movimento e la sicurezza.

Un modo per implementare facilmente questo tipo di capacità prevede l'uso di un modulo come BLE113 di Silicon Labs. Questo modulo è progettato per sensori e accessori di piccole dimensioni e a basso consumo e integra in sé tutte le funzioni richieste per un'applicazione Bluetooth Smart, dal ricetrasmettitore radio, allo stack e i profili software alla gestione delle batterie, fino alle antenne in chip monopolo. L'inclusione in un progetto esistente per mezzo di interfacce hardware flessibili risulta pertanto semplice e questi progetti potranno accedere facilmente a una rete a maglie. Il modulo può essere alimentato direttamente da una batteria a bottone standard da 3 V, oppure da due pile ministilo. Nella modalità di riposo a bassissima potenza, assorbe soltanto 500 nA, con tempi di riattivazione di poche centinata di microsecondi.

Figura 4: Immagine del modulo BLE113 Bluetooth di Silicon Labs.

Parte del vantaggio dell'approccio a maglie sta nel fatto che può rendere Bluetooth quasi invisibile all'utente. Con una maggiore integrazione progettuale, transceiver Bluetooth Smart come DA14580 di Dialog Semiconductor potrebbero essere incorporati nell'apparecchiatura e connettersi automaticamente a un altro nodo vicino nella rete a maglie. Questo offrirebbe un modo molto semplice di impostare e gestire applicazioni di domotica e IoT intelligenti.

DA14580 offre un transceiver radio completamente integrato e un processore in banda base per Bluetooth Smart 4.1 che può essere usato come processore per applicazioni standalone o come pompa dati in sistemi ospitati. Il transceiver supporta un'architettura di memoria flessibile per memorizzare i profili Bluetooth e codice applicativo personalizzato, che può essere aggiornato OTA e pertanto, in futuro, può implementare potenzialmente un protocollo a maglie. Lo stack del protocollo Bluetooth Smart è memorizzato in una ROM dedicata e viene eseguito sul processore ARM Cortex-M0 a 16 MHz integrato tramite un semplice scheduler. Il dispositivo è stato ottimizzato per i bassi consumi e dimensioni ridotte, in modo da poter essere inserito nei progetti senza problemi.

Il firmware Bluetooth Smart include i protocolli di livello di servizio L2CAP, Security Manager (SM), Attribute Protocol (ATT), Generic Attribute Profile (GATT) e Generic Access Profile (GAP), come pure profili personalizzati, che potrebbero comprendere l'implementazione della rete a maglie.

La proposta di valore per la tecnologia Bluetooth nell'IoT non ha rivali, dichiara il SIG; i consumi molto contenuti di energia ne fanno la soluzione wireless dai costi più ridotti e più ampiamente disponibile che oggi rende possibile l'IoT. La chiave risiede nel fatto che l'inserimento della rete a maglie nella specifica Bluetooth spingerà la tecnologia verso segmenti di mercato interamente nuovi.

Lo Smart Mesh Working Group si aspetta di approntare la specifica per i test di prototipazione verso la fine del 2015 e il SIG si augura di adottare ufficialmente i profili nel 2016.