Selezionare un collegamento di rete personale (PAN, Personal Area Network) per dispositivi indossabili e l'Internet delle cose

La reale distribuzione delle reti personali (PAN) non ha ancora preso piede. Siamo all'inizio di una nuova generazione di computer, sensori e periferiche indossabili che si interfacciano con le macchine a un nuovo livello.

Tradizionalmente, una rete PAN sarebbe associata a un collegamento audio wireless, come la connessione Bluetooth con un auricolare wireless. Sebbene sia un utile collegamento locale macchina-macchina (M2M) per un individuo, è ben lontano dal reale potenziale che può fornire una tecnologia PAN near-field a bassa potenza RF.

Questo articolo esamina le scelte a nostra disposizione per la generazione e la ricetrasmissione dei dati nella nostra "bolla elettromagnetica personale". Esamina l'uso di bassi livelli di potenza e tipi di segnale per svariate applicazioni che vanno da sensori indossabili o "profondamente embedded" da un lato, a quelle più complesse di elaborazione video e immagini in 3D ad alta definizione per il riconoscimento dei gesti in tempo reale.

Indagheremo le attuali soluzioni a livello di chip per standard come IRDA, Wireless USB, Bluetooth, Z-Wave, ZigBee e Wi-Fi, prestando particolare attenzione dalla prospettiva della larghezza di banda per determinare quale sia il throughput reale e utilizzabile che possiamo attenderci. Prenderemo anche in esame gli standard giudicati i migliori per le diverse funzioni. Tutti i componenti, le schede tecniche, i tutorial e gli strumenti di sviluppo citati sono reperibili nel sito Web di DigiKey.

Non tutto è RF

I collegamenti wireless in genere richiamano a mente la nozione di radio, ma non tutti i collegamenti wireless si basano sulla radiofrequenza. Alcune comunicazioni in linea visuale libera, a breve salto e a bassa larghezza di banda possono basarsi sulla tecnologia agli infrarossi. Si prenda ad esempio un guanto di feedback per il controllo remoto di apparecchiature o procedure mediche. In questo caso, un modulo IRDA come RPM973-H11E2A di ROHM sarebbe l'ideale (Figura 1). Questo transceiver è ultrasottile e autonomo e può fornire fino a 4 Mbit/s come collegamento ottico che non accetta interferenze dal rumore ambientale RF da alcuna fonte. È anche robusto per il funzionamento in condizioni gravose.


Figura 1: IR è resistente e robusto come collegamento in linea visuale libera per comunicazioni dati di modesta larghezza di banda. Gli ingegneri possono specificare diversi ricetrasmettitori a basso costo ben congegnati.

Mentre le tecnologie ottiche hanno un posto, le tecnologie di comunicazione di gran lunga più diffuse per PAN emergenti sarà RF. È interessante notare che per collegamenti a bassa velocità su distanze molto brevi, si possono usare per RF i tipi a costo inferiore e a banda stretta AM, FM, ASK, FSK, portante on/off e PSK. Un mouse per computer funziona bene a velocità dati pari a 1.200-bit/s.

TR3000 di Murata supporta velocità di trasmissione dati fino a 115,2 Kbaud con una portante di 433,92 MHz e modulazione ASK o OOK. Funzionante da 2,7 a 3,7 V, assorbe soltanto 3,8 mA durante la ricezione e può aumentare le trasmissioni con un consumo di 7,5 mA. Una caratteristica distintiva è che l'uso di energia può essere ridotto di molto per collegamenti a distanza molto breve, prolungando la durata della batteria (Figura 2).


Figura 2: Le trasmissioni a banda stretta possono utilizzare quantità molto basse di potenza velocità di trasmissione dei dati relativamente basse. Fonti di rumore e ambienti interoperabili affollati pongono però dei problemi.

Mentre le limitazioni di potenza di AM e FM a banda stretta potrebbero essere accettabili, esistono troppe possibili fonti di interferenza e questi tipi di collegamenti in genere non hanno arbitrato, rilevamento ed evitamento delle collisioni e ritrasmissione automatica quando si verificano errori. È qui che si faranno strada le radio digitali.

Parecchi standard digitali si contendono il mercato della rete PAN, potenzialmente ad altissimo volume, tra cui standard interoperabili come Bluetooth, USB, ZigBee, Wi-Fi o Z-Wave, solo per citarne alcuni.

Wireless USB offre qualche promessa, con diversi dispositivi di livello CI pronti a intervenire. Si consideri CYRF6936-40LTXC di Cypress, un componente solo transceiver USB a sequenziamento diretto, e divisione di spettro wireless a 2,4 GHz. Con velocità dati fino a 1 Mbit/s, l'unità da 1,8 a 3,6 V utilizza la porta SPI a 4 MHz per la configurazione e il controllo. È fornito come un componente a 40 pin con piazzola esposta leggermente più grande di una soluzione a banda stretta. Le correnti di trasmissione a 34 mA (e 21,2 mA di ricezione) sono inoltre significativamente più elevate. Tuttavia, molte applicazioni possono trascorrere più tempo in sospensione che attive e quando sono attive, i burst di comunicazione possono durare a lungo sulle batterie piccole, soprattutto se sono ricaricabili.

Un componente simile con un controller embedded è CYRF89235-40LTXC di Cypress, che fornisce un'architettura Harvard MHz fino a 24 MHz con processore RISC M8C su chip, nonché porte di emulazione (Figura 3). I 32 K di memoria Flash su chip possono contenere stack e codice utente per alcune applicazioni. I 2 K di memoria RAM possono essere ampliati negli I/O programmati attraverso le porte a 8 bit o tramite interfacce I²C o SPI, anch'esse incluse.


Figura 3: La metodologia Soc (system-on-chip) permette al microcontroller embedded di eseguire per intero lo stack di protocollo, fornendo al contempo un ambiente embedded per il codice specifico dell'applicazione o per creare una propria interfaccia personalizzata.

Oltre l'audio

L'audio Bluetooth rimarrà molto probabilmente in una posizione dominante per gli auricolari e per i collegamenti audio personali, anche se in genere consuma più energia di quella necessaria. Per la maggior parte i dispositivi Bluetooth funzionano bene insieme, anche in ambienti affollati. Il processo di tethering consente ai transceiver di fungere da semplici tipi look-and-lock e senza dover mantenere diversi socket e complessi stack di protocollo.

Bluetooth Low Energy, d'altro canto, ben si adatta ad applicazioni non audio, come sensori, attuatori e reti PAN. Analogamente ad altri standard, le soluzioni integrate sono pronte a mettersi alla prova. Una soluzione Bluetooth LE degna di nota è offerta da CSR nel transceiver SoC a chip singolo Bluetooth LE TCSR1010A05-IQQM-R (Figura 4). Come parte della piattaforma µEnergy Bluetooth Low Energy di RSI, contiene anche un microcontroller integrato, in questo caso un processore RISC a 16 bit che esegue lo stack BT LE, radio, interrupt e interfacce esterne.


Figura 4: I microcontroller embedded non solo possono contenere la funzionalità periferica di radio digitale, ma forniscono anche altri tipi di connettività e interfacce periferiche, inclusi i segnali misti.

Va sottolineato che questi componenti hanno a loro disposizione una maggiore quantità di risorse; 64 Kbyte di Flash e 64 Kbyte di RAM. In aggiunta, questi componenti contengono anche un A/D a 10 bit programmabile, 12 I/O, SPI, I²C, UART, PWM e porta SPI di debug. Come con qualsiasi transceiver radio oggi in via di sviluppo, hanno anche funzioni di gestione dell'energia e sono in grado di utilizzare cristalli di clock in tempo reale a 32 kHz per un maggiore risparmio energetico in sospensione.

Un altro concorrente in questo ambito è STMicroelectronics con il processore di rete wireless Bluetooth LE BLUENRGQTR. Anche conforme alle specifiche Bluetooth v4.0 come master o slave compatibile a 1 Mbit/s, può utilizzare un clock a 32 kHz o un oscillatore per la riduzione dei consumi energetici o eseguire la propria maggiore frequenza nativa per calcoli intensi, in questo caso fino a 32 MHz.

Si basa su un processore ARM Cortex-M0 (Figura 5), con memoria Flash utilizzabile di 64 K e 12 K di SRAM. Offre inoltre SPI, I²C, UART, programma seriale e debug, oltre che hardware AES. STMicroelectronics lo considera un potenziale controller periferico di campo PAN, soprattutto per applicazioni di sport e fitness. L'azienda offre anche un modulo didattico la applicazioni di salute e fitness di Bluetooth LE.


Figura 5: Non solo i core a 8 e 16 bit trovano largo impiego in applicazioni PAN, questo Cortex-M0 a 32 bit può operare collegamenti radio e offre grande potenza di elaborazione del codice.

Come molti altri fornitori, STMicroelectronics supporta lo stack e offre un ambiente di sviluppo per iniziare subito lo sviluppo. In questo caso, STEVAL-IDB002V1 del fornitore è una scheda di dimostrazione e valutazione utile per processori di rete a bassa energia BlueNRG.

Altre possibilità

Altri fornitori di soluzioni wireless desiderosi di una fetta del nuovo mercato PAN in esplosione hanno alcuni ostacoli da superare. Uno di questi è ZigBee, un rinomato standard supportato da decine di produttori di dispositivi e moduli per l'automazione degli edifici privati e commerciali.

A differenza di Bluetooth, ZigBee non ha il supporto nativo per smartphone, tablet e notebook - e questo può essere un problema. ZigBee richiede anche uno stack piuttosto sofisticato, nel senso che i costi del nodo potrebbero essere maggiori. D'altra parte, ZigBee offre il vantaggio di far parte di una grande rete con arbitrato e identificazione inclusi nell'architettura.

Anche Wi-Fi ha una certa attrattiva, soprattutto con la spinta verso l'Internet delle cose. Offre connettività basata su cloud e i suoi chip e moduli sono disponibili come soluzioni certificate pronte per l'uso. Anche se è supportato in smartphone, tablet e notebook nativi, Wi-Fi consuma molta energia. Un controllo flessibile può ridurne i consumi per applicazioni PAN, ma non sarebbe comunque una valida risposta se, ogni volta che entra in modalità di risparmio energetico, deve ristabilire la connessione alla riattivazione: la modalità di ricerca richiede tempo ed energia.

Vi sono altre soluzioni possibili. Z-Wave, ANT +, IOHomecontrol, W6LoPAN e RF4CE sono tra le applicazioni e i protocolli generali che vale la pena di conoscere.

In sintesi, stiamo assistendo allo sviluppo di una nuova generazione prodotti correlati all'Internet delle cose, che miglioreranno la nostra capacità e la nostra autoconsapevolezza. In questo ambiente, gli smartphone rischiano di diventare l'hub per le reti personali, collegando gadget da indossare come monitor sanitari, orologi intelligenti e dispositivi di visualizzazione (ad esempio, Google Glass), nonché una varietà di sensori embedded in abiti e scarpe. Questo articolo ha esaminato le scelte che i progettisti devono soppesare per la generazione e la ricezione dei dati nella "bolla elettromagnetica personale". Abbiamo anche esaminato diversi protocolli possibili e valutati i componenti rappresentativi.

Per ulteriori informazioni sui componenti menzionati in questo articolo, utilizzare i collegamenti forniti per l'accesso alle pagine di prodotto sul sito DigiKey.