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Panoramica sulla tecnologia wireless per IoT

Di Walter N. Maclay, Presidente, Voler Systems

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

L'Internet delle cose (IoT) oramai permea il nostro mondo moderno. È un termine comune per chi lavora con la tecnologia e nel mondo aziendale, ma usato raramente dalla popolazione generale, anche se fa parte della loro vita quotidiana. L'IoT è la connettività di oggetti fisici come dispositivi, veicoli, edifici, elettronica e reti che permette loro di interagire, raccogliere e scambiare dati. Si applica a milioni di cose diverse, compresi i prodotti tradizionali aggiornati che prima non erano connessi a Internet.

Questo articolo offre uno sguardo sui molti modi in cui questi dispositivi possono comunicare senza fili.

Tre modi per portare i dati nel cloud

Una sfida dell'IoT è traferire i dati dal sensore del dispositivo al cloud, dove questi dati vengono utilizzati, elaborati e memorizzati. L'uso onnipresente di Wi-Fi e Bluetooth negli smartphone, insieme alla diffusa disponibilità di ripetitori cellulari e punti di accesso Wi-Fi pubblici, fornisce ai sensori IoT un accesso al cloud praticamente ovunque. Ci sono tre modi di base per portare i dati nel cloud.

Dal sensore al gateway al cloud. In alcune applicazioni, è ottimale inviare i dati del sensore a un gateway che poi trasmette i dati in modo efficiente al cloud. A seconda delle esigenze dell'applicazione, il gateway può andare da semplici sistemi di relè a piattaforme "intelligenti" che eseguono funzioni più elaborate chiamate "edge processing". Dispositivi come i sensori di parcheggio e i sensori di utilizzo delle scrivanie si affidano tipicamente ai gateway per trasmettere i dati. Il Wi-Fi è un esempio di gateway. Per l'uso domiciliare, è necessario installare un gateway Wi-Fi. Nei luoghi pubblici dove il gateway è già installato, il Wi-Fi funziona direttamente con la connessione al cloud. Altri tipi di comunicazioni wireless, come Bluetooth, richiedono un gateway. Un esempio di Wi-Fi domiciliare è Hatch Baby Grow, un fasciatoio intelligente con bilancia connessa. Utilizza il Wi-Fi per trasmettere i dati dalla bilancia del fasciatoio all'internet di casa. Il genitore e il pediatra possono seguire le informazioni basate sul cloud attraverso un'applicazione Android o iOS.

Dal sensore al cellulare al cloud. In alcuni casi, il gateway può essere un telefono cellulare. Gli smartphone con capacità Wi-Fi o Bluetooth fungono da gateway per inviare i dati al cloud. Ad esempio, Voler ha contribuito allo sviluppo di auricolari che monitorano l'equilibrio degli anziani. Hanno una trasmissione wireless Bluetooth LE a uno smartphone con installata un'app associata. I dati vengono anche inviati al cloud dallo smartphone dove possono essere elaborati ulteriormente e condivisi.

Dispositivo intelligente direttamente al cloud. Il sensore può connettersi direttamente al cloud utilizzando tecnologie come NB-IoT, LTE-M o LoRa. Queste tecnologie trasmettono su chilometri di distanza a bassissima potenza, a condizione che la velocità di trasmissione dei dati sia bassa. Si collegano a internet attraverso apparecchiature solitamente installate presso i ripetitori cellulari. Funzionano più o meno nello stesso modo in cui funzionano i telefoni cellulari, tranne che la velocità di trasmissione dei dati e la potenza sono molto più basse. Hanno un costo mensile, solitamente esiguo.

I fattori da considerare nella pianificazione di una strategia di comunicazione wireless IoT includono: il volume di dati da trasferire, la distanza della sorgente dati da internet, la potenza richiesta e il costo del servizio, se pertinente. L'uso diffuso degli smartphone e la scelta degli standard radio Wi-Fi o Bluetooth offrono una connettività molto comoda. Gli standard più recenti, come NB-IoT e LTE-M aprono più opzioni per il futuro dell'Internet delle cose.

Perché sono necessarie nuove tecnologie?

L'IoT è ancora in evoluzione. Ogni iterazione porta con sé un consumo energetico inferiore, una comunicazione wireless superiore e caratteristiche migliori. I nuovi dispositivi possono trarre vantaggio dalla nuova tecnologia e fornire prestazioni migliori.

Fattori da considerare per i compromessi

Ogni volta che Voler progetta un dispositivo indossabile o a batteria, i clienti si aspettano che:

  • Funzioni per molto tempo
  • Trasmetta molti dati su lunghe distanze
  • Abbia una batteria piccola

Bisogna scendere a compromessi tra tutte queste esigenze contrastanti. L'ingegneria è una questione di compromessi. Bisogna considerare la funzionalità del sistema e scendere a compromessi ingegneristici per fornire prestazioni ottimali in conformità ai requisiti del sistema. È importante fornire contemporaneamente un'esperienza utente soddisfacente. Il risultato è un prodotto con i migliori compromessi tra le molte scelte.

Considerazioni sui compromessi

  • Velocità dati
  • Distanza di trasmissione
  • Dimensione della batteria
  • Costo
  • Spettro con licenza o senza licenza
  • Distribuito dall'operatore o dal cliente
  • Densità dei dispositivi finali
  • Ambito di distribuzione
  • Aggiornamenti del firmware
  • Driver per il sistema operativo
  • Selezione dei componenti/moduli
  • Antenne
  • Maturità della tecnologia

Voler ha recentemente lavorato con una start-up per migliorare la durata della batteria di un prodotto connesso. Era basato sul modulo impModule™ di Murata con un processore Arm® e un transceiver Wi-Fi. Era richiesta una durata della batteria di molte settimane e dopo la prototipazione era pari a meno di una settimana. Voler ha riesaminato il codice per perfezionare la durata della batteria. Il codice originale non funzionava come previsto.

Nella trasmissione wireless, tre aspetti devono essere affrontati: la potenza necessaria per trasmettere, la velocità dei dati e il raggio di trasmissione. Scegliere il giusto standard wireless è importante. Fare riferimento alla tabella seguente per la selezione di uno standard wireless per il dispositivo IoT in fase di progettazione. La tabella elenca i comuni standard wireless utilizzati per i dispositivi IoT, insieme alle loro caratteristiche.

Tabella degli standard wireless comuni e delle loro capacitàTabella 1: Standard wireless comuni e loro capacità. (Tabella per gentile concessione di Voler)

Diversi standard wireless richiedono livelli di potenza molto diversi. La potenza richiesta dipende dalla velocità dei dati e dalla portata della trasmissione. Ad esempio, facendo riferimento alla tabella 1, un dispositivo può richiedere 120 mW di potenza per trasmettere 100 bit di dati al secondo su un chilometro usando LTE Cellular. Ma con Bluetooth LE per trasmettere a 1 metro, un dispositivo può aver bisogno solo di 0,15 mW di potenza.

Confronto degli standard IoT wireless

Tabella di confronto degli standard IoT wirelessTabella 2: Un confronto tra gli standard IoT wireless. (Tabella per gentile concessione di Voler)

Requisiti di alimentazione per le opzioni wireless più diffuse

Se un dispositivo deve trasmettere dati fino a 10 metri, BLE e Bluetooth sono sufficienti. Ma i dispositivi IoT per scopi industriali e commerciali come la gestione dell'inventario o i dispositivi indossabili per il monitoraggio della salute possono richiedere una comunicazione a più lungo raggio, come NB-IoT o LTE-M. Se un dispositivo invia molti dati, come una videocamera, BLE non è sufficiente. Sono necessarie scelte ad alta potenza come Wi-Fi e LTE.

D'altra parte, i protocolli wireless cellulari NB-IoT e LTE-M permettono ai dispositivi IoT di trasmettere dati a luoghi lontani a bassa potenza. Lo stesso vale per SigFox che può trasmettere dati fino a 50 chilometri. Ma a differenza degli standard cellulari con un'alta velocità dati, SigFox può trasmettere solo fino a 300 bit di dati al secondo.

Rete privata o pubblica

Una rete privata ha un gateway installato e controllato da un operatore per uno o un numero limitato di utenti. Una rete pubblica ha un gateway che molti utenti possono usare dietro pagamento di una quota mensile. Un esempio è il servizio cellulare.

Le reti pubbliche richiedono l'installazione di infrastrutture, come i ripetitori. I telefoni cellulari sono diffusi e possono fare roaming grazie alla diffusa installazione di ripetitori cellulari. Sigfox e LoRa hanno un'infrastruttura limitata negli Stati Uniti, quindi un dispositivo che utilizza questa tecnologia non funzionerebbe nella maggior parte dei luoghi. LoRa ha l'opzione di una rete privata se si utilizza un gateway.

Nel 2019 l'installazione di infrastrutture per NB-IoT e LTE-M è giunta a coprire negli Stati Uniti il 90% della popolazione. Si sta avvicinando alla disponibilità di copertura cellulare. Anche se esiste da anni, finalmente, questa tecnologia può essere utilizzata in nuovi dispositivi. L'infrastruttura è presente anche nella maggior parte dei principali paesi del mondo. Aspettatevi un rapido aumento nell'uso di NB-IoT e LTE-M. Sigfox e LoRa sono molto indietro nell'installazione di infrastrutture pubbliche.

Di seguito è fornito un riassunto delle opzioni wireless private e pubbliche:

Privato

  • Entrambe le estremità della comunicazione di proprietà privata
  • Installabile ovunque
  • Spettro senza licenza
  • Costo di installazione delle stazioni base e degli endpoint
  • Nessun costo mensile

Pubblico

  • La rete di proprietà dell'operatore - es. cellulare
  • Funziona solo dove esistono stazioni base
  • Roaming facile
  • Spettro autorizzato
  • Una quota mensile per l'uso della rete

Quando migliorerà la tecnologia delle batterie?

Se le batterie fossero migliori, questi compromessi sarebbero più semplici. L'immagazzinaggio di energia chimica è prossima al limite massimo di efficienza. Tuttavia, sono in corso molte ricerche per una maggiore densità e una migliore sicurezza.

Se le batterie fossero progredite come i semiconduttori negli ultimi 50 anni, avremmo una batteria grande come la testa di uno spillo che costerebbe un centesimo e alimenterebbe un'automobile. Inutile dire che quella tecnologia non è nemmeno lontanamente vicina e non lo sarà mai. Pertanto, i dispositivi sono limitati dallo spazio richiesto per l'immagazzinaggio chimico dell'energia.

Le batterie di oggi offrono circa il 10% del massimo immagazzinaggio di energia chimica, offerto ad esempio dalla benzina. Tuttavia, la benzina ha un problema di sicurezza. Un'altra opzione più efficiente è l'energia nucleare, ma anche qui sorgono problemi di sicurezza, per non parlare del problema della portabilità. Avremo miglioramenti incrementali nelle batterie in futuro, ma i cambiamenti saranno lenti.

Considerazioni sui costi

Molti produttori di dispositivi IoT non investono a sufficienza nella sicurezza per mantenere i loro prodotti accessibili e accelerare il time-to-market. L'integrazione della sicurezza durante la fase di sviluppo può aggiungere significativamente costi e tempi allo sviluppo. Tuttavia, costruire dispositivi IoT con una debole sicurezza IoT può avere conseguenze più dannose non solo per i clienti, ma anche per il marchio del produttore - in termini di perdita di produttività, sanzioni penali/di non conformità, danno alla reputazione e perdite monetarie.

Lo standard wireless scelto per i dispositivi IoT può influenzare significativamente le prestazioni, l'usabilità, la sicurezza e l'affidabilità. Lo standard più adatto per un dispositivo IoT dipende dalla sua applicazione. Conoscere lo scopo del dispositivo può aiutare a determinare i requisiti chiave per costruirlo, come la quantità di energia di cui ha bisogno per funzionare in modo efficiente, la velocità di trasmissione dei dati e la durata della batteria.

Il team di esperti di sviluppo di dispositivi IoT di Voler System può aiutare un progettista nella scelta del giusto standard wireless per i dispositivi IoT. Contatta un esperto IoT per saperne di più sulla scelta del giusto standard wireless per qualsiasi progetto IoT.

Esonero della responsabilità: le opinioni, le convinzioni e i punti di vista espressi dai vari autori e/o dai partecipanti al forum su questo sito Web non riflettono necessariamente le opinioni, le convinzioni e i punti di vista di Digi-Key Electronics o le sue politiche.

Informazioni su questo autore

Walter N. Maclay, Presidente, Voler Systems

Walter Maclay, Presidente e fondatore di Strawberry Tree Inc., che opera sotto la ragione sociale Voler Systems (uno dei principali studi di progettazione elettronica della Silicon Valley), si impegna a fornire prodotti elettronici di qualità nei tempi previsti e nel rispetto dei budget stanziati. Fornisce servizi di progettazione, sviluppo, valutazione del rischio e verifica di nuovi dispositivi per applicazioni medicali, consumer e industriali. Voler ha una particolare esperienza nella progettazione di dispositivi indossabili e IoT, applicando le sue capacità ai sensori e alla tecnologia wireless. L'azienda ha sviluppato centinaia di prodotti tra cui dispositivi medici e indossabili, per l'assistenza domiciliare, prodotti specifici per gli anziani e altri dispositivi medici, consumer e industriali.

Informazioni su questo editore

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