MCU e componenti wireless Sub-GHz per IoT

Creato: novembre 15, 2021
Aggiornato: luglio 1, 2024

Negli ultimi anni, l'uso dei dispositivi IoT è cresciuto massicciamente, con molti sviluppi che avvengono in background in aree come la produzione industriale, l'infrastruttura, l'automazione domestica, i contatori intelligenti e l'elettronica indossabile. Nello spazio consumer, i dispositivi IoT si collegano principalmente a reti interne a corto raggio, normalmente tramite WiFi o Bluetooth. Oggi, più dispositivi si stanno integrando su lunghe distanze con protocolli a bassa frequenza o adottando un approccio ibrido con protocolli ad alta e bassa frequenza sullo stesso dispositivo. Riunire tutto ciò comporta la fusione di multipli protocolli wireless insieme alla elaborazione digitale e un'applicazione embedded. Perché si è continuato a concentrarsi sul wireless sub-GHz in questi sistemi, specialmente quando abbiamo già molti protocolli utili come Bluetooth, WiFi, cellulare e altre opzioni della banda ISM a 2.4 GHz? Il wireless sub-GHz ha i suoi vantaggi, e c'è molto più supporto da parte dei fornitori di servizi IoT per questi prodotti. Tutto ciò significa che è molto più facile sia costruire un'architettura di rete privata sia collegarla ai tuoi servizi cloud tramite una stazione base, o accedere ai servizi cloud tramite un operatore wireless esistente. Negli Stati Uniti, i principali operatori di telecomunicazioni offrono ora servizi IoT sulle loro reti, e puoi configurare la tua piattaforma di servizio cloud che si collega con il tuo hardware IoT utilizzando i principali fornitori di servizi cloud. Alla fine della giornata, se non riesci a integrare un protocollo sub-GHz sulla tua scheda, allora non puoi usarlo per sfruttare la comunicazione wireless a lungo raggio e a basso consumo e i servizi che questi protocolli abilitano. In questo articolo, esamineremo alcune delle principali considerazioni nella connettività wireless a lungo raggio e a basso consumo all'interno della banda sub-GHz ampiamente riconosciuta.

Selezionare un'Opzione Wireless Sub-GHz

Costruire prodotti IoT con connettività wireless sub-GHz richiede la selezione di un chipset che possa supportare queste frequenze e che implementi il protocollo wireless desiderato per la tua rete IoT. I primi MCU utilizzati nei dispositivi IoT non includevano queste caratteristiche, richiedendo invece un modulo dedicato o richiedendo l'emulazione nell'applicazione del dispositivo. Oggi, ci sono diversi chipset e MCU completamente integrati che supportano multipli protocolli sub-GHz. Alcuni di questi prodotti supporteranno anche una banda ISM a frequenza più alta nella gamma dei 2.4 GHz, e possibilmente WiFi fino a 5 GHz. Puoi leggere di più sui fondamenti della selezione del protocollo IoT qui. La miscela di vari standard e protocolli determinerà quali frequenze saranno disponibili nel tuo design, che sarà un fattore primario del consumo di energia. Quando si sceglie un protocollo di rete cablato o wireless, il tasso di trasmissione dati è solitamente la considerazione principale. Nel wireless sub-GHz, i principali vantaggi sono il basso consumo di energia di questi protocolli e la lunga portata disponibile a queste frequenze. Pertanto, abbinare i requisiti di durata del dispositivo e di portata della comunicazione all'applicazione sono tipicamente più importanti per i dispositivi finali sulla rete.

Equilibrare Portata e Potenza

I protocolli ad alta frequenza e bassa frequenza differiscono in due aspetti principali che determinano le loro aree di applicazione ideali: attenuazione e consumo energetico. Le frequenze più basse generalmente corrispondono a un minor consumo di energia e a una maggiore portata, quindi i protocolli sub-GHz sono ideali per queste applicazioni IoT. La trasmissione a bassa frequenza ha anche meno problemi con ostacoli come colline, edifici, ecc., quindi questa capacità di lungo raggio elimina la necessità di siti ripetitori e stazioni base. Al contrario, con la prossima ondata di implementazioni 5G, sarà necessario implementare mini stazioni base per la consegna del servizio agli utenti finali.

Un modo semplice per iniziare a stimare i requisiti di potenza di un trasmettitore per una data distanza e frequenza di trasmissione (in realtà la lunghezza d'onda) è utilizzare la formula della perdita di percorso di Friis. Questa formula illustra il compromesso tra la frequenza di trasmissione (o piuttosto la lunghezza d'onda) e la portata:

Dove:

Pr = Potenza ricevuta
Pt = Potenza trasmessa
Dt = Direttività del trasmettitore
Dr = Direttività del ricevitore
d = Distanza tra le antenne del trasmettitore e del ricevitore
λ = Lunghezza d'onda della trasmissione

Effettivamente, se conosci la sensibilità del ricevitore (specificata in dBm), allora puoi determinare la potenza del trasmettitore richiesta per una data lunghezza d'onda e distanza di trasmissione in linea diretta. In generale, raddoppiare la portata di trasmissione richiede di aumentare il budget di potenza per il tuo collegamento wireless di 6 dB. Inoltre, possiamo vedere che raddoppiare la frequenza riduce la potenza ricevuta di 6 dB. Nota che questi sono tutti fattori idealizzati che dipendono dalla trasmissione in linea diretta tra due antenne. Un dispositivo dispiegato in uno scenario reale sperimenterà perdite dovute all'assorbimento, alla propagazione multipath e alle riflessioni, e persino al tempo atmosferico. Pertanto, assicurati di considerare un margine di sicurezza realistico per il tuo sistema per tenere conto della possibilità di una portata limitata.

Specifiche importanti per i chipset Sub-GHz

Mentre la portata e la frequenza di trasmissione sono le principali considerazioni nella progettazione di dispositivi IoT sub-GHz, ci sono alcune altre specifiche che dovrebbero essere considerate in questi progetti.

Consumo energetico

I prodotti wireless sub-GHz (e ogni altro prodotto wireless) non avranno una specifica portata, o se lo fanno sarà solo una stima. Avranno un valore di potenza di uscita per una data corrente specificato come un valore EIRP (potenza irradiata isotropicamente equivalente, in unità di dBm). Un'antenna con direttività/guadagno maggiore di 1 può essere utilizzata per il trasferimento diretto e potrebbe essere utilizzata per ridurre il consumo energetico richiesto per trasmettere dati. Il consumo totale di energia del sistema può essere ulteriormente ridotto utilizzando un sistema con corrente di standby più bassa, modalità a basso consumo e timer di risveglio. Considerando tutti questi fattori, il consumo energetico può essere minimizzato e i dispositivi possono essere progettati per avere una vita utile totale di oltre 10 anni con una batteria a bottone.

Sensibilità del ricevitore

Come è stato menzionato sopra, la sensibilità del ricevitore e la frequenza di trasmissione determineranno la portata del sistema. I canali con larghezze di banda maggiori richiederanno un ricevitore più sensibile, il che potrebbe limitare la portata nel tuo collegamento sub-GHz. Compensare ciò potrebbe richiedere l'aumento della potenza di trasmissione, limitando la portata, utilizzando un tasso di dati inferiore, o possibilmente passando a un diverso protocollo per la tua applicazione. Anche il guadagno/direttività dell'antenna gioca qui un ruolo e può compensare una minore sensibilità fornendo una trasmissione direzionale tra i dispositivi sulla rete.

Considerazioni su Modulazione e Coesistenza

Come certe porzioni dei protocolli della banda ISM possono sperimentare sfide di coesistenza, anche le bande sub-GHz possono sperimentare interferenze tra canali. I protocolli sub-GHz tipicamente utilizzano schemi di modulazione a chiave (FSK, ASK, OOK, ecc.). In alcuni casi, vengono utilizzati meccanismi a spettro sparpagliato per aumentare la larghezza di banda del canale, sia codificando i dati in un bitrate più alto sia con uno schema come lo spettro sparpagliato a salti di frequenza (FHSS). Un esempio che mostra l'aumento del tasso di dati utilizzato per aumentare la larghezza di banda per una data potenza di trasmissione media è mostrato di seguito.

Concetto di trasmissione a spettro sparpagliato. Spargendo i dati trasmessi (blu) in una codifica a bitrate più alto (rosso), il ricevitore può resistere a potenziali fonti di interferenza.

(Testo alternativo: Trasmissione a spettro sparpagliato)

I segnali a spettro sparpagliato sono meno soggetti a interferenze, ma i circuiti di trasmissione e ricezione sui dispositivi finali devono avere una larghezza di banda maggiore per accomodare questa dispersione di potenza attraverso la larghezza di banda del canale. L'implementazione FHSS richiederà test aggiuntivi per garantire la conformità EMC e richiederà dispositivi compatibili con sufficiente sensibilità del ricevitore su entrambe le estremità. In alcuni dispositivi, un modulo trasmettitore dedicato potrebbe essere la scelta migliore per fornire sufficiente sensibilità alla ricezione dei segnali a spettro sparpagliato.

Opzioni di Radio e Trasmettitori Sub GHz

In breve, ci sono due modi fondamentali con cui puoi integrare le radio sub-GHz in un nuovo prodotto e portarlo su una rete IoT a lungo raggio:

Utilizzare un processore che include capacità wireless sub-GHz integrate sul chip
Utilizzare un trasmettitore sub-GHz esterno compatibile con il controller host del tuo sistema
Aggiungere un modulo wireless che contiene tutti i periferici richiesti e

A seconda delle necessità del tuo sistema, entrambe le opzioni sono praticabili poiché ci sono molti componenti che rientrano in entrambe le categorie. Le prime due opzioni richiederanno un po' più di sforzo se non hai mai progettato cose come filtri, linee di alimentazione, antenne o dispositivi RF in generale. Tuttavia, ci sono linee di prodotti altamente integrate da più fornitori che supportano molteplici bande sub-GHz; alcune eccellenti opzioni sono mostrate di seguito.

Microchip, ATSAMR30M18A-I

Il modulo wireless sub-GHz ATSAMR30M18A-I di Microchip funziona come un MCU che include una radio conforme a IEEE 802.15.4 con antenna integrata. Questo modulo SMD a castellatura include un MCU ARM Cortex-M0+ con 256 KB di memoria Flash integrata, così come un trasmettitore integrato per la banda ISM 700/800/900MHz. Come SiP facile da usare, include anche alcune delle caratteristiche standard che gli utenti si aspettano dagli MCU, come un ADC a 12 bit 350 ksps, I2C operativo fino a 3.4 MHz, un'interfaccia USB 2.0 e 16 GPIO. Richiede un'antenna esterna; la tabella sottostante include un elenco di antenne approvate, sebbene possano essere utilizzate altre antenne se hanno specifiche simili e superano i test.

NXP Semiconductor, OL2385AHN

Il OL2385AHN di NXP Semiconductor è un trasmettitore RF wireless multibanda con un core MCU integrato che supporta molteplici bande sub-1 GHz (da 160 a 960 MHz). Questo dispositivo è un trasmettitore altamente integrato con quattro gamme di frequenza selezionabili che supporta molteplici schemi di modulazione (400 kbps/200 kbps FSK, ASK e OOK). Sulla scheda, un controller host può interfacciarsi con questo dispositivo tramite protocollo SPI, UART o UART compatibile con LIN. Alcune delle principali aree di applicazione target con questo componente includono LPWAN per prodotti di smart infrastructure, tecnologie per la smart home, comunicazione M2M e reti di sensori.

Diagramma a blocchi del trasmettitore radio NXP OL2385AHN. [Fonte: (Alt text: Design Sub-GHz)

Texas Instruments, MCU Wireless SimpleLink (CC13xx e CC430F51xx)

La linea SimpleLink di MCU wireless di Texas Instruments è una delle mie preferite per lo sviluppo di nuovi prodotti IoT che operano in bande sub-1 GHz. Alcuni componenti di questa linea di prodotti supportano anche molteplici bande ISM, WiFi, Bluetooth e altri tra 1 e 2 GHz. Questa linea di prodotti include alcuni MCU qualificati per prodotti automobilistici. I vari prodotti della linea SimpleLink supportano questi protocolli sub-1 GHz:

IEEE 802.15.4
Wireless M-Bus (modalità T, S, C, N)
6LoWPAN
Wi-SUN NWP
Amazon Sidewalk
MIOTY
ZigBee

Se stai utilizzando altri prodotti nel portfolio di TI, troverai facile sviluppare un'applicazione con il supporto SDK di TI per questi prodotti e dispositivi periferici per la tua piattaforma IoT. Questi MCU si interfacciano anche con qualsiasi altro ASIC periferico tramite interfacce digitali standard, offrendo ai progettisti molta flessibilità per costruire nuove piattaforme IoT.

Il futuro dell'IoT Sub GHz

Tutti continuano a concentrarsi su WiFi, Bluetooth e 5G solo perché sono così ubiqui nello spazio dei consumatori, ma le frequenze sotto 1 GHz non stanno andando da nessuna parte e continueranno ad essere la colonna vertebrale a basso consumo per le reti IoT. Le capacità di lungo raggio, il basso consumo energetico e la facilità di implementazione sono troppo vantaggiose per essere ignorate, e non ha senso contribuire ulteriormente alla congestione ISM o cellulare in applicazioni persistenti a basso tasso di trasmissione dati. Alcuni dei componenti di cui i progettisti di sistemi hanno bisogno in molte applicazioni sub-1 GHz rientrano nelle seguenti categorie:

Se stai sviluppando una soluzione personalizzata che può supportare una gamma di frequenze o protocolli possibili, come la radio definita dal software, avrai bisogno di alcuni componenti aggiuntivi per costruire il tuo front-end RF:

Quando hai bisogno di trovare componenti per il tuo prossimo design di sistema wireless sub-1 GHz, utilizza le funzionalità di ricerca avanzata e filtraggio in Octopart. Quando utilizzi il motore di ricerca elettronica di Octopart, avrai accesso ai dati aggiornati sui prezzi dei distributori, all'inventario dei componenti e alle specifiche dei componenti, ed è tutto liberamente accessibile in un'interfaccia user-friendly. Dai un'occhiata alla nostra pagina sui circuiti integrati per trovare i componenti di cui hai bisogno.

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