Moduli IoT (WiFi/Bluetooth)
(455)I dispositivi IoT (Internet of Things) sono per definizione circuiti elettronici con funzionalità di comunicazione. Nella stragrande maggioranza dei casi, utilizzeranno la trasmissione dati wireless, di solito con l'ausilio di standard globali come WiFi o Bluetooth. Affinché l'implementazione di tali soluzioni avvenga senza problemi, vengono quasi sempre utilizzati sistemi già pronti. Ciò è dovuto al fatto che la loro struttura richiede test approfonditi e un'architettura specifica: l'uso di un modulo di comunicazione preparato da un produttore specializzato è semplicemente la soluzione più economica ed efficace. Diamo un'occhiata all'offerta e alle caratteristiche di questi moduli.
Selezione e tipi di moduli di comunicazione
La suddivisione principale dei moduli di comunicazione può essere effettuata tenendo conto degli standard supportati o in base alla loro possibilità di programmazione. La prima caratteristica è ovvia: riguarda le tecnologie per cui il prodotto è stato predisposto. La seconda è legata alla struttura del modulo. Poiché una trasmissione dei dati stabile e sicura richiede una potenza di calcolo relativamente elevata, molti chip utilizzano microcontroller o circuiti SoC (System on Chip), che possono funzionare in modo indipendente, e persino controllare il funzionamento dell'intero circuito. In questi casi il modulo di comunicazione diventa la piattaforma su cui è progettato l'intero dispositivo. Questo si traduce in una semplificazione della fase di prototipazione e costruzione, accelerazione della produzione, e spesso anche riduzione dei costi.
Caratteristiche importanti dei moduli di comunicazione
Quando si sceglie un modulo per un'applicazione è necessario innanzitutto decidere il metodo di comunicazione più adatto alle esigenze del progetto: nel caso dei dispositivi IoT nel campo dell'elettronica di consumo e industriale, gli standard Bluetooth e WiFi sono quelli più comuni. Tuttavia va tenuto presente che queste non sono tecnologie omogenee.
Standard Bluetooth
Bluetooth è una tecnologia di comunicazione wireless e opera su frequenze aperte ISM (ing. industrial, scientific, and medical). Nelle versioni successive del protocollo Bluetooth (2.0, 3.0, fino alle iterazioni 5.x attualmente sviluppate) si tiene conto delle funzionalità richieste da un gruppo crescente di dispositivi: all'inizio si trattava di piccoli accessori per computer e telefoni cellulari (mouse, cuffie), mentre nel tempo è stato possibile costruire sistemi di comunicazione più avanzati, trasferimento dati più veloce, cooperazione di più dispositivi, supporto per reti con topologia mesh (la portata massima è stata estesa, il rilevamento delle periferiche è stato migliorato ed è stata migliorata la sicurezza della comunicazione). Forse il cambiamento più importante nell'ultimo decennio è stata la proliferazione del protocollo Bluetooth Low Energy (supportato dalle versioni 4.0 e successive).
Il protocollo Bluetooth Low Energy (Bluetooth BLE) utilizza una modulazione più semplice e, come suggerisce il nome, è stato sviluppato per costruire dispositivi a risparmio energetico, principalmente alimentati a batteria. La sua specifica definisce una serie di profili, ognuno dei quali è dedicato a un tipo specifico di dispositivo (navigazione GPS, misuratori di pressione sanguigna, bilance, HID, ossia Human Interface Device ecc.). In pratica, il profilo più comunemente usato è GATT, Generic Attribute Profile, che si basa sull'albero dei servizi (services) e sui i loro attributi. Il profilo definisce metodi chiari per leggere e modificare i valori inseriti negli attributi. Svolgono un ruolo simile ai registri del processore: servono semplicemente a far funzionare il dispositivo (modificandone le impostazioni, scambiando dati, ecc.).
Versioni WiFi
Il WiFi appartiene al set di standard IEEE 802.11 e specifica i protocolli wireless in termini di livello fisico e sottolivello di collegamento dati. In pratica, ciò significa che le versioni successive del WiFi determinano gli aspetti chiave della comunicazione: frequenze, numero e larghezza dei canali di trasmissione, velocità massima, ecc. Le versioni successive del WiFi sono contrassegnate con lettere che designano lo standard IEEE corrispondente: WiFi 1 è la lettera b, 2 - a, 3 - g, 4 - n, 5 - ac, 6 - ax. Le versioni sono retrocompatibili e la comunicazione avviene sulle bande 2,4 GHz e 5 GHz.
Poiché il WiFi viene utilizzato per connettersi a Internet, o almeno a una rete locale, i moduli di comunicazione che supportano questo protocollo offrono ai progettisti l'accesso a una trasmissione dati rapida e un'ampia adattabilità. Il livello applicativo utilizzato (HTTP, FTP, SSH, TLS/SSL, ecc.) dipende esclusivamente dal software di controllo del modulo.
Crittografia e sicurezza
Poiché la comunicazione wireless può essere monitorata da persone non autorizzate, i dati trasmessi devono essere protetti. I metodi di crittografia delle informazioni (prima di tutto AES si basano su operazioni matematiche complesse. Il loro supporto software di alto livello sarebbe inefficiente (ad e. consumerebbe una parte significativa della potenza di calcolo del microcontrollore che controlla il dispositivo), motivo per cui i moduli di comunicazione vengono implementati sistemi il cui unico scopo è crittografare e decrittografare le informazioni. Ciò si traduce in una maggiore sicurezza (poiché le chiavi di crittografia sono supportate dall'hardware e sono invisibili al software) e una comunicazione più rapida (i calcoli necessari vengono eseguiti da chip progettati appositamente per questo scopo specifico).
Interfaccia
I moduli di comunicazione utilizzano varie interfacce seriali, per garantire una comunicazione efficiente con l'unità di controllo. In questo caso vengono utilizzati gli standard più diffusi utilizzati nei dispositivi elettronici (I2C, SPI ecc.). Nel caso di prodotti basati su microcontroller che possono funzionare autonomamente (controllano il funzionamento dell'intero dispositivo), come ad es. la popolare serie ESP32, la specifica riporta in dettaglio non solo i protocolli utilizzati per controllare il modulo, ma anche altre porte di ingresso/uscita supportate da un determinato sistema. Questi possono essere, ad es. bus USB, interfacce GPIO, e persino trasduttori A/D Lo stesso vale per i moduli che supportano la trasmissione audio wireless: qui le caratteristiche includeranno uscita del convertitore D/A (per amplificatore audio) o porta I2S.
Antenne e uscite per antenna
La maggior parte dei moduli dispone di antenne integrate, realizzate in forma di elementi SMD e piste sul PCB. La comunicazione sulla frequenza 2.4/5GHz consente l'uso di radiatori compatti. Tuttavia, i progettisti spesso decidono di utilizzare un'antenna interna. Ciò può essere dovuto alla necessità di aumentare la portata del modulo o motivi di progettazione. Ad es. un sensore IoT che funziona sul campo può essere posizionato in un alloggiamento che scherma le onde elettromagnetiche; in questo caso, il progetto dovrebbe tenere conto della possibilità di condurre l'antenna all'esterno del corpo.
Altre caratteristiche importanti
Le specifiche di ciascun modulo di comunicazione contengono alcune informazioni chiave sul suo funzionamento. Prima di tutto, descrivono problemi elementari (tensione di alimentazione, dimensioni, tolleranza termica, metodi di montaggio, alloggiamento), ma anche altri dati dovrebbero essere presi in considerazione durante la scelta del modulo. Caratteristiche importanti possono essere la potenza del trasmettitore e la sensibilità del ricevitore (espressa in dBm, ossia una scala logaritmica che descrive la potenza in mW), così come la velocità di trasmissione (di solito non coincide con la velocità massima indicata in un determinato standard). Quando si considera l'utilizzo di moduli autonomi dotati di microcontroller programmabili, vale la pena tenere presente l'architettura di un determinato circuito, nonché la capacità della memoria integrata e Flash: nel caso di dispositivi più complessi, ad es. l'aggregazione di grandi quantità di dati, potrebbe risultare che questi parametri limitano significativamente le possibilità di progettazione. Infine: in alcune applicazioni un parametro molto importante dei moduli di comunicazione è il loro consumo energetico. Questo è il caso dei circuiti alimentati a batteria, mediante batterie ricaricabili o da fonti rinnovabili (es. celle fotovoltaiche). Questa caratteristica è solitamente riportata nel formato TX/RX, ossia compilando i valori dell'intensità di corrente richiesta per (rispettivamente) la trasmissione e la ricezione dei dati. Quest'ultimo numero, ovviamente, sarà inferiore, tuttavia va ricordato che in pratica la comunicazione Bluetooth e WiFi avviene sempre in due direzioni.
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