Come supportare l’ecosistema IoT con il giusto modulo wireless

La rete di dispositivi IoT è in costante evoluzione e crescita, consentendo la connessione ai gateway e al cloud di un numero sempre crescente di nodi, spesso dotati di funzionalità avanzate di intelligenza artificiale. L’elemento chiave per raggiungere questi risultati è rappresentato dai moduli radio embedded, in grado di supportare ogni tipo di interfaccia o protocollo wireless, inclusa la tecnologia mobile di ultima generazione (5G).

I moduli per la comunicazione wireless hanno aggiunto la connettività ai dispositivi IoT e rappresentano un’importante risorsa per i progettisti, impegnati a sviluppare soluzioni commerciali su larga scala. La selezione del modulo wireless più adatto a soddisfare i requisiti di una specifica applicazione rappresenta una decisione cruciale, con impatti su consumo energetico, throughput della connessione, costi operativi e prestazioni del dispositivo. Non bisogna dimenticare che il modulo di comunicazione wireless riveste probabilmente il ruolo più importante e centrale in ogni progetto IoT, consentendo di inviare dati a distanza attraverso il cloud.

Ogni applicazione IoT richiede un opportuno processo decisionale relativo alla selezione del modulo wireless ottimale. In generale, occorre trovare il giusto compromesso tra assorbimento di potenza, costo, fattore di forma, luogo in cui il dispositivo sarà installato, normative applicabili e requisiti legati alla sicurezza. Gli smart meter, ad esempio, si trovano spesso ad operare in zone interne all’edificio e difficili da raggiungere, richiedendo pertanto un segnale indoor di elevata intensità. Altre applicazioni, come il monitoraggio delle risorse, assegnano una priorità maggiore alla disponibilità della rete globale, mentre applicazioni sensibili come la guida assistita richiedono valori di latenza estremamente ridotti, affidandosi a reti come LTE-Advanced e 5G per garantire che le decisioni più critiche per la guida e la sicurezza del veicolo possano essere assunte in tempo quasi reale.

Criteri di selezione di un modulo wireless

La criticità e il numero di requisiti legati alla connettività rendono la selezione del modulo di comunicazione uno degli aspetti più importanti nello sviluppo di un dispositivo IoT e nella sua successiva commercializzazione. I principali criteri sui quali basare la selezione del modulo sono i seguenti:

  • selezione della tecnologia di connettività più adatta a soddisfare i requisiti dell’applicazione. In questa fase è di fondamentale importanza tenere in considerazione non soltanto le esigenze presenti, ma anche quelle future che potrebbero nascere nel corso della vita utile dell’applicazione. Gli smart meter, ad esempio, sono progettati per un funzionamento continuativo almeno pari a dieci anni e, pertanto, potrebbero richiedere degli aggiornamenti firmware over-the-air (OTA) per introdurre nuove funzionalità o modifiche. Poiché alcune tecnologie (come la rete mobile 2G) sono già state dichiarate obsolete in alcuni paesi, occorre inoltre assicurarsi che la tecnologia selezionata rimanga disponibile anche nel futuro;
  • tenere in debita considerazione le differenze legate alla regionalità. Le singole nazioni spesso allocano diverse bande di frequenze alle reti cellulari e ciò richiede moduli diversi per garantire la connettività in ciascuna banda GSM. I progettisti devono pertanto valutare in quali mercati è probabile che un dispositivo venga utilizzato, non solo nel presente, ma anche in futuro;
  • assicurarsi che il modulo wireless e il dispositivo IoT finale superino le certificazioni richieste. La certificazione è un processo lungo e complesso, che deve essere considerato sin dalle fasi iniziali dello sviluppo del prodotto e non soltanto quando lo stesso è prossimo alla fase di commercializzazione.

I tre criteri precedentemente elencati consentono di affrontare le sfide comuni relative alla selezione dei dispositivi, ma si tratta in ogni caso di uno scenario complesso e ogni applicazione presenta requisiti unici.

I moduli wireless Quectel di Elstore

Tra i leader mondiali nello sviluppo e produzione di moduli wireless per sistemi embedded figura Quectel Wireless Solutions, i cui prodotti sono distribuiti in Italia da Elstore. Fondata a Shangai nel 2010, Quectel è diventata in pochi anni il principale fornitore globale di moduli conformi agli standard GSM/GPRS, UMTS/HSPA(+), LTE, LTE-A, LPWA e GNSS. I moduli prodotti Quectel sono largamente utilizzati in molteplici settori, tra cui: IoT, M2M, sistemi di pagamento intelligenti, telematica, trasporti, smart energy, smart cities, sicurezza, gateway wireless, apparecchiature industriali, dispositivi medicali, soluzioni per l’agricoltura e per il monitoraggio ambientale.

Le principali categorie di moduli wireless Quectel sono le seguenti:

  • moduli per rete cellulare/mobile
  • moduli multi-protocollo
  • moduli GPS
  • moduli RF
  • moduli WiFi

In Figura 1 è visibile il modulo L96-M33 di Quectel, un ricevitore multi-GNSS estremamente compatto dotato di antenna integrata. L’L96, dotato di 33 canali di tracking, 99 canali di acquisizione e 210 canali PRN, supporta la ricezione concorrente di fino a tre sistemi GNSS (GPS+GLONASS+Galileo). L’amplificatore a basso rumore integrato nel modulo consente di ottenere elevate prestazioni anche in presenza di segnale debole, mentre l’antenna integrata permette di ottenere una soluzione finale estremamente compatta. Grazie a una tecnologia AGPS proprietaria, il modulo è in grado di calcolare e predirre automaticamente le orbite dei satelliti utilizzando dati effemeridi memorizzati nella memoria flash. Ciò consente di eseguire rapidamente il fix della posizione, riducendo gli assorbimenti di potenza. Le elevate prestazioni del modulo lo rendono adatto ad applicazioni nei settori automotive, industriale e nell’elettronica di consumo.

Figura 1: il modulo L96-M33 di Quectel

Scenari applicativi dei moduli Quectel

Sebbene il numero di dispositivi IoT connessi non abbia raggiunto nel 2020 il valore inizialmente previsto dagli analisti, la sua crescita è continua, avviandosi verso la cifra di diversi miliardi di connessioni. Nel 2020, la pandemia di COVID-19 ha causato un temporaneo rallentamento nell’adozione delle soluzioni IoT, alla quale ha fatto tuttavia seguito un’accelerazione stimolata da nuove esigenze di comunicazione remota e di accesso al cloud.

Tra le funzionalità più innovative che richiedono sistemi di comunicazione wireless avanzati rientrano i servizi per l’assistenza alla guida (ADAS), i cui sviluppo e integrazione porteranno all’implementazione della guida autonoma. Soluzioni di questo tipo, attualmente in fase di sviluppo o test in diversi paesi mondiali, richiedono nuove tecnologie di rete con elevata ampiezza di banda, elevata velocità e bassa latenza, come ad esempio il 5G.

Un altro settore in rapida crescita è quello della mobilità elettrica (e-mobility), con diverse applicazioni già rilasciate, come il noleggio di biciclette e monopattini elettrici (Figura 2).

Figura 2: un e-scooter dotato di sistema di tracciamento remoto

Queste soluzioni utilizzano tipicamente moduli cellulari con funzionalità aggiuntive GPS/GNSS per consentire la localizzazione e il tracciamento del veicolo in modo estremamente accurato, anche nelle aree in cui il segnale della rete mobile è debole. Per rilevare e trasmettere a distanza la posizione di un veicolo, il modulo L96 potrebbe essere abbinato al modulo M95, visibile in Figura 3. Quest’ultimo è un modem Quad-band GSM e GPRS in grado di operare alle frequenze GSM 850 MHz, GSM 900 MHz, DCS 1800 MHz e PCS 1900 MHz. Il modulo supporta i protocolli TCP/UDP e HTTP attraverso la connessione GPRS dotata di trasferimento downlink e uplink con velocità fino a 85,6 kbps. Basato su un chipset MTK di ultima generazione, l’M95 ha dimensioni compatte (19,9 mm × 23,6 mm × 2,6 5mm), consumo di corrente ridottissimo e range di temperatura esteso. Grazie alla tecnologia a montaggio superficiale (SMD), il basso profilo e le dimensioni ridotte del package LCC, il modulo M95 è facilmente integrabile nelle applicazioni compatte che richiedno una connettività affidabile.

Figura 3: il modulo M95 di Quectel

La localizzazione delle risorse fisiche è un’altra applicazione essenziale soprattutto nella logistica, dove un numero sempre maggiore di catene di approvvigionamento complesse si affida alla connettività wireless per arrivare a tracciare la posizione di ogni singolo container, pallet o pacco. Ciò richiede soluzioni a basso costo basate su tecnologie con larghezza di banda ridotta, come NB-IoT o altre reti per la geolocalizzazione a bassa potenza (LPWAN). Le merci in transito e la flotta di veicoli possono oggi essere equipaggiate con moduli IoT compatibili con una gamma di sensori in grado di misurare e comunicare variazioni critiche di umidità e temperatura, o rilevare la presenza di danni.

I moduli Quectel distribuiti da Elstore supportano le applicazioni di tracciamento delle risorse attraverso le seguenti funzionalità:

  • posizionamento satellitare accurato tramite la tecnologia Izat di Qualcomm;
  • antenne MIMO in grado di ridurre gli errori e aumentare la velocità di trasmissione dei dati;
  • ampio intervallo di temperatura per garantire la conservazione dei beni anche negli ambienti più difficili;
  • compatibilità di rete con le versioni precedenti, per garantire la copertura in aree remote.

Tecnologie wireless a supporto dell’IoT

Una larga parte del settore IoT è alla ricerca di una soluzione “all-in-one” che offra copertura eccellente, affidabilità e sicurezza, offrendo allo stesso tempo vantaggi in termini di costi e tariffe con una copertura globale che consenta funzionalità di roaming e voce. LTE Categoria 1 (nota anche come LTE Cat-1, o semplicemente CAT-1) è una tecnologia che riunisce tutte queste caratteristiche di connettività indispensabili per l’IoT.

Il progressivo rilascio della rete 5G in diversi paesi sta rendendo questa tecnologia appetibile anche per il mercato IoT. Ciò dimostra come esista già una base significativa di mercati che offrono una copertura 5G disponibile per le applicazioni IoT.

Molte applicazioni IoT non hanno requisiti tali da giustificare le prestazioni e il costo offerti dalla connettività 5G. Per queste applicazioni, la larghezza di banda offerta dalle reti geografiche a bassa potenza (LPWAN), 3G e 4G/LTE, è ampiamente sufficiente per soddisfare le esigenze di trasmissione dei dati. Tuttavia, molti paesi stanno sostituendo le proprie reti cellulari 2G con reti NB-IoT, aprendo la porta a nuovi scenari applicativi. Narrowband-IoT è una tecnologia LPWA (Low Power Wide Area) basata su standard sviluppati per abilitare un’ampia gamma di nuovi dispositivi e servizi IoT. NB-IoT migliora significativamente il consumo energetico dei dispositivi e l’efficienza nell’utilizzo dello spettro di frequenze disponibili, in particolare per la copertura indoor. La durata della batteria, superiore a dieci anni, è una caratteristica che rende questa tecnologia particolarmente appetibile. La copertura estesa, la ridotta complessità dei dispositivi e il fatto che il costo iniziale dei moduli NB-IoT dovrebbe essere paragonabile a quello dei moduli GSM/GPRS, rappresentano vantaggi significativi per la diffusione di questa tecnologia. Inoltre, la tecnologia sottostante è comunque molto più semplice del GSM o del GPRS e si prevede che il costo di NB-IoT diminuirà rapidamente con il crescere della domanda, aprendo nuove opportunità di mercato.

Quectel offre un’ampia gamma di moduli in grado di supportare la tecnologia NB-IoT, come il B95-G (visibile in Figura 4), il quale fornisce una piattaforma flessibile e scalabile per la migrazione dalle reti GSM/GPRS alle reti NB-IoT.

Figura 4: il modulo B95-G di Quectel

Il modulo BC95-G supporta le bande di frequenze B1/B3/B8/B5/B20/B28, offrendo un consumo energetico estremamente basso. Il profilo ultracompatto (23,6 mm × 19,9 mm × 2,2 mm) e la compatibilità a livello di pinout e di fattore di forma con i moduli Quectel GSM/GPRS M95 e LPWA BC95, lo rendono una soluzione flessibile e scalabile per la migrazione dalla rete GSM/GPRS a quella NB-IoT.

Per maggiori informazioni sulle soluzioni Quectel contattate Elstore

Redazione Fare Elettronica