L’IoT (Internet of Things) o Internet delle cose promuove nuovi dispositivi e applicazioni intelligenti. Industria 4.0, monitoraggio medico, agricoltura intelligente e monitoraggio delle risorse sono solo alcuni esempi dell’enorme numero di potenziali applicazioni che l’IoT può offrire alla nostra società. Per connettere gli oggetti però, è necessario un dispositivo che sia in grado di trasmettere e ricevere dati da e verso ogni cosa: l’antenna. Virtual Antenna è una tecnologia multibanda per antenna che consente la connettività in piattaforme pronte all’uso grazie alla sua natura riconfigurabile. In questo articolo andremo ad analizzare le potenzialità di questa tecnologia.
Introduzione
Gli ingegneri di progettazione wireless coinvolti nella realizzazione di dispositivi IoT devono integrare l’antenna nei loro dispositivi accanto ad altri componenti a radiofrequenza come moduli, amplificatori e filtri. Pertanto, un’antenna dovrebbe essere abbastanza piccola da poter essere inserita nel piccolo spazio del dispositivo IoT. Allo stesso tempo, poiché lo spettro di frequenza per i dispositivi IoT è variegato, l’antenna dovrebbe essere multibanda.
Dal punto di vista della produzione, i progettisti wireless lavorano rapidamente nel lancio di nuovi dispositivi IoT sul mercato. Per questo nessun componente può essere un collo di bottiglia. Questo severo requisito rende la tecnologia Virtual Antenna attraente per soddisfare queste esigenze di avere un componente per antenna piccolo, multibanda e adatto alla produzione di massa.
La tecnologia Virtual Antenna (figura 1) consente la connessione wireless in tutto il mondo a uno dei più recenti moduli IoT intelligenti di monitoraggio: il Thingy: 91. Questa piattaforma di prototipazione IoT cellulare multi-sensore è costruita in un pacchetto pronto all’uso da 50 mm x 50 mm e incorpora, grazie a Virtual Antenna, sia il tracciamento cellulare che GPS nello stesso componente dell’antenna. Thingy: 91 è anche una piattaforma di prototipazione cellulare IoT molto facile da usare, è stata pensata per aiutire gli ingegneri wireless con il loro prossimo progetto IoT di tracciamento/sensore intelligente senza la necessità di costruire l’intero hardware dal principio. La posizione può essere trovata con la funzione GPS e la gamma globale di bande LTE fornite da TRIO mXTENDTM, controllando allo stesso tempo tutti i dati relativi all’ambiente e ai movimenti: temperatura, umidità, qualità dell’aria, pressione dell’aria o persino i dati della luce.
TRIO mXTENDTM & nRF91
Due componenti principali per il dispositivo per IoT cellulare Thingy: 91 sono il chip antenna TRIO mXTEND e il modulo nRF9160 (Figura 2).
Il componente chip antenna TRIO mXTEND è incaricato di trasmettere e ricevere segnali LTE e ricevere segnali GPS. Il componente chip antenna TRIO mXTEND è stato appositamente progettato per fornire il massimo livello di flessibilità cosi da operare in qualsiasi banda di frequenze richiesta all’interno di qualsiasi dispositivo wireless (Figura 2).
Il chip antenna TRIO mXTEND è in grado di operare con i principali standard di comunicazione mobile come LTE (698-960 MHz, 1710-2690 MHz e 3400-3800 MHz), con le principali bande wireless a corto raggio come Bluetooth e Wi-Fi (2400- 2500 MHz e 4900-5875 MHz), così come con i sistemi globali di navigazione satellitare come GPS, GLONASS e BeiDou (1561 MHz, 1575 MHz e 1598-1606 MHz) attraverso il medesimo componente antenna. TRIO mXTEND è dotato di 3 porte, in modo che i progettisti possano utilizzarlo in maniera flessibile per adattarlo a qualsiasi architettura wireless che comprenda fino a tre radio indipendenti (ad es. cellulare / GNSS / Bluetooth).
Il modulo nRF9160 è un System-in-Package per IoT cellulare a bassa potenza con integrati LTE-M, NB-IoT e GPS, e supporta bande LTE da 700 MHz a 2,2 GHz attraverso un singolo pin antenna con valore tipico 50 Ω. Presenta una potenza di uscita fino a 23 dBm e una sensibilità RX di -108 dBm per LTE-M e -114dBm per NB-IoT (modalità HD-FDD). Include un’interfaccia di controllo digitale MIPI RFFE (RF front-end) da 1,8 V e un’interfaccia di controllo MAGPIO per applicazioni RF esterne e un controllo RF per modem LTE con interfaccia esterna.
Il modulo nRF9160 fornisce interfacce digitali dedicate da 1,8 V per il controllo di applicazioni RF esterne, come i dispositivi di sintonizzazione dell’antenna: i pin di interfaccia MIPI RFFE sono VIO, SCLK, SDATA mentre i pin di interfaccia MAGPIO sono MAGPIO0, MAGPIO1, MAGPIO2. Il modem LTE guida queste uscite temporizzando accuratamente secondo la temporizzazioine del protocollo LTE in modo da configurare le impostazioni corrette del sintonizzatore dell’antenna a seconda della frequenza utilizzata. L’utente deve informare il modem LTE tramite le API del modem circa l’applicazione RF.
Applicazione mobile e GPS
Uno schema di adattamento riconfigurabile che combina il componente chip antenna TRIO mXTEND, il System-in-Package per IoT cellulare nRF91 e il QM12038 di Qorvo consente il funzionamento nella banda LTE (698 MHz fino a 2200 MHz) in combinazione con GPS a 1575 MHz.
Con questa architettura (figura 3), i progettisti hanno la libertà di ottimizzare individualmente le loro reti di adattamento nei loro dispositivi. Inoltre possono aggiornare i loro progetti per includere altre bande LTE non considerate, grazie alla natura multibanda della tecnologia Virtual Antenna.
La banda di frequenze cellulare operativa è controllata automaticamente dal modulo nRF9160 attraverso un’interfaccia GPIO. Tale interfaccia controlla gli switch SP8T Qorvo attraverso tre linee di controllo (CLT1-3). Nella figura 3 si possono notare sei reti di adattamento utilizzate per abbinare diverse bande di LTE e GPS. Per ciascuna banda, è stata inserita una semplice rete di adattamento di tipo L.
Nella sua configurazione di partenza, Thingy: 91 è stato ottimizzato per una piccola piattaforma seguendo linee guida e raccomandazioni generali. Tra queste vi sono: le dimensioni minime raccomandate del PCB (50mm x 50mm), il posizionamento del componente TRIO mXTEND vicino ad un angolo del PCB, etc. Per i dispositivi IoT con un fattore di forma diverso dal Nordic Thingy: 91, uno strumento RF chiamato Librerie[S] è comunque disponibile. Librarie[S] è uno strumento di progettazione fornito da Fractus Antennas per progettare l’antenna per un dispositivo wireless utilizzando qualsiasi software CAD RF standard come AWR Microsoft Office.
Thingy:91
Nordic Thingy: 91 è una piattaforma di prototipazione a batteria per l’IoT cellulare, certificato per il funzionamento globale. Integra il SiP nRF9160, supportando LTE-M, NB-IoT e GPS e un controller di scheda nRF52840, che supporta Bluetooth Low Energy e NFC. Il codice sorgente del firmware, il layout del hardware, e gli schemi sono tutti disponibili (Open) per gli ingegneri wireless che progettano dispositivi IoT.
È la piattaforma ideale per sviluppare rapidamente un prototipo per qualsiasi progetto IoT cellulare. Risulta soprattutto adatto a qualsiasi tipo di applicazione di tracciamento delle risorse. Ad esempio ricercando la posizione con il GPS integrato nel modulo SiP nRF9160 e effettuando l’analisi del movimento grazie agli accelerometri. Tra le applicazioni possibili possiamo evidenziare:
- Logistica e tracciamento delle risorse.
- Città smart.
- Agricoltura intelligente.
- Industria e manutenzione predittiva.
- Indossabili e medicale
È incluso un set completo di sensori per raccogliere dati sull’ambiente e il movimento del Nordic Thingy: 91. Dati come temperatura, umidità, qualità dell’aria, pressione dell’aria, colore e luminosità possono essere facilmente estratti per analisi locali o remote. Come input, il Nordic Thingy: 91 offre un pulsante programmabile dall’utente. L’output visivo si ottiene con LED RGB programmabili dall’utente, mentre un cicalino può fornire un segnale acustico.
Conclusioni
Virtual Antenna è una tecnologia dirompente di Fractus Antennas. Utilizzando componenti miniaturizzati, standardizzati e multibanda per antenna consente la connettività in piattaforme pronte all’uso grazie alla sua natura riconfigurabile. Virtual Antenna è pronta per kit di prototipazione come Thingy: 91 di Nordic Semiconductor, un kit di prototipazione mulit-sensore ideale per l’avvio di progetti IoT cellulari. Thingy: 91 con l’antenna integrata TRIO mXTEND aiuterà i progettisti IoT cellulari a sviluppare nuove applicazioni in modo rapido e semplice.
Riferimenti
“Virtual Antenna™ provides mobile and GPS connection in the Thingy:91 cellular IoT module” J. Anguera, A. Andújar, J. L. Leiva, Y. Cobo, J. Tønnessen, E. Rindalsholt, R. Brandsegg.
