Gli ingegneri elettronici hanno a lungo considerato la progettazione di circuiti a radiofrequenza (RF) una sorta di arte oscura, da lasciare agli esperti. Un fattore che complica la progettazione RF è rappresentato dai componenti parassiti, spesso trascurati in fase di progettazione, che diventano più significativi alle alte frequenze. Nella progettazione di un PCB, è inoltre necessario considerare gli effetti delle linee di trasmissione, dei ritardi del segnale e delle riflessioni, nonché eventuali segnali parassiti che potrebbero interferire con le apparecchiature vicine. Gli ultimi ostacoli da superare sono la conformità ai protocolli e l'approvazione normativa. Per facilitare lo sviluppo del prodotto, sono disponibili moduli RF e prodotti System-in-Package (SiP) pre-certificati e dotati di tutte le funzionalità necessarie.

Consideriamo un tipico modulo wireless, composto da un ricetrasmettitore radio, un oscillatore a cristallo, circuiti RF e un'antenna su circuito stampato. Includerà anche un microcontrollore con firmware per implementare lo stack di protocolli. Inoltre, potrebbe disporre di funzioni integrate come la gestione dell'alimentazione e interfacce esterne. In genere, viene fornito con un kit di valutazione e sviluppo dedicato. I kit di sviluppo facilitano la valutazione iniziale del modulo wireless. Possono anche essere utilizzati come piattaforma di sviluppo software e per la realizzazione di una demo o di un prototipo. Tuttavia, rimane fondamentale comprendere i parametri che definiscono le prestazioni di una tecnologia wireless e la sua idoneità per una specifica applicazione. Ad esempio, alcune applicazioni richiedono elevate velocità di trasmissione dati o comunicazioni a lungo raggio, mentre altre sono più focalizzate sul basso consumo energetico.

Wifi

Il Wi-Fi è probabilmente lo standard wireless più conosciuto e diffuso in case e uffici grazie alla sua capacità di fornire accesso completo a dati ad alta velocità. La sua portata in ambienti interni è di circa 10-30 metri, limitata da ostacoli come i muri, ma all'aperto può raggiungere distanze superiori ai 100 metri. Gli attuali standard Wi-Fi utilizzano due frequenze radio: 2,4 GHz e 5 GHz. Lo standard a 2,4 GHz offre velocità di trasferimento dati fino a 600 Mbps. La banda di frequenza più alta può fornire velocità di trasferimento dati ancora maggiori, ma la sua portata è anche maggiormente limitata dalla presenza di ostacoli solidi. 

Il kit di abilitazione per dispositivi intelligenti Wi-Fi AC164165  è una piattaforma di dimostrazione e sviluppo Wi-Fi. Basato su un modulo compatto a banda singola da 2,4 GHz (ATWINC15x0), è ottimizzato per applicazioni IoT a basso consumo energetico. Il controller Wi-Fi è conforme agli standard IEEE 802.11b/g/n e il suo livello fisico avanzato (PHY) offre un'eccellente sensibilità e portata.

Figura 1: Kit di abilitazione per dispositivi smart Wi-Fi AC164165 (fonte: Microchip).

Oltre al microcontrollore e alle varie interfacce standard, la scheda madre include anche circuiti di gestione dell'alimentazione. Ad esempio, il controller di carica, per la gestione di batterie esterne agli ioni di litio o ai polimeri di litio, consente la prototipazione di dispositivi portatili. I sensori ambientali integrati per umidità, pressione e luce ambientale rappresentano un'ulteriore caratteristica.

 Il kit è pre-programmato per funzionare con Amazon Alexa, in quanto offre connettività cloud per semplificare la prototipazione. Gli sviluppatori possono utilizzare l'IDE Atmel Studio per personalizzare l'applicazione.

Rete Bluetooth

Utilizzato principalmente per comunicazioni a corto raggio, il Bluetooth sostituisce le connessioni cablate per dispositivi periferici come le stampanti. Rispetto al Wi-Fi, il Bluetooth consuma meno energia, ha una portata inferiore e una velocità di trasmissione dati massima di 1 o 2 Mbps. Tuttavia, con la recente introduzione dello standard Bluetooth 5, le capacità delle reti mesh hanno notevolmente ampliato la loro portata.

Figura 2: Diagramma di una rete mesh (fonte: Mouser Electronics).

Il kit di valutazione di rete Cypress EZ-BTviene utilizzato per valutare la propria rete Bluetooth e include quattro nodi Bluetooth completi che forniscono una rete semplice pronta all'uso. Se si desidera espandere la rete, è sufficiente aggiungere altri nodi.

Il modulo wireless si basa sul CYW20819, un dispositivo Bluetooth 5 dual-mode a basso consumo, e include un oscillatore a cristallo e un'antenna su circuito stampato. Dispone inoltre di periferiche ADC e PWM e di diverse interfacce seriali, tra cui un'interfaccia audio PCM/I2S. Ogni scheda madre del kit include anche interfacce USB e UART, un LED RGB e un interruttore configurabili via software, un sensore di luce ambientale, un termistore e un sensore di movimento PIR. Il suo basso consumo energetico rende questo modulo ideale per applicazioni alimentate a batteria, motivo per cui è presente un vano per batterie a bottone sulla scheda.

Figura 3: Caratteristiche della scheda nodo di rete Bluetooth (fonte: Cypress)).

Per facilitare lo sviluppo di soluzioni IoT, l'ambiente di sviluppo software ModusToolbox®^include un IDE, pacchetti di supporto per le schede, librerie middleware e un'ampia gamma di esempi di codice applicativo.

Z-Wave

Progettato principalmente per applicazioni di domotica, Z-Wave è un protocollo wireless a bassissimo consumo energetico. Trasmette piccole quantità di dati in modo intermittente ed è tipicamente alimentato da una batteria a bottone o tramite il recupero di energia. Come altre tecnologie wireless, Z-Wave utilizza una rete mesh per facilitare la comunicazione tra tutti i dispositivi ed estendere la portata.

Figura 4: Kit di avvio wireless Z-Wave 700 (fonte: Silicon Labs).

Il Z-Wave 700 Wireless Starter Kitè una piattaforma completa di valutazione e sviluppo. Contiene due schede madri principali con schede radio aggiuntive che includono il ricetrasmettitore RF, un oscillatore a cristallo e i componenti di supporto. La scheda radio può essere utilizzata anche come progetto di riferimento per ilZGM130S.

Ogni scheda madre è dotata di un'ampia gamma di interfacce esterne, tra cui Ethernet e USB, nonché di uno slot per schede microSD. Include inoltre un display LCD da 128x128 pixel, sensori di umidità e temperatura e un vano per batterie a bottone. È presente anche un connettore di espansione per schede aggiuntive, qualora si desideri integrare altro hardware. L'ambiente Simplicity Studio supporta lo sviluppo di software in un IDE standard del settore, con esempi applicativi e strumenti per la profilazione energetica, la configurazione e l'analisi delle reti wireless.

Internet delle cose a banda stretta (NB-IoT)

Infine, la tecnologia mobile LTE, o 4G, è ben nota nel settore della telefonia mobile. Lo standard IoT BE utilizza un sottoinsieme dell'LTE, limitando la larghezza di banda a 200 kHz per ridurre il consumo energetico per l'IoT e le applicazioni a basso consumo.

Il kit di prototipazione multisensore Nordic Semiconductor Thingy:91™è ideale per lo sviluppo di applicazioni IoT mobili a basso consumo. Basato sul SiP nRF9160, integra un front-end RF con un modem LTE-M/IdC BE multimode, rendendolo compatibile con Bluetooth, reti cellulari e GPS. Il kit dispone anche di un sistema di gestione dell'alimentazione integrato nella batteria ricaricabile ai polimeri di litio (Li-Po), risultando ideale per lo sviluppo di applicazioni portatili e alimentate a batteria. Include inoltre una notevole gamma di sensori ambientali (temperatura, umidità, qualità dell'aria e pressione, luce e colore), nonché due accelerometri, estremamente utili per la verifica di fattibilità e i test generali.

Figura 5: Kit di prototipazione multisensore Thingy:91™ (fonte: Nordic Semiconductor).

Conclusione    

Sono disponibili numerosi protocolli di comunicazione wireless. La scelta più appropriata dipenderà dai requisiti di ciascuna applicazione. Indipendentemente dallo standard scelto, esistono numerosi moduli e kit di sviluppo che possono aiutarvi ad avviare il progetto, accelerare lo sviluppo e ridurre i tempi di commercializzazione. Una volta creato il prototipo e completata la fase iniziale di sviluppo, è consigliabile utilizzare lo stesso modulo wireless anche nel prodotto finale per risparmiare tempo e risorse ingegneristiche.

Per maggiori informazioni su tutte le opzioni disponibili per lo sviluppo di applicazioni wireless, visita il sito web di Mouser all'indirizzo https://eu.mouser.com/.

Autore: Mark Patrick, Mouser Electronics