Flessibilità: la chiave per la connettività M2M

Se un dispositivo richiede connettività IoT in varie parti del mondo e se si desidera poter cambiare a piacimento i relativi provider e servizi, la flessibilità diviene un fattore essenziale. È un obiettivo non più così difficile da raggiungere, grazie allo shield Arduino per reti LPWAN realizzato da Avnet Silica.

di Christopher Young

Oltre a una moderna soluzione cloud e alla disponibilità di una certa potenza computazionale locale per pre-elaborare i dati e prendere decisioni, gli OEM che intendono offrire nuovi servizi IoT tramite la connessione di dispositivi e sensori hanno bisogno innanzitutto di una soluzione che garantisca comunicazioni sicure, a basso consumo ed economiche – da un capo all’altro del collegamento. Gli standard LTE Cat NB1 ed LTE Cat M1, in combinazione con EGPRS come riserva 2G, consentono agli sviluppatori di realizzare la prossima generazione di comunicazioni cellulari ‘da macchina a macchina’ (M2M) sfruttando le bande di radiofrequenza soggette a licenza d’uso e disponibili in tutto il mondo.

Lo standard LTE Cat NB1
Molte applicazioni IoT non richiedono né una banda molto larga né una connessione permanente, caratteristiche fornite dalle tecnologie 2G/3G/4G. Spesso, infatti, i dispositivi richiedono solo connessioni saltuarie per accedere alla rete e inviare piccoli pacchetti di dati. Ciò consente risparmi sui costi della connessione e sul consumo di energia, permettendo la realizzazione di soluzioni ottimizzate e poco onerose in termini energetici tali da permettere una durata delle batterie dell’ordine di anni. Lo standard wireless NB-IoT (LTE Cat NB1) è stato creato proprio a questo scopo. Offre una banda massima di 250 kbps e consente un numero elevato di connessioni per ciascuna stazione base. NB-IoT, inoltre, aumenta di 20 dB il link budget, il che – con la giusta infrastruttura – rende possibile ampliare la copertura della rete, migliorare l’immunità alle interferenze e la qualità di trasmissione, anche per collegamenti da locali sotterranei. Rispetto agli altri standard a basso consumo per le reti geografiche (LPWAN), lo standard NB-IoT consente di trasmettere una quantità di dati notevolmente maggiore e offre maggiore larghezza di banda, adattandosi pertanto a un numero di applicazioni molto più grande. Inoltre, generalmente NB-IoT non richiede di realizzare un’infrastruttura di stazioni base ad hoc, poiché può utilizzare le infrastrutture di rete cellulare già esistente. Per farlo, solitamente è sufficiente aggiornare il software delle stazioni base; soltanto alcune di esse richiederanno anche un upgrade dell’hardware, peraltro relativamente semplice da implementare. Per l’immediato futuro si prevede pertanto un’accelerazione esponenziale dell’impiego di NB-IoT da parte dei principali operatori di telefonia mobile. Questo standard può trovare applicazione in tutti i casi in cui altre soluzioni risultino insufficienti per la loro limitata capacità di trasmissione dati, come ad esempio la LPWAN di Sigfox, che può inviare ogni giorno verso il cloud 140 messaggi di 12 byte. Ma anche NB-IoT ha i suoi limiti.

L’aggiunta dello standard LTE Cat M1
Una valida alternativa a NB-IoT è rappresentata dallo standard LTE Cat M1, anch’esso come il primo messo a punto da 3GPP nella Release 13. LTE Cat M1 offre una velocità di trasmissione di picco ancora più alta, fino a 1 Mb/s full duplex, e consente di realizzare soluzioni mobili – cosa impossibile con NB-IoT poiché la rete dovrebbe stabilire una nuova connessione ad ogni cambio di cella. Cat M1 permette anche di usare lo standard Voice over LTE (VoLTE), che può essere interessante per applicazioni IoT quali l’assistenza medica a domicilio, i sistemi di allarme degli ascensori, il controllo accessi e assistenza remota per vari apparati, le biglietterie automatiche, i distributori automatici. La latenza di Cat M1, compresa tra 10 e 15 ms, è sensibilmente inferiore a quella di NB-IoT, che può variare da 1,6 a 10 s. Combinando queste due tecnologie con EGPRS come riserva 2G per le zone in cui NB-IoT non è ancora disponibile, è possibile realizzare schede di connettività multimodale che assicurano una copertura di rete estremamente ampia, adatte alle tantissime applicazioni che richiedono una lunga durata della batteria senza avere necessità di una costante connessione ad alta velocità.

Compatibilità opzionale con eUICC
Le applicazioni mobili M2M, soprattutto quelle diffuse in tutto il mondo, sono penalizzate dal fatto che la gestione delle SIM card può risultare estremamente complessa e causare un pesantissimo onere amministrativo. Gran parte di questo problema può tuttavia essere evitato utilizzando una tecnologia SIM compatibile con eUICC (Embedded Universal Integrated Circuit Card). La tecnologia eUICC – disponibile come opzione nella scheda sviluppata da Avnet Silica – rende riprogrammabili le SIM card, consentendo di cambiare i profili di nuovi operatori telefonia mobile (MNO o Mobile Network Operator) in qualunque momento e a distanza (‘over the air’). È quindi sempre possibile cambiare MNO e servizi, qualunque sia il motivo: ad esempio un cambiamento del commissioning, un trasferimento di proprietà, uno spostamento ecc. Nelle soluzioni globali, ciò rende possibile assicurarsi rapidamente le giuste tariffe scegliendo uno o più tra i venti principali operatori di rete a livello mondiale – i quali, secondo Vodafone, coprono già il novanta per cento dell’area interessata da applicazioni IoT e installare i profili MNO appropriati a seconda della collocazione del dispositivo. Purché, ovviamente, vengano effettuati i corrispondenti aggiornamenti di tutte le stazioni base. Un’altra opzione è l’impiego di operatori di rete virtuali (VNO o Virtual Network Operators,) presenti a livello globale, come Arkessa, soprattutto se si desidera avere un unico fornitore.

I vantaggi delle schede di espansione
Per ottenere quanto fin qui descritto, Avnet Silica ha sviluppato una scheda di espansione compatibile con Arduino (altrimenti detta shield). La scheda comprende le funzioni di connettività per i tre standard LTE Cat NB1, LTE Cat M1 ed EGPRS, e come opzione viene fornita la possibilità di avere SIM card comformi eUICC. Basata sulle specifiche Arduino Uno R3, la scheda è ideale per applicazioni industriali caratterizzate da lotti piccoli e medi o come punto di partenza per progetti personalizzati in grandi volumi. La standardizzazione del connettore Arduino consente ai progettisti di accedere a un grande varietà di componenti standard, in un ricco ecosistema comprendente schede con microcontrollori o processori d’applicazione e altri shield di espansione di Arduino. In pochi, semplici passi la scheda di Avnet Silica consente di assemblare gateway, dispositivi e sensori intelligenti IoT con connettività NB-IoT/Cat M1 basati sullo standard open-source Arduino. I vantaggi di questa standardizzazione comprendono non solo la possibilità di utilizzare hardware già disponibile in commercio (commercial-off-the-shelf, COTS) per evitare i costi NRE, ma anche l’indipendenza da uno specifico fornitore, apprezzata dagli OEM. Generalmente esiste un secondo fornitore capace di offrire una soluzione simile, il che favorisce la competizione e abbassa i costi di approvvigionamento. Inoltre un grande ecosistema open-source aumenta anche la sicurezza del progetto e assicura la disponibilità a lungo termine, proteggendo per molto tempo l’investimento dell’OEM.

La scheda di connettività multimodale
La nuova scheda di connettività multimodale realizzata da Avnet Silica è basata sul modulo Quectel BG96 e può utilizzare una varietà di protocolli: FTP/HTTP/MQTT, TLS e PPP/TCP/UDP. Oltre che per l’alta flessibilità, la scheda si caratterizza per il consumo energetico estremamente basso – assorbe circa 10 μA nella modalità a risparmio energetico – che si traduce in una lunghissima durata della batteria. La scheda offre anche un’opzione per integrare la funzione di geolocalizzazione sfruttando tutti gli standard più comuni, come GPS, GLONASS, BeiDou/Compass, Galileo e QZSS. Ciò consente di ottimizzare le attività di amministrazione e manutenzione senza dover acquistare altri shield Arduino per questa specifica funzione, che ormai è ‘di serie’ nelle applicazioni IoT più diffuse. La flessibilità della scheda è ulteriormente aumentata dal connettore Pmod, che può essere utilizzato in alternativa all’interfaccia propria degli shield Arduino.

Programmazione flessibile con ARM mbed
La scheda di Avnet Silica può funzionare con tutti i principali sistemi operativi, come Android, Linux e Windows. Il suo modem è controllato da una lista di comandi AT tramite interfacce UART o USB. La scheda presenta un proprio network stack, con supporto di protocolli crittografici SSL/TLS. Sono inoltre disponibili Client COAP e MQTT, basati sull’ecosistema ARM mbed. Ciò consente di utilizzare per diverse MCU – senza modifiche – le stesse librerie applicative, librerie di componenti e strumenti di sviluppo, rendendo portabile il codice sviluppato e riducendo i costi NRE. Il cuore della soluzione mbed è costituito dal sistema operativo in real time open-source CMSIS-RTOS RTX, collaudatissimo e ampiamente diffuso.

Lo ‘starter kit’ per la scheda di connettività multimodale
Avnet Silica fornisce agli OEM anche uno ‘starter kit’ comprendente tutti gli elementi necessari per valutare la nuova scheda di connettività multimodale. Il kit comprende la scheda dotata di sensori X-Nucleo e la scheda microcontrollore STM32 Nucleo-64, entrambe prodotte da STMicroelectronics. Anche la scheda STM32 Nucleo-64 è supportata dall’ambiente di sviluppo di Arduino, pertanto può utilizzare la grande maggioranza delle librerie di codice. Ma questo è solo un esempio delle possibili configurazioni personalizzate realizzabili con la scheda di connettività multimodale di Avnet Silica. È infatti disponibile una grande varietà di altre schede di sviluppo realizzate da produttori quali ST, Renesas, Microchip, Nordic e NXP. Avnet Silica ha già iniziato a tenere dimostrazioni per tutte le soluzioni basate sull’ecosistema ARM mbed, su ST CubeMX, sul framework cellulare Synergy di Renesas ecc. Sono disponibili anche implementazioni Linux per le piattaforme basate su application processors fabbricati da Microchip (SAMA5D2) e NXP (i.MX6ULL).

Il kit per il test eUICC specificamente rivolto alla scheda di connettività
Per consentire ai clienti di testare le funzioni riguardanti eUICC, Avnet Silica può fornire anche un test kit comprendente le necessarie SIM realizzato su misura per la nuova scheda di connettività multimodale. Insieme ad esso, Avnet può fornire agli OEM tutti i servizi necessari nel corso dell’intero ciclo di vita del prodotto, anche nel caso in cui la proprietà di quest’ultimo venga trasferita.
I servizi LifeCycle di Avnet comprendono, ad esempio, la possibilità di scaricare e scambiare profili secondo necessità e la gestione del collegamento di riserva EGPRS. Il kit ad oggi disponibile da Avnet Silica comprende sei SIM conformi a eUICC, quattro delle quali in formato 2FF (map) e due in formato MFF2 (component). Ogni SIM è pre-caricata con profili di test Vodafone e Arkessa e con un credito prepagato di 2×50 MB di traffico dati Vodafone e Arkessa utilizzabile in Europa. Questo credito è valido per tre mesi dopo l’attivazione, il che consente ai clienti di provare con calma la gestione della connettività Vodafone e Arkessa. Il prossimo passo di Avnet Silica sarà l’adattamento di questo kit per assicurarne l’interazione con la nuova scheda di connettività multimodale al fine di fornire una offerta completa.

Il collegamento al cloud per la prova della scheda
Naturalmente per la nuova scheda è stata predisposta anche una soluzione cloud per provare la connettività. I clienti possono utilizzare la piattaforma IoT IBM Cloud™ a cui poter collegare il dispositivo e analizzarne i dati in tempo reale. Ad esempio è possibile creare una regola per l’invio di un allarme all’interfaccia grafica dell‘utente e una email all’amministratore se il dispositivo stesso perde la connessione o se la sua temperatura supera una certa soglia Avnet Silica può anche offrire ai propri clienti un servizio di assistenza allo sviluppo dello loro specifica soluzione cloud tramite i suoi consulenti.

Chris Young è Embedded Systems and Software Specialist presso Avnet Silica

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