Internet of Things, una guida pratica 4

L'hardware - le reti mobili

Nel quarto capitolo della nostra Guida pratica all'Internet of Things prenderemo in esame le tecnologie di connessione basate sulla rete mobile (2G-3G-4G). Siete pronti a far comunicare il vostro dispositivo IOT?

Buona lettura!

Sul mercato sono presenti svariati moduli per connettere il vostro dispositivo alla rete mobile.

Questa ha il vantaggio di non essere direttamente collegata a un'infrastruttura o installazione strutturale ma di essere presente su tutto il territorio, con la possibilità di creare applicazioni portatili e senza vincoli di movimento.

Tuttavia, ha un costo maggiore, un consumo energetico più elevato ed una minore stabilità del segnale dovuta alla zona di utilizzo. Progettate il vostro dispositivo considerando la velocità di connessione che vi occorre, e analizzate la scelta tecnologica 2G-3G-4G in relazione all'operatore mobile e alla copertura di rete.  Per progetti ridotti, dove i dati sono rappresentati da stringhe di pochi byte, una soluzione 2G (GSM-GPRS) è sicuramente adatta, mentre per uno streaming video o progetti di una notevole consistenza potrebbe essere utile una connessione 4G (LTE) o in alternativa, data la scarsa copertura di rete di quest' ultima,  una soluzione 3G (UMTS-HSPA) potrebbe risolvere l'esigenza progettuale.

Di solito un modulo che si connette al 3G incorpora intrinsecamente la connessione 2G, stessa cosa per un modulo 4G che incorpora la possibilità di connettersi in 2G e 3G. Lo switching fra le tecnologie avviene in automatico in base alla copertura del segnale o tramite programmazione manuale.

reti mobile

Nei prossimi anni (si prevede sarà operativa verso il 2020), si assisterà alla nascita della connessione mobile di quinta generazione denominata 5G. Le aspettative sono molte: si parla infatti di una maggiore stabilità e di una copertura totale della rete con velocità nettamente superiori, nell'ordine dei 20 Gbit/s in download e 10Gbit/s in upload. Ovviamente i dati in bit/s come per l'immagine sopra indicata si riferiscono alla velocità massima raggiungibile.  Data la maggiore copertura e stabilità, nonché una velocità più prestante, possiamo pensare ad una maggiore integrazione dell’IOT in svariati ambiti, da dispositivi personali a dispositivi per l'industria connessi tramite rete mobile.

contro

Consumi

Stabilità

Costi

pro

Portabilità

Infrastruttura

Se il progetto I.O.T.  è pensato per un utilizzo indoor e/o outdoor ovunque ci sia una connessione mobile e per un uso fisso o portatile, la tecnologia di rete mobile è la scelta più adatta.

Occorre considerare ulteriormente degli aspetti tecnici legati al Paese dove il progetto IOT sarà utilizzato. I moduli per la connettività mobile si differenziano per macro aree geografiche oltre il quale non funzionano. Valutate la compatibilità del modulo: in genere le case produttrici producono diverse versioni dello stesso,  al fine di essere compatibili per l'Europa, l'Asia, l'America.  Tuttavia alcuni moduli sono compatibili in tutto il mondo, quindi fate attenzione alle specifiche prima di acquistarne uno.  Questa distinzione è dettata dalla variazione della banda di frequenza che varia da Paese a Paese. Facendo un esempio:

Un altro aspetto da considerare sono le SIM degli operatori mobili: i formati più conosciuti sono Mini, Micro e Nano, tuttavia vi è un altro formato denominato SIM ON CHIP (MFF).

sim dimensioni

sim on chip

Le dimensioni sono una variante fondamentale per applicazioni dove è richiesto un alto grado di miniaturizzazione; a tal proposito il formato SIM ON CHIP risulta sicuramente vincente oltre ad essere più adatto per un utilizzo industriale e più sicuro rispetto alle SIM tradizionali, dato che la SIM, una volta saldata all'hardware, non può essere sostituita o tolta facilmente.

Nei prossimi anni prenderà piede anche la tecnologia eSIM (eUICC), simile alle precedenti, ma con delle funzionalità aggiuntive dettate dai nuovi standard e dalle specifiche del GSMA.  Si potrà effettuare la programmazione della SIM da remoto via aerea (OTA-over the air) salvando i profili degli operatori esistenti ed utilizzandone uno a piacimento. Per sostituire l'operatore occorrerà riprogrammare semplicemente la SIM.

Un altro fattore da tenere in considerazione riguardo alle SIM è la distinzione fra SIM standard  e SIM M2M (machine to machine).

In breve le due SIM sono per lo più simili fra loro e adottano gli stessi standard visti precedentemente, ad eccezione di alcune caratteristiche. Le SIM M2M sono spesso usate in ambito IOT perché prevedono dei piani tariffari su misura, relativi alla sola connessione dati. In pratica si possono stipulare piani tariffari che partono da qualche centinaio di Kbyte mensili fino ad arrivare a diversi Gbyte mensili. Inoltre è possibile far assegnare alla SIM richiesta un IP pubblico statico per raggiungere il dispositivo contenente la SIM da una connessione remota. Queste SIM di solito vengono gestite tramite un portale WEB dove è possibile monitorare consumi, ricariche e altre caratteristiche.

Digi International

Digi International propone una famiglia di moduli per la connettività mobile 3G-4G

https://www.digi.com/products/xbee-rf-solutions/embedded-cellular-modems

Prendiamo come esempio il modulo DIGI XBEE CELLULAR 3G (global) con all'interno il chipset della Ublox Sara-U201.

 

Il formato THT proposto dalla Digi International permette di valutare velocemente e integrare in tempi brevi all'interno del proprio progetto le funzionalità proposte dal chipset Ublox.

Il modulo offre quindi una connettività 3G in HSUPA pari a 5.76 MB/s e in HSDPA pari a 7.2 MB/s rispettivamente HSPA in upload e download.  Il modulo è pensato per un utilizzo anche stand-alone senza l'ausilio di un microcontrollore esterno, vi è la possibilità inoltre di programmare il modulo  mediante micropython. E' possibile avviare la comunicazione con il modulo mediante UART per l'utilizzo delle modalità Atcommand, API frames e trasparent mode o tramite over the air (OTA). Il modulo inoltre può essere sempre programmato e valutato mediante il software XCTU fornito dall'azienda.

 

Guida: https://www.digi.com/resources/documentation/digidocs/PDFs/90001541.pdf

 

Arduino

Arduino propone uno shield con il modulo Quectel M10 che integra la connettività mobile 2G (GSM-GPRS). La comunicazione attraverso il modulo ed un microcontrollore esterno avviene mediante UART tramite i comandi AT.

Schema elettrico: https://www.arduino.cc/en/uploads/Main/Arduino-GSM-Shield2-Rev3.2-SCH.pdf

Libreria Arduino: https://www.arduino.cc/en/Reference/GSM

Tralasciando la scheda di sviluppo Arduino, Quectel propone diversi moduli IOT per le comunicazioni mobili: http://www.quectel.com/product/list/3GIoTModule.htm

Tra queste, l' LTE EC20-E che offre funzionalità di connessione 4G, 3G e 2G con velocità massime pari a 100Mbps in downlink e 50 Mbps in uplink.  Inoltre dispone di un’interfaccia WIFI SDIO che come visto precedentemente può servire per la connessione a controller WIFI esterni come il Quectel FC10. La casa produttrice del modulo mette a disposizione anche i driver necessari per il funzionamento sotto i più comuni sistemi operativi. In quest'ottica di ragionamento si può pensare ad un’applicazione tipo dove il controller WIFI gestisce l'access point per i dispositivi esterni mentre il modem fornisce la connessione mobile da e verso l'esterno. Ovviamente il modulo è programmabile mediante comandi AT tramite UART.

 

 

Arduino in alternativa propone la scheda di sviluppo MKR GSM 1400 basata sul modulo Sara-U201 della Ublox.  In questa scheda di sviluppo viene inoltre aggiunto un microcontrollore SAMD21 Cortex-M0.

 

Link: https://store.arduino.cc/mkr-gsm-1400

Adafruit

Adafruit propone la sua scheda di sviluppo FONA 3G cellular breakout con integrato il modulo SIM5320E della SIMcom, nota casa distribuitrice di moduli IOT.   Il modulo provvede ad aggiungere una connessione 3G  interfacciandosi mediante UART con i comandi AT al microcontrollore esterno.

 

Schema elettrico: https://cdn-learn.adafruit.com/assets/assets/000/027/324/original/adafruit_products_schem.png?1440185454

Libreria Arduino: https://github.com/adafruit/Adafruit_FONA_Library/archive/master.zip

Moduli SIMcom: http://simcomm2m.com/En/module/?type=23

 

Anche in questo caso l'azienda mette a disposizione i driver per la comunicazione con i sistemi operativi.

Questa panoramica mostra solo alcune delle board di sviluppo e dei moduli che il mercato mette a disposizione, ma vi invito a  visitare i siti delle case produttrici Ublox, SIMcom, Quectel e  Huawei M2M per rendervi conto dei molteplici moduli a disposizione per connettere il vostro oggetto alle reti mobili.

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