Internet of Things, una guida pratica 5

L'hardware - le reti LPWAN

Siamo arrivati all'ultimo appuntamento con la nostra Guida pratica all'Internet of Things. Per concludere la panoramica sulle tecnologie che possiamo utilizzare per connettere il nostro dispositivo alla rete, passeremo in esame le reti LPWAN.

Buona lettura!

Le reti LPWAN wireless (Low Power Wide Area Network) nascono dalla necessità di connettere i dispositivi a Internet contenendo notevolmente i consumi per applicazioni alimentate a batteria e riducendo i costi di gestione dei servizi offerti dagli operatori telefonici.  Le limitazioni messe in campo dallo standard pongono dei paletti sulle velocità di trasmissione dei dati in Upload e Download e sulla lunghezza e/o grandezza in termini di Byte del messaggio inviato o ricevuto verso l'esterno.  A differenza della rete mobile vista precedentemente, questa tipologia di reti permette di comunicare a bassa potenza e a lungo raggio sfruttando frequenze con e senza uso di licenza.

Questa tecnologia fonde il concetto di M2M e dell' IOT applicandosi a contesti critici per utilizzi innovativi. Trovandosi agli inizi della sua diffusione e avendo più concorrenti in campo che la utilizzano incontra però dei limiti riguardanti la copertura estesa del segnale sul territorio. 

Le reti LPWAN vengono utilizzate per fare da tramite fra l'oggetto IOT, dotato del suo modulo compatibile con tale tecnologia,  e la rete Internet,  utilizzando infrastrutture che convertono il dato in arrivo e lo reindirizzano verso la rete.  Attualmente le soluzioni radio che sfruttano tale standard sono molteplici, fra cui  Sigfox, LoRa, NB-IoT, LTE-M, EC-GSM-IoT; occorre perciò valutare la soluzione più adatta in base al proprio progetto. 

SIGFOX

sigfox

SIGFOX  opera sulla frequenza libera senza licenze di 868Mhz in Europa / ETSI e 915Mhz in USA / FCC e permette di trasmettere dati con una velocità massima di 100 bit/s  con una limitazione di lunghezza del messaggio pari a 12 byte, mentre in download  è più restrittiva, permettendo di ricevere un messaggio pari a 8 byte. Il numero di messaggi massimo che si possono inviare ogni giorno è di 140 mentre il massimo numero di messaggi in ricezione è di 4.

Un altro aspetto da tenere presente è l'operatore di riferimento a cui collegarsi: la tecnologia permette l'operatività di un solo operatore per il Paese di utilizzo, che predispone sul territorio le celle o i Gateway per la comunicazione tra i moduli SIGFOX presenti nel vostro progetto e Internet. 

È possibile valutare la copertura del segnale tramite questo link: https://www.sigfox.com/en/coverage. Tramite il sito è possibile visionare gli operatori disponibili e valutare un eventuale abbonamento per accedere ai servizi dedicati.  L'operatore è in stretta partnership con SIGFOX, perciò non è possibile utilizzare il servizio di radiofrequenza in altri modi o per uso privato. Di fatto SIGFOX ed i suoi operatori, offrono un servizio simile a quello degli operatori telefonici. 

LORA

Lora opera su diverse frequenze libere 868 Mhz per l'Europa, 915 Mhz per il nord America e 433 Mhz per l'Asia. Permette di trasmettere dati con una velocità da 0,3 a 50 kbps. Rispetto alla precedente, avendo una banda più ampia non ha particolari limiti di lunghezza nei messaggi: occorre restare all'interno dei 242 byte massimi per messaggio. Lora a differenza di SIGFOX è più aperta lato utilizzatore, infatti permette l'installazione dei gateway ad aziende o operatori terzi e privati, permettendo uno sviluppo in linea con la filosofia open

La copertura del segnale è verificabile tramite il sito https://www.thethingsnetwork.org/, che rappresenta una comunità di persone interessate a creare una rete globale per l'IOT.  Tuttavia, come già anticipato è possibile affidarsi a società esterne con le loro installazioni verificando sul loro sito la copertura di rete nella vostra zona. A differenza di altre soluzioni LORA implementa 6LoWPAN ovvero l'implementazione del protocollo IPv6 sulle reti personalizzate a bassa potenza.

lora

NB-IOT

NB-IOT, noto anche sotto il nome di LTE CAT NB1, è entrato di recente negli standard del 3GPP, noto gruppo di associazioni in ambito per le telecomunicazioni. E' una rete LPWAN operante nelle frequenze 700Mhz, 800Mhz e 900Mhz in base al Paese di utilizzo, che trasmette dati ad una velocità di circa 250 Kbps. In upload il massimo numero di byte che si può inviare è di circa 125 mentre in ricezione 85 byte. 

NB-IOT sfrutta le bande sotto licenza comunicando INBAND all'interno dell'area riservata per il normale traffico dati LTE, GUARD BAND agli estremi del segnale LTE non adibito al regolare traffico dati e STANDALONE all'interno delle portanti GSM.  NB-IOT, sviluppandosi con le tecnologie e infrastrutture preesistenti, dovrebbe implementarsi più rapidamente rispetto ad altre tecnologie. Gli operatori TIM e Vodafone sul territorio italiano stanno cominciando ad avviare i servizi commerciali per usufruire del servizio.

nb_iot

LTE-M e EC-GSM-IoT

LTE-M o LTE Cat-M1 è una tecnologia dello standard 3GPP che viene implementata direttamente all'interno delle reti LTE tramite un aggiornamento delle stazioni radio.  La tecnologia è simile a quella di NB-IOT con velocità di circa 375 Kbps, tuttavia ha una minore estensione in termini di copertura di segnale e un consumo più alto della batteria rispetto a NB-IOT.  Alcuni operatori come VERIZON negli Stati Uniti hanno già implementato tale tecnologia all'interno delle loro reti LTE.

EC-GSM-IoT anch'essa standard del 3GPP si implementa direttamente all'interno delle reti GSM/EDGE. E' stata pensata per quei paesi dove l'infrastruttura LTE è ancora in via di sviluppo. La velocità di trasmissione e ricezione dei dati si attesta intorno ai 240 Kbps.

 

Come abbiamo visto, attualmente le tecnologie radio LPWAN per l'IOT sono molte, ognuna con punti di forza e svantaggi, ma essendo relativamente nuove è ancora troppo presto per tirare le somme e prevedere quale prenderà più piede rispetto alle altre.  Non dimentichiamo che il 5G è alle porte e che fra qualche anno  potrebbe portare con se caratteristiche determinanti per il suo utilizzo in ambito IOT rendendola la scelta obbligata per qualunque progettista. 

Al momento, l'unico criterio di scelta è come sempre quello delle esigenze specifiche del nostro progetto: se il progetto I.O.T.  è pensato per un utilizzo indoor e/o outdoor, ovunque ci sia una connessione LPWAN  e per un uso fisso o portatile che richiede l'utilizzo di una batteria che duri anni, la tecnologia LPWAN  è la scelta più adatta.

Copertura di rete

Velocità e dimensione dati

Real Time

Portabilità

Infrastruttura

Consumi

Costi

Arduino

Arduino propone due schede di sviluppo per implementare la tecnologia SIGFOX o LORA all' interno dei progetti IOT. 

MKR WAN 1300 implementa un microcontrollore SAMD21 Cortex M0+ ed un modulo LoRa prodotto dalla Murata CMWX1ZZABZ.

MKR FOX 1200 implementa un microcontrollore SAMD21 Cortex M0+ ed un modulo SIGFOX prodotto dall’ATMEL/Microchip,  ATA8520.

Schema elettrico: https://www.arduino.cc/en/uploads/Main/MKRFox1200-schematic.pdf

Libreria: http://makers.sigfox.com/getting-started/

 

Ublox

Ublox propone diversi moduli LPWAN fra cui LTE CAT-M1 e NB-IOT: https://www.u-blox.com/en/lte-low-speed-nb-iot-modules

Tra questi, il modulo NB-IOT SARA-N200  comunicante verso le MCU tramite UART e mediante i comandi AT forniti dalla casa.

 

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