Grandi sfide dell’IoT e come superarle

L’europea EMBETECH lancia embeNET per ottimizzare le operazioni tra dispositivi

Fonte ST

Il problema da affrontare è l’assenza di uno standard diffuso in grado di connettere una miriade di dispositivi IoT in una rete mesh. È per questo che EMBETECH, società europea e membro del ST Partner Program, ha ideato embeNET, uno stack di rete basato su 6TiSCH.

Destinato ai sistemi embedded, embeNET utilizza le librerie C per ottimizzare le operazioni tra dispositivi che utilizzano microcontrollori Cortex. La tecnologia attualmente funziona sull’MCU wireless a 32 bit a lungo raggio STM32WL, ma è in arrivo un supporto per più MCU ST.

Gli sviluppatori utilizzano semplicemente le API sviluppate da EMBETECH per sfruttare le varie capacità del protocollo di rete. Pertanto, evitando così problemi di implementazione altamente complessi per concentrarsi sulla creazione di un’infrastruttura originale ed efficiente.

Perché l’efficienza energetica e le interferenze sono un problema?

Nel libro Internet of Things: Challenges and Opportunities, gli autori spiegano come le reti industriali si stiano muovendo sempre più verso tecnologie basate su IP. La tendenza è popolare perché si basa su concetti familiari mentre abilita molti dispositivi sulla stessa rete.

La sfida è che deve adattarsi a dispositivi a bassa potenza, il che significa che le radio non possono essere sempre accese. Lo standard deve anche occuparsi di interferenze e sbiadimenti dovuti a numerosi dispositivi che utilizzano la stessa frequenza per la comunicazione wireless.

La risposta è il protocollo IEEE802.15.4-2011 Medium Access Control (MAC) chiamato Timeslotted Channel Hopping (TSCH, pronunciato Tish).

Cos’è TSCH?

Come suggerisce il nome, TSCH si basa sulla sincronizzazione dell’ora. Lo standard definisce una “fascia oraria” come un’unità di tempo. La sua durata non è fissata dallo standard e può quindi variare.

In un momento specifico nell’intervallo di tempo, la rete invierà un pacchetto con componenti di temporizzazione e ogni nodo registrerà l’ora in cui ha ricevuto quel frame. Con queste informazioni, tutti i dispositivi possono sincronizzare il proprio orologio di rete, compensando così qualsiasi potenziale deriva.

Grazie a un contatore, ogni dispositivo può anche sapere quante fasce orarie ha attraversato la rete. Chiamato Absolute Slot Number (ASN), aumenta dopo ogni intervallo di tempo, utilizza un numero intero di cinque byte e può quindi durare centinaia di anni.

L’altro componente principale di TSCH riguarda il channel hopping, un meccanismo che consente a un dispositivo di cambiare le frequenze wireless. Per garantire che i nodi vicini utilizzino la stessa frequenza e possano quindi comunicare, lo standard utilizza l’ASN per calcolare un offset che determina quale frequenza utilizzare.

Poiché tutti i nodi beneficiano di una stretta sincronizzazione dell’ora e tutti conoscono l’ASN, il channel hopping diventa altamente affidabile. Tuttavia, in caso di trasmissione fallita, la ritrasmissione avverrà su una frequenza diversa. In effetti, la strategia ha più possibilità di successo che inviare nuovamente lo stesso pacchetto sulla stessa frequenza.

Perché TSCH è importante?

L’uso della sincronizzazione dell’ora significa che TSCH è uno standard wireless deterministico. Le trasmissioni avvengono con precisione, il che significa che i microcontrollori sanno quando accendere la radio e per quanto tempo, risparmiando così molta energia.

Il coordinamento nel tempo impedisce anche a un nodo di perdere pacchetti. Inoltre, il salto di canale consente l’utilizzo di tutti i canali disponibili per le radio sub-GHz e 2,4 GHz. Gli ingegneri possono quindi utilizzare molti dispositivi senza impantanare un canale, il che riduce il rischio di interferenze. Di conseguenza, TSCH apre le porte a massicce operazioni di ridimensionamento.

Che cos’è 6TiSCH?

In sostanza, 6TiSCH è una rete TSCH che utilizza una sottorete IPv6. Poiché il protocollo utilizza indirizzi a 128 bit, le aziende possono applicare un unico identificatore IPv6 per ciascun dispositivo senza timore di esaurirsi, anche in ambienti industriali di grandi dimensioni.

Dietro le quinte, 6TiSCH è abbastanza completo. Definisce come instradare e tracciare i pacchetti e implementa la qualità del servizio per dare priorità a determinati pacchetti e alle funzionalità di sicurezza, tra le altre cose.

In parole povere, l’IETF (Internet Engineering Task Force) ha concepito 6TiSCH per rispondere a un’ampia gamma di applicazioni. Che si tratti di città intelligenti, trasporti, edifici o fabbriche, 6TiSCH mira a risolvere le sfide inerenti alle reti mesh.

embeNET, La soluzione alla democratizzazione della rete mesh nell’Internet delle cose

Sebbene 6TiSCH risolva molti problemi che affliggono le reti mesh di dispositivi IoT, possiamo chiederci perché la tecnologia non sia già onnipresente.

Dopotutto, la prima mailing list IETF sull’argomento risale a gennaio 2013 e il libro del 2014 sopra menzionato delinea già i vantaggi e l’importanza della tecnologia. Tuttavia, molti ingegneri non sono ancora a conoscenza della sua esistenza o non hanno molta esperienza.

Il motivo è che, sebbene accademicamente affascinante, 6TiSCH è commercialmente difficile da implementare. Ed è ciò che embeNET tenta di risolvere offrendo un intero stack di rete con API per una maggiore facilità d’uso.

In che modo embeNET risolve la sfida dell’implementazione?

Le aziende spesso hanno difficoltà a implementare uno stack di rete 6TiSCH su un microcontrollore. Sebbene l’IETF abbia definito meccanismi rivolti ai dispositivi a bassa potenza, non offre soluzioni chiavi in ​​mano. Pertanto, EMBETECH ha adottato la tecnologia e ha migliorato le funzioni di pianificazione, ha garantito la stabilità in un ambiente industriale e ha ottimizzato lo stack di rete per i dispositivi con vincoli di risorse.

Con tutti i servizi abilitati, la libreria necessita solo di 100 KB di flash. Quindi, come esempio, prendiamo STM32WL, il primo MCU con un ricetrasmettitore LoRa multimodulazione integrato. In questo caso, i suoi 256 KB di spazio di archiviazione sono sufficienti per il firmware, i meccanismi di aggiornamento e l’applicazione.

Lo stack di rete utilizza anche la funzione hardware di ST. Ad esempio, utilizza le capacità di modulazione FSK/(G)FSK dell’STM32WL, il che semplifica il design generale.

Allo stesso modo, la libreria utilizza il nucleo crittografico di ST e il suo generatore di numeri reali per accelerare le operazioni crittografiche. Di conseguenza, embeNET può essere eseguito solo su uno dei core STM32WL.

Lo stack di rete può essere eseguito sullo stesso Arm® Cortex®-M4 dell’applicazione senza influire negativamente sulle prestazioni. In parole povere, gli sviluppatori godono di un elevato livello di ottimizzazione e possono facilmente riutilizzare il loro sistema su vari MCU STM32.

Ad esempio, una rete mesh di base per un’applicazione di contatori intelligenti che invia un pacchetto al giorno potrebbe utilizzare un STM32WL con batterie AA che durerebbe circa dieci anni.

Da dove iniziare

Gli sviluppatori possono iniziare a sperimentare con embeNET prendendo una scheda di sviluppo STM32WL come NUCLEO-WL55JC e scaricando il pacchetto software demo EMBETECH. Una versione di valutazione dello stack supporta fino a 10 nodi e tre salti di rete.

L’azienda offre anche documentazione per aiutare gli sviluppatori a iniziare. Inoltre, un software gateway viene eseguito sui PC dopo aver collegato una scheda STM32WL Nucleo-64 alla macchina per creare una rete virtuale. Infine, l’azienda fornisce una soluzione cloud per aiutare a elaborare i dati dai nodi sulla rete mesh.

(lo)

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