SIGFOX, la rete wireless per IoT arriva in Italia


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Ebbene sì, SigFox arriva anche in Italia o, meglio, è già arrivata. Non solo. Attorno a questa tecnologia sta crescendo l’interesse da parte di aziende grandi e piccole, di system integrator, di tecnici e ingegneri elettronici, di semplici maker e di colossi dell’elettronica: ci riferiamo in quest’ultimo caso, ai produttori di semiconduttori del calibro di STMicroelectronics, di ON Semiconductor, di Atmel e di Texas Instruments che hanno deciso di aggiungere alla propria linea di prodotti per la connettività wireless circuiti integrati e moduli compatibili con questa tecnologia.

L’occasione per fare il punto su tutto quanto ruota attorno a SigFox è stata la manifestazione organizzato a Milano la prima settimana di febbraio da Arrow Electronics, marchio leader nella distribuzione di prodotti elettronici, servizi e soluzioni; già l’anno scorso, Arrow aveva promosso un evento analogo a Bologna, supportando in seguito, in collaborazione con Axel Elettronica, lo sviluppo e la nascita della board SmartEverything dotata di connettività SigFox (oltre a tantissime altre funzionalità, come vedremo meglio in seguito). Questa scheda, come hanno sottolineato in molti, è stata il “grimaldello” per testare, non appena è stato possibile, la connettività di rete SigFox e, soprattutto, per realizzare le prime applicazioni.

Per quanti non conoscono ancora questa tecnologia, ecco una breve sintesi.

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SigFox, una startup nata nel 2010 in Francia, ha messo a punto un sistema di trasmissione wireless operante sulle frequenze ISM in grado di coprire notevoli distanze (long-range) grazie alla elevatissima sensibilità del ricevitore che sfrutta la tecnologia Ultra Narrow Band. Anche i consumi energetici sono particolarmente ridotti in quanto il dispositivo remoto va in trasmissione per pochi secondi e per un massimo di 140 volte al giorno.

Nelle applicazioni IoT che utilizzano la banda ISM non è possibile aumentare la potenza del TX che, al contrario, deve essere la più bassa possibile e deve rientrare nei limiti stabiliti dalle normative vigenti. Da questo punto di vista potenze dell’ordine di 1-25 mW sulle frequenze sub-1 GHz sono accettabili. Con queste potenze e con una sensibilità standard del ricevitore dell’ordine di -110 dBm (garantita dalla tecnologia superrigenerativa o supereterodina), la portata, in ogni caso, non supera i 100-300 metri. La sensibilità di un ricevitore è fortemente influenzata dal rumore intrinseco del dispositivo e da quello presente nell’etere. Per incrementare in maniera significativa la sensibilità (e quindi la portata del sistema), negli ultimi anni sono stati fatti notevoli passi in avanti grazie all’impiego di due particolari tecnologie, quella denominata Spread Spectrum (utilizzata dai dispositivi Lo-Ra di Semtech) e quella Ultra Narrow Band di SigFox.

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Nel caso dell’UNB, il principale problema da risolvere risiede nella stabilità di frequenza dell’apparato mentre lo svantaggio è rappresentato dalla banda passante particolarmente bassa (nel caso della tecnologia SigFox i dati vengono trasmessi a 100 bit/secondo). Tuttavia, nelle applicazioni IoT, i messaggi sono molto brevi per cui, anche con questa velocità, possono essere inviati in pochi secondi. L’altro grande vantaggio risiede nella possibilità di gestire da parte di un singolo ricevitore un numero incredibilmente alto di trasmettitori senza che si verifichi alcuna collisione. Un ricevitore per base-station SigFox con tecnologia UNB integrata con Cognitive SDR garantisce una sensibilità di ben –140 dBm (a cui corrisponde una portata di circa 5-20 km) ed è in grado di gestire fino a 3 milioni di dispositivi remoti.

Sin dalla sua nascita la strategia di SigFox è stata quella di creare network in grado di gestire intere nazioni, lasciando a società partner la produzione dei dispositivi (chip e moduli) da utilizzare per realizzare i terminali e le applicazioni.

One Network A Billion dream” è lo slogan di SigFox che negli ultimi due anni, grazie anche ai fondi ricevuti (solo nel 2015 ha raccolto finanziamenti per 150 milioni di dollari), ha coperto con la propria rete intere nazioni e grandi città metropolitane.

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Reti semplici, economiche, scalabili e rapidamente implementabili. Utilizzando partner locali, SigFox ha coperto completamente Francia, Spagna, Olanda e Regno Unito e si sta rapidamente diffondendo in altre nazioni europee e in altri continenti.

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Per quanto riguarda l’Italia, Sigfox ha siglato a ottobre dello scorso anno un accordo con EI Towers, la principale società italiana nella gestione delle infrastrutture per Radio, TV e Telecomunicazioni. Con un parco torri di circa 3.000 unità (2.300 torri per broadcasting e più di 700 torri per TLC), EI Towers fornisce servizi integrati per le comunicazioni elettroniche a beneficio di operatori di rete del settore televisivo (i cosiddetti network operator), editori o consorzi di editori del settore radiofonico, operatori di rete del settore delle telecomunicazioni mobili ( GSM/UMTS/LTE), operatori wireless (WiFi/WiMax), enti di pubblica utilità e istituzioni governative. La rete EI Towers dispone di una dorsale in fibra ottica che si sviluppa su un percorso di oltre 6.000 km e di una infrastruttura satellitare basata su piattaforme di Up Link. Per questa nuova iniziativa in ambito Internet of Things, EI Towers ha costituito una nuova società – NETTROTTER – che si sta occupando in esclusiva di questo business realizzando una rete dedicata destinata all’IoT.

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La possibilità di avere a disposizione un’infrastruttura dedicata per dare connettività a qualsiasi oggetto fisico permette una moltitudine di opportunità, dalla ottimizzazione di processi esistenti,  fino alla creazione di business completamente nuovi. L’impiego di oggetti connessi non è certo una novità, ma la crescita del comparto sta accelerando rapidamente: si calcola che l’IoT genererà ricavi per 1200 miliardi entro il 2020 rispetto ai 200 miliardi di oggi. Gli oggetti collegati sono spesso molto semplici, isolati e funzionanti a batteria, con sensori che rilevano determinati eventi o informazioni una decina o un centinaio di volte al giorno e le inviano ad un sistema informatico centralizzato. Le informazioni possono riguardare qualsiasi cosa, dal consumo di energia, alla temperatura, umidità, posizione, presenze, dati sanitari e tanto altro ancora.

In questi mesi di attività, Nettrotter ha già creato una rete che è in grado di coprire circa il 20% della popolazione italiana, rete che si espanderà rapidamente sino (vedi grafici) a toccare l’80% del territorio entro la fine del 2016.

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Il modello di business introdotto anche nel nostro paese prevede la nascita di un ecosistema in grado di fornire prodotti e servizi in qualsiasi ambito. Attività che possono naturalmente essere mutuate da aziende di altri paesi dal momento che le caratteristiche della rete e dei dispositivi sono identiche. Come si vede nelle illustrazioni, esistono o stanno per decollare applicazioni per il controllo ambientale (Libelium e NexMachina), in quello del metering (Connit), nell’home automation (Z#bre) e per il controllo remoto di veicoli e imbarcazioni (Dokensip).

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Chiunque abbia esigenze in questo ambito (ma anche in tantissimi altri) ha già a disposizione gli strumenti adatti (dispositivi, piattaforma e rete); si tratta solo di realizzare l’applicativo adatto alle proprie necessità.

Per quanto riguarda i costi del servizio offerto da Nettrotter, si va da qualche euro (per dispositivo/anno) per reti con migliaia di dispositivi, fino ai 14 euro per il singolo device (sempre per anno).

Rimanendo in questo ambito, sono stati rese note le tariffe per ottenere la certificazione “Sigfox Ready” di un nuovo apparato da connettere alla rete: 2.500 Euro se si tratta di un dispositivo che utilizza un modulo o un SoC già certificato, mentre negli altri casi il costo può raggiungere i 10 mila euro. Naturalmente del dispositivo certificato “Sigfox Ready” potranno essere prodotti migliaia o centinaia di migliaia di pezzi. La certificazione riguarda esclusivamente la compatibilità alla rete SigFox, il dispositivo dovrà poi avere tutte le altre certificazioni previste dalle normative vigenti, in relazione alle proprie caratteristiche (CE, sicurezza, ecc.).

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L’evento di Milano organizzato da Arrow Electronics ha offerto anche l’opportunità di fare il punto sul supporto alla tecnologia SigFox da parte delle Case di semiconduttori e dei fornitori di sistemi di sviluppo.

Giovanni Fontana ha descritto le linee di sviluppo di Atmel in questo ambito (Atmel è stato uno dei primi fornitori di silicio a credere in questa tecnologia e a collaborare con SigFox), con prodotti appositamente dedicati alla tecnologia Ultra Narrow Band di SigFox basati sul SoC integrato ATA8520, una “modem solution” on-chip con stack protocol SigFox integrato, disponibile nelle versioni solo transmitter o transceiver, sia per il mercato europeo (868 MHz) che per quello statunitense (902 MHz).

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La produzione in volumi di questi chip è prevista entro il primo semestre 2016, così come quella dei campioni dei moduli (molto più semplici da utilizzare) che saranno disponibili per entrambi i mercati. Atmel offrirà anche degli Application Tools in classe 0 forniti in abbinamento ad un abbonamento SigFox Platinum valido per un anno: sicuramente la soluzione ideale per quanti vogliono sviluppare rapidamente proprie applicazioni.  Prossimamente, infine, Atmel fornirà a SigFox dei nuovi Evaluation Kit commercializzati direttamente dalla società francese e forniti anch’essi con l’abbonamento al servizio per un anno.

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In conclusione, restiamo in attesa di scoprire quali implicazioni avrà la recente acquisizione di Atmel da parte di Microchip Technology, società da tempo impegnata in ambito wireless Long Range per IoT ma con la tecnologia concorrente (o complementare, a seconda dell’interpretazione) LoRa di Semtech; tra l’altro proprio Microchip è uno dei fondatori della LoRa Alliance. Segnaliamo anche la disponibilità di una completa sezione del sito di Atmel dedicata al devices ATA8520 (www.atmel.com/devices/ATA8520.aspx).

In attesa dei nuovi SigFox EVKs, il prodotto che offre un approccio semplice e immediato alla rete SigFox resta il modulo SmartEverything prodotto da Axel Elettronica e sponsorizzato da Arrow, una board che consente di valutare il funzionamento di un numero incredibilmente alto di sensori, e che può essere programmato con l’IDE di Arduino o con la piattaforma Atmel Studio.

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Il micro utilizzato nella board al quale fanno capo tutte le funzionalità è infatti un Atmel SAM D21; sempre Atmel fornisce il motore per la crittografia, un ATSHA204A. La connettività SigFox è garantita da un modulo Telit LE51-868S; della stessa Casa è anche il modulo per la localizzazione GPS/GNSS presente sulla board, un Jupiter SE868-A con antenna integrata in grado di ricevere i segnali delle costellazioni GPS, QGSS, Glonass e ora anche Galileo. Questa scheda, nella versione attuale e in quella 2.0 che sarà disponibile a breve, utilizza quattro sensori STMicroelectronics  (un modulo inerziale iNEMO a 9 assi, un sensore di pressione MEMS, un Light Sensor per prossimità e ambiente VL6180X e un sensore di umidità e temperatura HTS221), un TAG NFC per lettura/scrittura NT3H1101FHK completo di antenna di NXP Semiconductor, un ricetrasmettitore Blutooth Low Energy di TDK (basato sul chip CC2541 di TI) nonché circuiti integrati per la gestione dell’energia forniti da Linear Technology.

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Insomma, a parte la connettività SigFox, un interessante sistema per valutare il funzionamento dei più recenti circuiti integrati disponibili in commercio, e per realizzare varie applicazioni in differenti ambiti sfruttando la presenza dei tanti sensori disponibili (ad esempio, utilizzando la connessione SigFox e i sensori ambientali, potremo realizzare un sistema real-time di monitoraggio delle condizioni atmosferiche o ambientali di una specifica area).

Paolo Scannaffio ha presentato le soluzioni Texas Instruments per questa tecnologia con i prodotti attualmente disponibile e quelli in arrivo. I più recenti prodotti TI per la connettività wireless sono quelli delle famiglie WiLink e, soprattutto, SimpleLink, con tre categorie di soluzioni, dagli Smart RF transceivers (solo radio RF) ai Wireless Network Processors (RF + stack) fino ai più recenti Wireless microcontrollers che integrano, in un solo chip, la sezione RF, lo stack e un microcontrollore che gestisce l’intera applicazione.

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Attualmente la soluzione SigFox di TI per il mercato europeo è composta da una MCU ultra-low-power MSP430 che gestisce il protocollo e un chip RF CC1125; la versione per il mercato statunitense, dove è possibile utilizzare potenze superiori, comprende anche un amplificatore RF CC1190.

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Con questi elementi – nella forma di LaunchPad – è già disponibile un Development Kit sia per il mercato Europeo che per quello USA. Texas Instruments  fornisce anche un Reference Design con questi componenti per realizzare dei moduli compatibili SigFox, così come hanno già fatto Telit, Adeunis e Radiocrafts. TI ha anche diffuso un video in Internet nel quale mostra i risultati raggiunti, in termini di portata,  con le proprie soluzioni: ben 114 Km con il set per il mercato USA e 25 Km con quello per il mercato europeo.

Per comprendere fino in fondo le potenzialità della rete SigFox bisogna considerare che questi risultati sono stati realizzati con i ricevitori per dispositivi remoti che presentano una sensibilità di circa -126 dBm mentre le base-station UNB della rete SigFox utilizzano ricevitori molto più performanti, con sensibilità fino a -142 dBm. Anche se non è stato annunciato ufficialmente, TI si prepara a fornire soluzioni Wireless microcontrollers per questa tecnologia, con chip che integreranno la sezione radio, lo stack SigFox e il microcontroller di gestione.

Soluzioni simili sono state annunciate da STMicroelectronics con il dispositivo sub-1 GHz S2-SP, un minuscolo chip da 4×4 millimetri con sensibilità di -130 dBm, da ON Semiconductor con un Soc frutto della recente acquisizione di AXSEM e da Silicon Labs col chip EZR32 a bassissimo consumo che verrà utilizzato anche per la realizzazione di moduli.

Sicuramente anche STMicroelectronics utilizzerà il nuovo chip per realizzare specifici moduli, così come ha già fatto col chip SP-1, proponendo anche soluzioni di sviluppo basate sulla piattaforma Nucleo.

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Per quanto riguarda ON Semiconductor, l’acquisizione di AXSEM AG ha consentito alla società di Phoenix di inserire a catalogo i dispositivi AX-Sigfox e AX-Sigfox-API che rappresentano soluzioni a singolo chip per realizzare nodi di rete SigFox; il dispositivo AX-Sigfox è già  programmato e può funzionare immediatamente, mentre il chip AX-Sigfox-API permette di aggiungere il proprio software personalizzato. On Semiconductor propone anche un Reference Design per realizzare proprio hardware, così come una serie di moduli e Development Kit.

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Infine, ON Semiconductor presenta una serie di scenari relativi ai consumi dei propri chip e moduli, giungendo alla conclusione che comuni batterie possono garantire il funzionamento delle unità remote per 6,5 – 10 anni.

Anche Telit continuerà a supportare la connettività SigFox grazie ai moduli basati su chip di terze parti come il modello LE51-868S, uno dei primi disponibili sul mercato e proprio per questo, ad oggi, uno dei più utilizzati.

 

Arsenio Spadoni

Journalist, ElettronicaIn Publisher & Founder, Futura Elettronica Founder,

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