Bluetooth “più forte” per il mondo industriale

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Introdotto quasi 20 anni anni fa come protocollo wireless essenzialmente per dispositivi consumer come i telefoni cellulari, Bluetooth è stato rapidamente e ampiamente adottato in un gran numero di applicazioni di controllo industriale

Mark Patrick
(Mouser Electronics)

Anche se pensato per il mondo consumer, diverse grandi aziende di apparecchiature industriali svilupparono sistemi basati su Bluetooth, poiché l’arrivo di un protocollo semplice da implementare e a basso costo aveva aperto nuove possibilità, come ad esempio il collegamento di sistemi di office automation ai controller industriali. Ciò permetteva ai primi di acquisire facilmente i dati di produzione senza la necessità di collegarsi ai bus di campo utilizzati per il controllo in tempo reale o aggiungere ulteriori cablaggi per supportare Ethernet. Gli operatori potevano facilmente eseguire interrogazioni circa lo stato del controller mediante computer palmari, nonché utilizzare un link per scaricare nuovi programmi sui controller.

Resistenza ai disturbi

Anche se l’ambiente industriale può essere ostile in termini di interferenze elettromagnetiche, il Bluetooth era stato progettato per gestire disturbi prodotti da interferenze o rumori (jamming) e altri problemi delle radiofrequenze. Il Bluetooth utilizza la tecnica FHSS (Frequency Hopping – Spread Spectrum – spettro espanso a salto di frequenza) per evitare interferenze a banda stretta (Fig. 1). Se un altro trasmettitore occupa un canale, il protocollo consente di passare su canali più liberi. Poiché il salto di frequenza è adattativo, esso è in grado di “sfuggire” alle numerose fonti di interferenza quando si presentano.
Grazie all’uso del salto di frequenza, Bluetooth può gestire in maniera agevole i molti numerosi ostacoli alla ricezione radio che possono essere presenti in un ambiente industriale. Le cancellazioni che sono imputabili alle riflessioni dalle superfici causeranno l’affievolimento (fading) in diverse posizioni spaziali per ciascun canale. Se l’affievolimento non è accettabile su un canale, il ricetrasmettitore Bluetooth può facilmente passare a un altro canale. In molti casi le riflessioni possono produrre segnali più forti di quelli previsti in alcuni canali, con conseguente miglioramento della ricezione complessiva.

Fig. 1 – Principio di funzionamento dello schema FHSS

Proseguendo nel suo percorso evolutivo, Bluetooth si proporrà come un protocollo wireless sempre più adatto per gli ambienti industriali. Allo stesso tempo, l’introduzione di dispositivi come la MCU wireless CC2540T di Texas Instruments, che supporta una gamma estesa di temperature, contribuirà a migliorare la compatibilità complessiva dei ricetrasmettitori Bluetooth con l’ambiente industriale.

Un protocollo flessibile

A differenza di molti protocolli di comunicazione tradizionali, Bluetooth supporta una topologia flessibile che facilita notevolmente l’installazione e l’implementazione. Nella sua forma originale, Bluetooth è caratterizzato da un range limitato rispetto ad altri protocolli che richiedono una maggior potenza come Wi-Fi. Ciò contribuisce a ridurre il consumo energetico complessivo, che rappresenta un notevole vantaggio per le applicazioni IoT (Internet of Things) nel settore industriale. L’apporto di modifiche e miglioramenti al protocollo permetterà di superare i limiti legati al range, consentendo di ampliare il panorama applicativo dei dispositivi basati su Bluetooth.
Ad esempio, i sensori ambientali alimentati a batteria possono essere installati in luoghi difficili da raggiungere con cavi di rete o bus di campo. L’uso di un protocollo wireless permette a questi sensori di comunicare con altri dispositivi all’interno della fabbrica e con i computer portatili o i tablet che gli operatori utilizzeranno per gestirli anche a distanze superiori rispetto alla normale portata di un trasmettitore Bluetooth.

Il Bluetooth Special Interest Group (SIG) ha annunciato una serie di miglioramenti al protocollo il cui rilascio è previsto nel corso del 2016. Uno di questi è una modifica che consentirà di aumentare la normale portata di trasmissione di un fattore pari a quattro. Un’estensione che migliorerà la ricezione del segnale di comunicazione su lunghe distanze, riducendo il bitrate (ovvero la velocità di trasmissione dati). Il protocollo è di natura adattiva, per cui i nodi più vicini possono utilizzare bitrate più elevati. I dispositivi più vicini tra di loro potranno utilizzare velocità di trasmissione di 2Mbit/s. Il supporto per le modalità di datarate avanzate è già previsto su alcuni device, come il SoC BCM20706 della famiglia WICED di Broadcom (la cui divisione IoT, compresa la linea WICED, è stata di recente acquisita da Cypress Semiconductor).

Fig. 2 – Esempio di rete mesh

Nei casi in cui gli utenti industriali decideranno di sfruttare i vantaggi dell’”intelligenza” ambientale, Bluetooth fornirà un’altra opzione per le comunicazioni su lungo raggio: il mesh networking (Fig. 2). La base per l’implementazione di questa modalità è stata posta con il rilascio della versione 4.1 della specifica Bluetooth.

Supportata da moduli come la famiglia Blue Giga Silicon Labs e ENW89846A-KF Panasonic, la versione 4.1 della specifica Bluetooth ha introdotto il concetto di Scatternet. L’approccio Piconet utilizzato dalla specifica di protocollo originale è basato su una configurazione master-slave tradizionale in cui un master collegato a livello logico a una serie di slave avvia la comunicazione. Questa soluzione è stata progettata per supportare la tipica implementazione di un dispositivo master, come ad esempio un telefono cellulare, che comunica con varie periferiche Bluetooth quali cuffie, microfoni e sensori indossabili.

Reti a maglia

Scatternet prevede la possibilità che un nodo master con una connessione logica a uno o più nodi slave possa essere anche uno slave di altri nodi. Questa capacità di scambiare la modalità master e slave consente al nodo di gestire la connettività multi-hop necessaria per le reti mesh.
Il mesh networking migliora sia la resilienza della rete – importante in ambito industriale – che il range di comunicazioni. Una rete mesh consente ai pacchetti di percorrere una grande distanza saltando da un nodo a un altro. Se un nodo che viene utilizzato per trasmettere i dati a un altro nodo non funziona, molto spesso può intervenire un terzo nodo come sostituto. Questo potrebbe essere il caso di un ambiente industriale in cui sono presenti un gran numero di controller e sensori. I sensori ubicati in posizioni di difficile accesso – come sul tetto di un magazzino o sulla sommità di una macchina per la stampa di grandi dimensioni – possono risultano quindi accessibili anche se alcune volte potrebbero risultare difficili da raggiungere da comunicazioni wireless dirette.
Il mesh networking mette a disposizione un’altra funzionalità che può essere utile in una rete industriale. Per inviare un messaggio a un certo numero di dispositivi su una rete IoT, un protocollo non mesh convenzionale chiede al master di inviare un messaggio a ciascun nodo ricevente. Una rete che supporta l’architettura mesh può utilizzare una tecnica definita ‘flooding’. Un dispositivo invierà un comando ai dispositivi vicini ad esso. Questi a loro volta trasmettono il messaggio ai loro vicini fino a quando tutti sono stati contattati.

Il problema della sicurezza
Sebbene sia utile la possibilità di rivolgersi a più dispositivi contemporaneamente, la sicurezza è un aspetto da tenere nella massima considerazione per tutti gli impianti industriali in cui è necessario proteggersi contro attacchi esterni che possono violare la rete o interrompere il funzionamento del sistema. Sebbene Bluetooth abbia sempre supportato la comunicazione sicura, richiede l’ausilio da parte di un microcontroller host. La versione 4.2 di Bluetooth, supportata da moduli come BM70 di Microchip Technology, ha rafforzato le funzioni di sicurezza del protocollo prevedendo che le stesse possano risiedere sul controller RF.
Se un dispositivo sicuro entra nel campo, non è necessario attivare il processore host, con conseguente riduzione del consumo energetico complessivo. Le impostazioni di sicurezza consentono di utilizzare i beacon in molti modi diversi per seguire i movimenti dei dispositivi nell’area di produzione e garantire un miglior monitoraggio delle attività.

Un beacon è un dispositivo che supporta Bluetooth in grado di interagire con altri dispositivi nel momento in cui entrano nel suo raggio d’azione. Con l’aggiornamento Bluetooth 4.2, un beacon può inviare messaggi solo a dispositivi che lo considerano sicuro. Gli aggiornamenti del protocollo consentono anche livelli di sicurezza successivi tali per cui i beacon possono inviare messaggi regolati in base ai diversi tipi di dispositivi che si presentano nel raggio di azione.
Questo garantisce agli sviluppatori un alto livello di granularità per creare applicazioni di asset-tracking.
TI, ad esempio, supporta la tecnologia beacon su una serie di dispositivi della propria gamma di controller Bluetooth CC25xx e ha presentato un progetto di riferimento di sola trasmissione basato sul CC2543 che utilizza pochissima energia. Quindi risulta conveniente utilizzare la tecnologia Bluetooth per supportare i tag di tracciatura “intelligenti”.

Con le modifiche al protocollo Bluetooth, i dispositivi possono anche interagire con device che utilizzano il protocollo wireless 6LowPAN. In qualità di tecnologia RF chiave per IoT, l’interoperabilità del Bluetooth con 6LowPAN ne estenderà le potenzialità, fungendo potenzialmente da connessione tra il bus di campo industriale principale e i nodi di sensori a basso costo che utilizzano 6LowPAN.

Inoltre, i moduli Panasonic e Silicon Labs consentono di integrare senza problemi la connettività wireless per Bluetooth Smart nelle apparecchiature esistenti attraverso il supporto di una varietà di standard I/O digitali, tra cui interfacce general-purpose per microcontroller e porte I2C, SPI o UART.
L’evoluzione del protocollo negli ultimi anni ha reso il Bluetooth una soluzione sempre più interessante per le comunicazioni industriali. Le modifiche al protocollo Bluetooth hanno migliorato la sicurezza, il consumo di energia e la velocità dei dati, con aggiunte che prevedono il supporto di comunicazioni mesh. Bluetooth si propone dunque come una scelta sempre più interessante per le applicazioni industriali.

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