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Smart factory, le tre tecnologie wireless complementari

Nessuna tecnologia wireless è del tutto appropriata e sufficiente per la totalità delle applicazioni della prossima generazione di smart factory. Sarà dunque necessario adottare un mix di diverse tecnologie di connettività, dai cellulari ad elevata larghezza di banda con canali dedicati, al Wi-Fi e Bluetooth nelle bande senza licenza a LPWAN (Low Power Wide Area nNetwork) a minore larghezza di banda ed ampio raggio di copertura.

Le tre categorie di tecnologie wireless hanno ragioni diverse di esistere sebbene si rivolgano allo stesso settore. Ce lo spiega Mark Pegulu, Vice President Wireless LoRa and IoT di Semtech.

Il futuro di multi-Ran e 5G

Come prevede l’analista di mercato ABI Research, le connessioni LPWA totalmente non cellulari nel 2026 raggiungeranno quota 1,3 miliardi mentre, allo stesso tempo, le connessioni LPWA cellulari, che includono NB IoT, LTE M e 5G, raggiungeranno ben 1,5 miliardi di connessioni. Questi dati evidenziano la spinta verso i sistemi che utilizzano tecnologie multiple di radio access network (multi-RAN).

Tra tutti, svetta il requisito di affidabilità real time e dell’elevata larghezza di banda. Il 5G può fornire tutto ciò nelle applicazioni di factory automation, in particolare per video a bassa latenza con qualità garantita del servizio (QoS).

Marc Pegulu, Vice President Wireless LoRa and IoT di Semtech

Ogni applicazione in cui viene utilizzata l’analisi e il monitoraggio video sulla linea di produzione può utilizzare canali 5G dedicati che restituiscono dati al cloud senza il rischio di interferenze o pacchetti persi. Questa capacità di bassa latenza e tempo reale può essere fornita tramite reti private con una stazione base sul sito industriale che fornisce tutti i vantaggi della rete cellulare alle applicazioni di smart factory.

Il 5G è anche una tecnologia fondamentale per le telecamere di sicurezza dislocate intorno a un impianto, con un invio affidabile e in tempo reale di video al centro di controllo e per gli algoritmi di monitoraggio.

Man mano che le telecamere iniziano ad utilizzare il livello di risoluzione 4K per immagini più nitide, e di qualità superiore, i requisiti di larghezza di banda aumentano notevolmente e rapidamente. Il 5G è un modo efficace per fornire quelle immagini 4K, attraverso un canale sicuro.

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Le alternative a minor costo

NB IoT e Cat M sono opzioni cellulari a minor costo rispetto al 5G per dati mission-critical a bassa latenza ed un consumo inferiore. Possono fornire un canale garantito nella banda con licenza, ma presentano difficoltà rispetto a scalabilità,  roaming e durata della batteria, e l’implementazione può risultare costosa, limitandone di fatto l’uso ad applicazioni di alto valore piuttosto che a quelle con milioni di sensori.

Anche il Wi-Fi viene utilizzato per i video, ma spesso per un’elaborazione più locale, basata su server e da una telecamera locale. Il passaggio a WiFi6 e 6E nelle bande senza licenza da 5 GHz e ora da 6 GHz aiuta ad aprire la disponibilità di uno spettro più ampio per evitare contese che possono portare a pacchetti persi e velocità più basse.

Tuttavia, la portata è limitata e il consumo energetico può diventare piuttosto impegnativo.

I gateway programmabili combinano tecnologie al fine di offrire agli sviluppatori IoT industriali e ai progettisti di reti la massima flessibilità. Questi gateway combinano dati di navigazione satellitare GNSS,  Ethernet cablata, 2G, 3G, 4G LTE, Wi-Fi e Bluetooth/BLE con le funzionalità LPWAN LoRaWAN per un approccio a spettro completo.

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Reti LPWAN

La rete LPWAN, a bassissimo consumo, nelle bande sub-GHz senza licenza, è molto adatta ai sensori alimentati a batteria ed è perfetta per le funzioni di manutenzione e monitoraggio delle smart factory.

Ben consolidata con le utility energetiche nelle applicazioni di misurazione intelligente, la tecnologia sta monitorando infrastrutture critiche come valvole, rilevamento perdite di gas, tralicci elettrici e sottostazioni, nonché applicazioni di logistica. Ciò può includere il monitoraggio delle condizioni degli articoli trasportati, come ad esempio con il monitoraggio della catena del freddo.

Le implementazioni di contatori intelligenti costituiscono oggi la quota maggiore delle massicce implementazioni IoT, rappresentando oltre un terzo di tutte le connessioni IoT Wide Area Network (WAN) attivate nel 2019, afferma ABI Research1.

Le utility raccolgono ora più frequentemente i dati sull’elettricità dai contatori intelligenti, con intervalli che vanno da 5 a 15 minuti con una dimensione massima dei pacchetti di fino a 1.200 byte, cioè perfettamente adatti alle applicazioni LPWAN.

Nuovi protocolli come Device Language Message Specification (DLMS)/Companion Specification for Energy Metering (COSEM), che vengono ora richiesti, hanno iniziato a fare una certa pressione sulla larghezza di banda, ma la start up francese Acklio, ad esempio, ha sviluppato un modo per utilizzare molto efficientemente il protocollo nei contatori elettrici intelligenti, al fine di utilizzare al meglio il protocollo LoRaWAN.

La geolocalizzazione è una funzionalità chiave che è stata aggiunta ai sistemi LPWAN. Con tecnologie come LoRa Edge, la connettività LoRaWAN viene combinata con la scansione dei segnali di navigazione satellitare GNSS e degli hotspot Wi-Fi per raccogliere i dati della rete satellitare. Questi vengono quindi inviati al cloud per il calcolo al fine di determinare la posizione dell’asset tracciato.

Nella smart home, dove il Wi-Fi è ovunque, LPWAN viene utilizzato per connettere dispositivi finali più difficili da raggiungere perchè possono essere in soffitta o all’esterno, per esempio. LoRa, inoltre, è già utilizzata come connessione affidabile a ridotta larghezza di banda per i videocitofoni intelligenti, gestendo il monitoraggio, la messaggistica e la configurazione insieme ai dati video Wi-Fi con larghezza di banda più elevata e portata limitata.

L’aggiunta della funzionalità LoRaWAN alle reti esistenti crea un perimetro sufficientemente ampio intorno alla casa da creare una rete comunitaria.

Amazon Sidewalk

Questo è ciò che sta accadendo con il progetto Sidewalk di Amazon. Molte aree remote mancano di copertura cellulare, quindi LPWAN può estendere la copertura per reti di sensori a basso costo sul campo e utilizzare reti cellulari o persino satellitari come backhaul al Cloud.

Un esempio di questo è dato dalla rete Dryad. Questa utilizza una rete mesh LPWAN di rilevatori di fumo sistemati tra i boschi il cui fine è avvisare nel caso di incendi. La rete LPWAN si ricollega ad un accesso cellulare ai margini del bosco per fornire la messaggistica remota.

L’ampio raggio di copertura e il bassissimo consumo delle reti LPWAN sono essenziali per l’implementazione di milioni di sensori nell’Internet of Things come parte di un’implementazione scalabile di Industry 4.0. Tuttavia, queste implementazioni richiedono anche ulteriori collegamenti dedicati con larghezza di banda elevata e backhaul.

Wi-Fi, Bluetooth e Cellulare continueranno a coesistere con una gamma di tecnologie LPWAN.  Ogni tecnologia RAN continuerà ad innovare e ad innovarsi, conducendoci verso sempre nuovi casi d’uso e nuove applicazioni, contribuendo a costruire la fabbrica del futuro e l’Internet of Things.

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