Tecnologia Wireless SPX

Vogliamo brevemente illustrarvi la particolare tecnologia “SPX” alla base delle performance dei trasmettitori e ricevitori RF.

LA TECNOLOGIA DI TRASMISSIONE AD IMPULSI SPX E LE SUE APPLICAZIONI
La trasmissione che utiliza brevi impulsi RF con tecniche di modulazione a posizione di impulso (PPM – Pulse Position Modulation) consente di mantenere una elevata potenza RF di picco (RF Peak Power), necessaria per l’affidabilità del collegamento radio, ma con una potenza media (Power Density) molto bassa e di conseguenza un assorbimento di corrente pure molto basso (dell’ordine di 200µA durante il periodo di trasmissione). L’immediato vantaggio, essenziale in molte applicazioni di sensori wireless, è di consentire l’utilizzo, come sorgenti di energia, di piccole batteria al litio o anche di sorgenti autonome o “Energy Scavenger”.
UN PRIMO ESEMPIO DI UTILIZZO DELLA TECNOLOGIA SPX
Le applicazioni dove la tecnologia “SPX” offre i maggiori vantaggi sono tipicamente reti di sensori “Wireless” monodirezionali dove un sensore o una moltitudine di sensori trasmettono allarmi e/o misure di grandezze fisiche basandosi su sorgenti autonome di energia. Una tipica applicazione è l’utilizzo di numero anche elevato di sensori alimentati ad esempio da una pila al litio CR1225, che trasmettono in continuazione ad un ricevitore (o a più ricevitori) allarmi o misure.

UN SECONDO ESEMPIO DI UTILIZZO DELLA TECNOLOGIA SPX
In questo caso il trasmettitore “SPX” è utilizzato come sistema RFID (Radio Frequency Identification) attivo , con emissione cadenzata anche su tempi molto brevi (ad esempio ogni 4 secondi) del codice identificativo e anche di altri parametri come ad esempio stato della batteria e misura di grandezze fisiche (temperature, allarmi etc etc).
E’ possibile realizzare sistemi di monitoraggio e di localizzazione di persone, merci o dispositivi vari in aree diverse utilizzando trasmettitori di dimensioni molto ridotte ed alimentati da batterie al litio CR1220 (38mA/h) con emissione ogni 4 secondi di un messaggio di 32 bit in 5 ms e con potenza di picco dell’impulso RF di +13 dBm (20mW). L’autonomia prevedibile è dell’ordine di 3-5 anni. Dispositivi di questo tipo con emissione di messaggi “RF” per anni sono irrealizzabili con modalità di trasmissione e di modulazione tradizionali

“DUTY-CYCLE” e TECNICHE NANO-POWER
Reti di sensori “Wireless” o in generale di trasmettitori operanti per anni con consumi estremamente bassi sono possibili con la tecnologia ad impulsi SPX: in pratica durante il periodo di trasmissione ciò che viene tenuto molto basso è il “Duty-Cycle” cioè il rapporto tra la durata effettiva della trasmissione (la somma totale del tempo di tutti gli impulsi trasmessi) e la durata del messaggio.
E’ naturalmente anche molto importante il consumo del microcontrollore durante i periodi tra successive trasmissioni, in pratica la corrente assorbita in “Sleep” e con attivo soltanto l’orologio interno (VLO – Very Low Power LF Oscillator) e la somma di tutte le correnti di fuga (Leakage current) dei componenti.
L’assorbimento di corrente nella fase quiescente è anzi, nella maggior parte delle applicazioni, la parte preponderante (anche più del 95%) del consumo energetico totale.
Nel computo del consumo energetico una parte importante hanno anche la strategia della distribuzione temporale dei periodi di trasmissione e , nel caso di sensori di grandezze fisiche (quali temperatura, pressione etc etc) o di allarmi (contatti On-Off , soglie di tensione etc etc), il Duty-Cycle del tempo di misura e campionamento di queste misure.

Si possono quindi distinguere tre tipi diversi di “Duty-Cycle”:

1)     “Duty-Cycle” del trasmettitore “SPX”
Come già detto è il rapporto tra la somma totale del tempo di tutti gli impulsi costituenti il messaggio e la durata del messaggio stesso.
Nel caso del modulo SPT17S3 opportunamente programmato, il messaggio è formato da 34 impulsi di 3 microsecondi ed ha una durata di 10ms: il “Duty-Cycle” è quindi 34 x 3 /10.000 = 1/100.
La corrente di picco è di 30mA e media di 25mA (il picco RF ha forma Gaussiana) quindi la corrente media assorbita dal Tx durante la trasmissione è di 25/100 mA = 250 µA.
A questa corrente va aggiunto quanto assorbito dal microcontrollore e si arriva a circa 450 µA.
Questa è la corrente assorbita per i 10 ms di durata del messaggio e per erogare all’antenna una potenza di picco di oltre +14 dBm (25mW).
La potenza radiata (ERP) dipende poi dalla resa dell’antenna che per il caso della antenna utilizzata nella evaluation board è di -6 dB rispetto al dipolo.

2)     “Duty-Cycle” della temporizzazione delle trasmissioni
Per diminuire al minimo il consumo energetico totale è importante ridurre il numero dei periodi di trasmissione e questo anche per ridurre le probabilità di collisioni e minimizzare l’inquinamento elettromagnetico.
Nel caso ad esempio del modulo SPT17S3 , predisposto il modo di funzionamento con trasmissione ogni 3 minuti (selettori S1 e S2 in posizione B), il “Duty-Cycle” risulta essere il rapporto tra il tempo di emissione (2 messaggi di 10 ms) e 3 minuti (180.000 ms) e cioè 1/9000.
L’assorbimento di corrente medio 24/24 ore è quindi pari a 450 µA/9000 = 50 nA e questo è il contributo apportato al computo totale dello “Energy budget” del sistema per quanto riguarda la trasmissione.
Questo valore è valido se le trasmissioni avvengono ogni 3 minuti con l’invio delle misure e dello stato degli ingressi “On-Off” insieme con lo “Stato in vita”, se avviene una variazione di questi dati lo SPT17S3 trasmette immediatamente la situazione nuova (entro 10 secondi) e questo può aumentare anche significativamente il consumo, che però rimane nella maggioranza delle applicazioni molto basso.

3)     Campionamento delle misure e allarmi
Sensori o reti di sensori wireless dove occorre minimizzare i consumi devono ricorrere a brevi campionamenti delle misure ripetute ad opportuni intervalli temporali.
Il campionamenti dello stato “On/off” di ingressi di allarme può essere effettuato dal microcontrollore in poche decine di microsecondi. Misure di grandezze analogiche quali tensioni, temperature, pressioni etc possono essere effettuate in tempi di 50-100 µs comprendendo i tempi di alimentazione e stabilizzazione del sistema di misura e la conversione A/D.