Errori di progettazione wireless

Con il potenziale di garantire risparmi energetici e sui costi operativi in ​​quasi tutti gli aspetti della produzione, compresi il trasporto e lo stoccaggio, si prevede che l’IIoT dell’internet delle cose industriale crescerà in modo esponenziale. La connettività wireless può accelerare l’adozione dell’IIoT grazie alla sua facilità di installazione, applicazione e riconfigurazione. Tuttavia, le argomentazioni contro l’uso del wireless nelle applicazioni IIoT si sono incentrate sulla sua affidabilità, basate principalmente sulle esperienze negative degli utenti. Tutto, dalle tastiere wireless agli aggregatori di dati, soffre di limitazioni di portata, con un singolo muro di cemento che a volte è il killer definitivo della portata! Affidabilità e sicurezza sono fondamentali per le comunicazioni wireless negli impianti industriali dove il guasto non è un'opzione.

Per fortuna, l’affidabilità delle comunicazioni wireless è notevolmente migliorata negli ultimi tempi. Progressi significativi nell’architettura di rete e nelle prestazioni RF hanno portato all’implementazione di innumerevoli dispositivi che utilizzano la comunicazione wireless a corto raggio in ambienti industriali difficili, come petrolio e gas e contatori elettrici intelligenti. Tuttavia, man mano che maturano, è facile presumere erroneamente che tutte le tecnologie wireless funzionino bene. Sebbene stia diventando sempre più semplice costruire prototipi di prodotti che comunichino in modalità wireless, le scarse prestazioni possono solitamente essere attribuite a una mancanza di esperienza e conoscenza da parte del progettista. I guasti possono essere evitati seguendo semplici linee guida di progettazione fin dall'inizio. In parole povere, la connessione wireless non funzionerà senza un’adeguata progettazione RF. È quasi impossibile affrontare tutte le possibili ragioni per cui un progetto RF potrebbe non funzionare, ma esaminando gli errori comuni commessi in precedenza, questi possono almeno essere evitati.

Forse il pezzo più critico in un sistema RF è l’antenna, il pezzo di metallo che proietta la radiazione elettromagnetica nell’aria. Affinché un prodotto RF funzioni al meglio, l'antenna deve essere dimensionata in modo che corrisponda alla frequenza dei segnali RF che trasmette/riceve ed essere posizionata dove possa irradiarsi liberamente e senza ostacoli. Un modulo RF con antenna incorporata deve essere posizionato sul bordo del PCB portante con un'apertura di terra. Per l'antenna valgono le seguenti linee guida:

I circuiti RF sono sensibili al rumore elettrico e magnetico. Il rumore elettrico può contenere armoniche ad alta frequenza, desensibilizzando il ricevitore RF, o può essere modulato e trasmesso dal trasmettitore RF, provocando emissioni fuori banda. Un circuito RF dovrebbe essere posizionato lontano da un sistema con CPU e bus di memoria ad alta velocità, poiché le armoniche prodotte dai segnali di clock veloci potrebbero anche desensibilizzare il ricevitore RF. Né i circuiti RF dovrebbero essere posizionati vicino a componenti di commutazione come Triac, alimentatori a commutazione o circuiti di controllo per motori elettrici. I transitori prodotti dalla commutazione di tensione possono essere trasmessi come impulsi dalla radio, desensibilizzando il ricevitore RF.

I dispositivi RF in genere passano da uno stato di consumo energetico molto basso, in cui il consumo di corrente è dell'ordine di microampere, a uno stato attivo, in cui il consumo di corrente tipico è dell'ordine di diversi milliampere. Se l'alimentatore (batteria) che alimenta il dispositivo RF non viene scelto correttamente, cambiamenti improvvisi nel consumo di corrente possono provocare cali di tensione, che possono far sì che il dispositivo RF si resetti e, quindi, non trasmetta correttamente. Se un circuito RF non è adeguatamente disaccoppiato e il livello di tensione di alimentazione è vicino alla soglia di ripristino, il circuito RF potrebbe essere ripristinato da cali di tensione durante le trasmissioni wireless.

Alcuni esempi di vita reale degli errori di cui sopra includono:

Antenna RF posizionata vicino al rumore — È stato implementato un gateway con una CPU ad alta velocità utilizzando due PCB: uno per il PCB della CPU e l'altro con un'antenna integrata posizionata accanto a un bus di memoria. La portata del prodotto risultante era di soli 2 metri circa. Una volta riprogettata, l'antenna è stata spostata lontano dal bus di memoria e il più lontano possibile dal PCB della CPU (dati i vincoli dell'involucro) e la portata del prodotto è aumentata a oltre 30 metri.