¡Obtuve el primer dispositivo @Sigfox IoT de 1 dólar!

Fuente: Disk_91

Esto ocurrió hace 2 años durante el primer evento de conexión de Sigfox: Christophe Fourtet estaba en el escenario abriendo una carta y esta acción disparaba un mensaje de Sigfox. Estaba anunciando el servicio del Almirante Ivory: una solución de $ 0.20 capaz de comunicarse en la red Sigfox. Desde esa fecha, el servicio Admiral Ivory acaba de ser una visión estratégica propuesta por Sigfox para un IoT futuro de bajo costo, lejos de la realidad cotidiana del fabricante de dispositivos. Lejos de los dispositivos mínimos de $ 10- $ 15 que producimos actualmente con su tarifa de suscripción anual de $ 2- $ 5.

¿Podemos imaginar que esta visión de dos años será realidad del próximo semestre?

Al estar en relación con el laboratorio de Sigfox, he vuelto con buenas noticias sobre cómo hacer realidad esta visión, veamos cómo va a ser posible.

¿DE QUÉ ESTAMOS HABLANDO?

La visión de Sigfox propuesta por Ludovic Le Moan hace dos años era una solución de hardware de muy bajo costo ($ 0.20) respaldada por una red más complaciente con la señal de radio emitida.

La idea detrás era hacer que la red Sigfox fuera capaz de aceptar señales de baja calidad de radio, provenientes de chips de costo ultra bajo. Esta es la fuerza de la red Sigfox: su diseño asimétrico permite mover la complejidad en el lado de la red para simplificar, una y otra vez, el diseño del lado del dispositivo.

Básicamente, la idea era utilizar el diseño de radio proveniente de grandes soluciones públicas como el control remoto para la puerta del garaje. Este dominio tiene una solución de radio alrededor del precio objetivo de $ 0.25 que permite la creación de dispositivos terminados en $ 1. El desafío es hacer que estos dispositivos sean capaces de generar una señal de radio compatible con Sigfox y que la red Sigfox sea capaz de soportar la comunicación proveniente de dichos dispositivos.

Hoy, estos son desafíos que están a pocas semanas de ser planteados.

CASOS DE USO

En los próximos meses será posible fabricar un dispositivo certificado por Sigfox de $ 1, todo incluido, MCU, radio, antena, batería y carcasa. 

Incluso si el objetivo de $ 1 todavía corresponde a un gran volumen, significa que puede hacer pequeñas cantidades por debajo de $ 2 … Un objeto completo para el precio del módulo de hoy.

Ahora es el momento de imaginar todos los nuevos casos de uso que podemos hacer con él … ¡y apresurarlos!

Cadena de suministro como objetivo inmediato
Hacer que un dispositivo IoT de $ 1 pueda informar 1 o 2 mensajes diferentes es un facilitador para las aplicaciones de la cadena de suministro: la solución Altas funciona bien con dispositivos de bajo costo para obtener una ubicación, como una ciudad, una instalación en asociación con burbujas o microestaciones . Un segundo tipo de mensaje puede informar un estado: abierto / cerrado, vertical / horizontal, temperatura correcta / incorrecta.

Como consecuencia, puede realizar un seguimiento del flujo de mercancías, supervisar el nivel de existencias incluso en el lado del cliente para su reordenamiento.

Cadena de trazabilidad como mercado de derivados
Derivados directamente de los casos de uso de la cadena de suministro, los casos de uso de trazabilidad son posibles para bienes de bajo valor, individualmente. Puede admitir diferentes estados, ubicación de registro, marca de tiempo asociada, identificar la operación en el producto.

Uso de bienes como área de innovación
El seguimiento de cualquier producto existente de la industria de bienes para tener información sobre su estado (producido, almacenado, distribuido, almacenado localmente, instalado en el cliente) es posible.

Ahora es posible realizar un seguimiento del buen uso por parte del usuario final informando acciones sobre él de forma transparente.

¿Qué más?
Muchos casos de uso no se enumeran aquí, el límite es su imaginación. Esta es solo una solución “sin costo” capaz de comunicarse en toda una zona como Europa sin configuración, sin fuente de energía … Esta es una demostración de lo que la tecnología puede ofrecer simplemente modificando algunos parámetros de red.

Sigfox, con tal evolución, quiere demostrar su capacidad de red para ser tolerante y evolutivo. Christophe Fourtet agregaría Cognitivo.

¿QUÉ HARDWARE SE PUEDE UTILIZAR PARA TAL DESAFÍO?

Ahora es el momento de comprender de dónde proviene esta nueva capacidad y por qué es accesible en este momento.

Un microcontrolador de muy bajo costo

El equipo de laboratorio de Sigfox retuvo una MCU de muy bajo costo que integra un módulo de radio. Esta solución integrada, utilizada en el control remoto de garaje, es un CMOSTEK CMT2189C. Este dispositivo solo cuesta $ 0.28 por 2500 piezas / $ 0.25 por 25K piezas de acuerdo con la cotización que obtuve. No necesita componentes laterales caros, como puede ver en el siguiente circuito. Este circuito es justo lo que necesita hacer para disparar un mensaje de Sigfox.

http://cmostek.com/download/CMT2189C.pdf

Este chip contiene una MCU basada en un 8b tipo PIC. Tiene 2KB flash, 256B EEPROM y 128B SRAM. Puede funcionar hasta 16MHz, pero Sigfox solo requiere una tasa de 2MHz para ahorrar energía. Su corriente de sueño es de aproximadamente 0.8uA. Cómo apoyar el protocolo Sigfox con una solución de este tipo es un desafío interesante que discutiremos en los próximos capítulos.

El MCU tiene 4 GPIO, no ADC, no I2C … Esta solución es básica, realmente básica según su costo.

Este chip también contiene un chip de radio, capaz de gestionar la transmisión de radio OOK, GFSK y FSK en 240Mhz a 960MHz. Tararear…. Sigfox es BPSK, ¡así que aquí hay un segundo desafío para ser manejado! Nada imposible para alguien que quiere reducir drásticamente sus costos.

http://cmostek.com/download/CMT2189C.pdf

Esta solución impondrá un primer compromiso: el dispositivo solo podrá vincular datos.

¿Cómo hackearlo para crear una señal compatible con Sigfox?

Este chip de bajo costo puede modular OOK, FSK y GFSK, pero la modulación de Sigfox es BPSK. Este es un desafío pero no un gran desafío. De hecho, este desafío ya se ha gestionado en el módulo de diseño de telecomunicaciones con una de las mejores calidades de radio para transmisión Sigfox que he visto.

OOK tiene una frecuencia para transmitir o no para obtener un 1 o un 0. FSK tiene dos frecuencias diferentes, cada una de ellas codifica un 1 o un 0. Pero en BPSK tenemos una frecuencia y la fase de esta frecuencia codifica el 1 o el 0 indirectamente. No se ha creado un chip de radio capaz de crear OOK y FSK para cambiar la fase de la señal ya que BPSK lo requiere.

La solución para hackear este problema es simplemente saltar de la frecuencia deseada a una frecuencia más baja o más alta. Este cambio con baja o acelerada la generación de la señal, por lo que una vez que regrese a la frecuencia original, la fase se desplazará en comparación con el punto inicial. El código es básicamente fácil de escribir para obtener dicho resultado, el punto principal es administrar con precisión el tiempo para garantizar el cambio de fase de 180 °.

En una modulación normal de Sigfox, durante el cambio de cambio de fase, la señal de Sigfox se reduce para limitar el impacto en la huella del espectro. Esta es la razón por la cual podemos recibir comunicación Sigfox con un corto alcance de demodulación de AM. Pero en una implementación de muy bajo costo, la reducción de potencia es demasiado compleja para implementar. Como consecuencia, la ocupación espectral será mayor para un producto de tan bajo costo. Como efecto secundario, la versión actual de Radio Sigfox Analyzer, basada en la demodulación de AM, no podrá decodificar los cuadros.

¿Cómo gestionar el protocolo sigfox en un mcu tan pequeño?

El último desafío es administrar el protocolo Sigfox con un MCU realmente pequeño que solo tiene 37 instrucciones de montaje. No tiene operaciones MUL ni DIV, solo palanca de cambio de barril de 1 bit … También teniendo en cuenta el 128B ram, calcular un valor AES128 para administrar el HMAC es simplemente imposible.

El desafío de computación hmac

¿Como lidiar con ello? Como lo hicimos con las rotaciones en 3D cuando tenía 14 años: codificación de 3D en tiempo real con información de 16 bits … pre-cálculo. Significa que la forma de resolver el problema es calcular previamente todas las tramas posibles que se transmitirán y almacenarlas en Flash.

Tiene muchas consecuencias en el caso de uso, pero eficiente. Imagine que solo necesita enviar una señal para informar una acción como Ludovic hizo en el escenario. Usted dispara un mensaje cuando la carta ha sido abierta. No hay datos para transportar. Entonces, el único elemento cambiante en el marco es el Id de secuencia, reservando 1 KB del flash para este almacenamiento, puede almacenar 512 HMAC precalculados diferentes (2bytes cada uno). Como el número de secuencia es el módulo 4096, deberá generar una ID de secuencia incrementada en 8 en cada comunicación para que funcione como un objeto normal.

Imagine que ahora tiene que administrar 2 estados diferentes: abrir / cerrar. Tiene 1 bit de cambio + seqNum. Entonces, para cada una de las combinaciones, necesita administrar HMAC. Significa que tendrá que incrementar el seqNum en 16 y almacenar 2 tablas de 256 valores HMAC calculados previamente para cada valor de bit.

Ok, entonces ¿por qué no tener 256 valores diferentes para informar la temperatura? Esto significa HMAC precalculado 4 × 256 con un incremento de seqNum de 1024. ¿Simple no? De hecho, no es, en este caso, la protección seqNum en el backend de sigfox estará armada y los mensajes después del segundo pueden ser descartados. Ok … ¡desconectemos el número de secuencia después de cada mensaje y funciona!

El acuerdo de seguridad

Ok, eso está funcionando, pero nada es totalmente gratis: al reducir el número de posibles HMAC / seqNum expones directamente tu dispositivo al ataque de repetición. Es un problema real … buena pregunta, depende de su caso de uso y de los posibles riesgos financieros. Es por tu cuenta.

También estamos de acuerdo, si no puede calcular un AES128 localmente, si no transporta datos y sus datos tienen un límite de 1 bit a 1 byte … el cifrado no es una pregunta real.

¿Qué más?

De hecho, nada, las otras partes del protocolo se generan localmente. La mayor parte de la estructura del marco se puede codificar como ID, el tamaño es fijo. CRC como la codificación repetida se puede calcular dinámicamente. No necesitas nada más.

La EEPROM es lo suficientemente grande como para almacenar la ID y el seqNum. No es necesario almacenar la clave privada, ya que todos los HMAC están calculados previamente. El PAC no tiene ningún motivo para almacenarse en el chip que no sea en los módulos.

Una vez que el dispositivo llegue a la fase de industrialización, deberá administrar la generación dinámica de contenido Flash, ya que todos los dispositivos tendrán un flujo HMAC diferente. Esto no es un desafío, solo algo en lo que pensar.

Ok, si no está satisfecho con esta solución, también puede echar un vistazo al chip de radio independiente CMT2119A ($ 0.15 / 100k pces) y acoplarlo con una MCU más fuerte agregando algunos centavos.

¿CÓMO LIDIAR CON EL RELOJ A BASE DE CUARZO?

El segundo desafío con el que lidiar es la deriva del reloj. Sigfox es una banda ultra estrecha con un ancho de banda de 100Hz. La precisión de la frecuencia no es realmente importante, ya que la señal permanece en la escucha de 200KHz por las puertas de enlace. Lo importante es no tener una deriva de frecuencia durante la comunicación. No se admitirá una variación superior a 20Hz / sa 30Hz / s, esto corresponde a 0.034ppm a 868MHz. Ese es un requisito realmente fuerte.

Es posible hacer un dispositivo <$ 1 cuando se usa un reloj de cristal, no un TCXO. Un reloj de cristal está sujeto a la deriva de frecuencia tan pronto como el entorno está cambiando. La espera para hackear este desafío es proteger el Cuarzo contra el medio ambiente. Como ejemplo, un cuarzo ubicado en un par de mm cerca de la MCU se verá afectado por el aumento de temperatura de la MCU a lo largo de la transmisión. La solución es alejarlo y aislarlo de la planta. También debe protegerse contra el aire, el viento, cualquier cosa que pueda tener un impacto durante el tiempo de transmisión de 1 repetición.

La particularidad del segundo diseño de cuarzo es limitar la potencia inyectada para reducir el calentamiento y la deriva.

EL DESAFÍO DE LA BATERÍA

El siguiente punto importante a considerar es la solución de batería relacionada con esta solución. Para un objeto Sigfox estándar, debe tener una batería capaz de soportar 25-50 mA (RC1) durante una ráfaga de transmisión de 7 segundos. Apunta a una autonomía de 1 a 10 años y por estas razones el costo de la batería es mayor.

Considerando un dispositivo de $ 1, el límite de costo de la batería es de aproximadamente $ 0.1 – $ 0.2. Por este precio, puede obtener la batería CR2032, no mucho más. Eventualmente, LiPo pequeño si se arriesga a tener un voltaje más alto de lo que permiten las especificaciones.

La batería de litio tiene una capacidad pequeña pero también una imagen de grosella aceptable pequeña. La reducción de la potencia de transmisión por debajo de 14dBm está permitiendo un uso de batería, pero funciona con una red más densa.

Con una batería de este tipo, tiene una capacidad de 100-200 mAh. Esta capacidad es realmente pequeña, pero en RC1, permite (considerando el impacto de los pulsos de 24 mA en la duración de la batería) la transmisión de aproximadamente 100 mensajes con N = 3 (todas las repeticiones estándar). Esto es compatible con muchos casos de uso de eventos raros y dispositivos de corta vida. El seguimiento de una carta postal puede ser de 1 mensaje / hora + 1 mensaje al abrir. Esto es 4 días completos de autonomía; suficientemente bueno.

La corriente de transmisión del chip CMT2189C para 10dBm es de 22 mA con una antena de un solo extremo, pero se puede reducir a 15 mA con una antena diferencial.

El principal impacto técnico proveniente de la batería es la caída de voltaje durante la transmisión. Este, que afecta el reloj RC interno, afectará directamente la velocidad de transmisión de la transmisión. Por esta razón, una batería de litio suena mejor que una LiPo. Por esta razón, la red Sigfox se ve afectada.

¿CUÁLES SON LOS IMPACTOS DE LA RED SIGFOX?

Ok, hasta este punto, no hemos visto nada nuevo, nada imposible de hacer desde los últimos 2 años. El chip CMOSTEK es lo suficientemente viejo. Entonces, ¿qué hay de nuevo en 2019?

Impacto de radio de tal diseño
Hacer un diseño de este tipo tendrá un impacto en la red Sigfox. La primera razón se refiere a la forma en que se genera el BPSK, el uso de un cuarzo y el chip de radio de costo ultra bajo, la plantilla de radio no está respetando los requisitos de Sigfox. De manera diferente, este dispositivo no está pasando el proceso de certificación actual de Sigfox, que debería actualizarse pronto con los requisitos específicos para dicha solución.

La razón principal es que el ancho de banda del dispositivo es mayor y afecta directamente la escalabilidad de la red.

Para aceptar este tipo de modulación Sigfox de baja calidad, había diferentes cosas que hacer en la red Sigfox: densificar, actualizar la demodulación de radio para ser más tolerante e identificar las condiciones aceptables para soportarla. Todo esto ha sido hecho. Gracias a su enfoque asimétrico, la complejidad de soportar una solución de este tipo se ha gestionado en el lado de la red.

La imagen del lado izquierdo es la FFT de un mensaje proveniente de un dispositivo de 1 $. Puede ver la deriva de frecuencia relacionada con la forma en que se genera el cambio de fase. Esto se puede comparar con la FFT de un mensaje proveniente de un dispositivo clásico de Sigfox a la derecha.

Sigfox pronto publicará una certificación específica para aceptar dicho transmisor. Con una restricción: limitar la potencia de transmisión a + 7dBm en lugar de + 14dBm en Europa. Esta reducción de energía tiene un impacto en la cobertura, pero protege la escalabilidad de la red y también permite usar baterías más pequeñas.

Deriva de velocidad de transmisión

La caída de la batería derivada del uso de baterías de botón de litio de pequeña capacidad afecta directamente la velocidad en baudios. La red Sigfox también debe ser tolerante a estas inestabilidades. Una próxima actualización de la red pronto ofrecerá un mejor soporte de la deriva de la velocidad de transmisión. Como consecuencia, esto también será parte de las próximas especificaciones nuevas.

Cobertura

Un dispositivo de bajo costo tiene una potencia de transmisión limitada como hemos visto anteriormente. Como tiene una antena de PCB para la rentabilidad, su capacidad para llegar a la red se reduce.

Como ejemplo, tenemos una gran diferencia en interiores con un dispositivo Sigfox estándar (consideremos también todas las actualizaciones de estaciones base que aún no se han implementado):

Incluso si la adaptación de la antena aún no se realizó en la prueba anterior, actualmente parece más seguro considerar aplicaciones externas o incluir el despliegue de la micro estación base Sigfox en un proyecto en interiores.

También parece interesante invertir en un diseño de antena de PCB para un producto de este tipo para asegurarse de que su dispositivo ofrecerá lo mejor de los + 7dBm permitidos.

¿Qué pasa con la zona de radio?
Este tipo de dispositivo, para ser realmente de bajo costo, debe estar dedicado a un caso de uso específico. No pienses en hacer algo genérico, mundial, compatible con Monarch …

Por lo que sé, este tipo de diseño admite 100bps como 600bps. Funciona 868 y 915Mhz. Las restricciones de potencia de transmisión sobre la zona de 915Mhz aún no están definidas. La consecuencia en las baterías también podría ser un punto doloroso.

Impacto del modelo de negocio
La próxima nueva especificación de certificación puede publicarse para el primer trimestre de 2020, pero este no es el único impacto en la oferta de Sigfox:

El segundo impacto está relacionado con el modelo de suscripción de Sigfox. ¿Cómo se puede imaginar un dispositivo “desechable” (bueno, es malo pensar en eso …) con un costo de $ 1 … con un servicio de $ 5 por año con una suscripción mínima de 1 año?

Sigfox necesita pasar a un nuevo modelo de suscripción para admitir este tipo de dispositivos. ¿Algo así como un enfoque de pago por uso, con un costo de mensaje?

No tengo aportes sobre este punto, pero será el punto clave para conseguir algo dedicado realmente rápido para no matar los posibles casos de uso relacionados. Esta podría ser la verdadera oferta del Almirante Ivory.