IoT-modules (WiFi/Bluetooth)
(460)IoT-apparaten (Internet of Things) zijn per definitie elektronische circuits met communicatiefuncties. In de overgrote meerderheid van de gevallen zullen ze gebruik maken van draadloze gegevensoverdracht, meestal met behulp van wereldwijde standaarden zoals wifi of Bluetooth. Om de implementatie van dit soort oplossingen soepel te laten verlopen, wordt bijna altijd gebruik gemaakt van kant-en-klare systemen. Dit komt omdat hun ontwerp uitgebreide tests en een specifieke architectuur vereist – het gebruik van een communicatiemodule die is gemaakt door een gespecialiseerde fabrikant is simpelweg de meest economische en effectieve oplossing. Laten we daarom eens kijken naar het aanbod en de kenmerken van dergelijke modules.
Keuze en soorten communicatiemodules
De communicatiemodules kunnen worden ingedeeld aan de hand van de standaarden die zij ondersteunen of hun programmeringsmogelijkheden. Het eerste kenmerk ligt voor de hand: het gaat erom voor welke technologieën het product geschikt is. Het tweede heeft betrekking op de constructie van de module. Aangezien voor stabiele en veilige gegevensoverdracht relatief veel rekenkracht nodig is, worden in veel systemen microcontrollers of SoC-systemen (System on Chip) gebruikt die onafhankelijk kunnen werken en zelfs de werking van het hele circuit kunnen sturen. In dergelijke gevallen wordt de communicatiemodule het platform waarop het gehele apparaat wordt ontworpen. Dit vertaalt zich in vereenvoudiging van de prototyping- en constructiefasen, versnelling van de productie en vaak ook verlaging van de kosten.
Belangrijke kenmerken van communicatiemodules
Bij het kiezen van een module voor een toepassing, moet u eerst beslissen welke communicatiemethode het meest geschikt is voor de behoeften van het project – in het geval van IoT-apparaten op het gebied van consumenten- en industriële elektronica worden de standaarden Bluetooth- en wifi het vaakst overwogen. Houd er echter rekening mee dat dit geen homogene technologieën zijn.
Bluetooth-standaarden
Bluetooth is een draadloze communicatietechnologie en werkt op open ISM-frequenties (EN industrial, scientific, and medical). In opeenvolgende Bluetooth-versies (2.0, 3.0, tot de momenteel in ontwikkeling zijnde iteratie 5.x) wordt rekening gehouden met de functies die een steeds grotere groep apparaten nodig hebben: aanvankelijk waren dit kleine accessoires voor computers en mobiele telefoons (muizen, headsets), terwijl het in de loop van de tijd mogelijk werd om meer uitgebreide communicatiesystemen met snellere gegevensoverdracht, samenwerking van meer apparaten en ondersteuning voor de netwerktopologie mesh toe te passen (ook is het maximale bereik vergroot en zijn de detectie van randapparatuur en de communicatiebeveiliging verbeterd). Misschien wel de belangrijkste verandering in het afgelopen decennium is de verspreiding van het protocol Bluetooth Low Energy (ondersteund door versies 4.0 en hoger).
Het Bluetooth-protocol Low Energy (Bluetooth BLE) maakt gebruik van eenvoudigere modulatie en is, zoals de naam al doet vermoeden, ontwikkeld voor de constructie van energiebesparende apparaten, voornamelijk op batterijen. Zijn specificatie definieert een aantal profielen die elk zijn bestemd voor een specifiek type apparaat (gps-navigatie, bloeddrukmeters, weegschalen, HID, d.w.z. Human Interface Device etc.). In de praktijk is *vaakst toegepaste profiel GATT, Generic Attribute Profile dat is gebaseerd op een serviceboom (services) en attributen van de services. Het profiel definieert transparante methoden voor het lezen en wijzigen van de waarden in de attributen. Ze spelen een vergelijkbare rol als processorregisters – ze dienen eenvoudigweg om het apparaat te bedienen (instellingen wijzigen, gegevens uitwisselen etc.).
Wifi-versies
Wifi behoort tot de set van IEEE 802.11-standaarden en definieert draadloze netwerkprotocollen in termen van hun fysieke laag en datalink-sublaag. In de praktijk betekent dit dat de opeenvolgende wifi-versies belangrijke aspecten van de communicatie specificeren: frequenties, aantal en breedte van de transmissiekanalen, maximumsnelheid etc. De opeenvolgende versies van wifi zijn gemarkeerd met letters die de betreffende IEEE-standaard aangeven: WiFi 1 is de letter b, 2 - a, 3 - g, 4 - n, 5 - ac, 6 - ax. De versies zijn achterwaarts compatibel en de communicatie vindt plaats op de 2,4 GHz- en 5 GHz-banden.
Aangezien wifi wordt gebruikt om verbinding te maken met het internet, of ten minste het lokale netwerk, bieden communicatiemodules die dit protocol ondersteunen ontwerpers toegang tot snelle datatransmissie en een groot adaptatievermogen. Welke applicatielaag zal worden gebruikt (HTTP, FTP, SSH, TLS/SSL etc.) hangt uitsluitend af van de software die de module bestuurt.
Versleuteling en veiligheid
Aangezien draadloze communicatie door onbevoegden kan worden gemonitord, moeten de verzonden gegevens worden beveiligd. Methoden voor versleuteling van informatie (voornamelijk AES) zijn gebaseerd op complexe wiskundige bewerkingen. Hun softwareondersteuning op hoog niveau zou niet effectief zijn (het zou bv. een aanzienlijk deel van de rekenkracht verbruiken van de microcontroller die het apparaat bestuurt), daarom worden in communicatiemodules systemen geïmplementeerd die als enige doel hebben informatie te coderen en te decoderen. Dit vertaalt zich in verbeterde beveiliging (de encryptiesleutels worden ondersteund door hardware en zijn onzichtbaar voor de software) en snellere communicatie (de benodigde berekeningen worden uitgevoerd door systemen die speciaal voor dit specifieke doel zijn ontworpen).
Interface
De communicatiemodules maken gebruik van verschillende seriële interfaces om efficiënte communicatie met de besturingseenheid te waarborgen. Hierin vindt u de populairste standaarden die worden gebruikt in elektronische apparaten (I2C, SPI etc.). In het geval van producten die zijn gebaseerd op microcontrollers die autonoom kunnen werken (de werking van het hele apparaat regelen), zoals de populaire serie ESP32, specificeert de specificatie niet alleen de protocollen die worden gebruikt om de module te besturen, maar ook andere input/output-poorten die worden ondersteund door het betreffende systeem. Dit zijn bv. USB-bussen, GPIO-interfaces en zelfs A/C-omvormers. Hetzelfde geldt voor modules die draadloze audiotransmissie ondersteunen: hier omvatten de kenmerken uitgang voor C/A-omvormer (voor audioversterkers) en de poort I2S.
Antennes en antenne-uitgangen
De meeste modules hebben geïntegreerde antennes in de vorm van SMD-elementen of een pad op de printplaat. Communicatie op de frequenties 2,4/5GHz maakt het gebruik van compacte stralers mogelijk. Toch kiezen ontwerpers vaak voor een interne antenne. Dit kan het gevolg zijn van de noodzaak om het bereik van de module te vergroten of worden gedicteerd door ontwerpoverwegingen. Bijvoorbeeld: een IoT-sensor die buiten werkt, kan in een behuizing worden geplaatst die elektromagnetische golven afschermt – in dit geval moet bij het ontwerp rekening worden gehouden met de mogelijkheid om de antenne buiten de behuizing te leiden.
Andere essentiële kenmerken
De specificatie van elke communicatiemodule bevat enkele belangrijke gegevens over de werking ervan. Zij beschrijven allereerst elementaire zaken (voedingsspanning, afmetingen, thermische tolerantie, montagemethoden, behuizing), maar bij de keuze van een module moet u ook met andere gegevens rekening houden. Belangrijke kenmerken kunnen zijn: het vermogen van de zender en de gevoeligheid van de ontvanger (uitgedrukt in dBm, een logaritmische schaal die het vermogen in mW beschrijft), alsmede de transmissiesnelheid (meestal niet de in de betreffende standaard aangegeven maximumsnelheid). Wanneer u het gebruik van zelfstandige modules met programmeerbare microcontrollers overweegt, moet u rekening houden met de architectuur van het betreffende systeem en met de capaciteit van het ingebouwde RAM- en Flash-geheugen: in het geval van complexere apparaten, bv. apparaten die aanzienlijke hoeveelheden gegevens aggregeren, kan blijken dat deze parameters de ontwerpmogelijkheden aanzienlijk beperken. Tot slot: in sommige toepassingen is een zeer belangrijke parameter van communicatiemodules hun stroomverbruik. Dit is het geval voor circuits die worden aangedreven door batterijen, accu's of die energie halen uit hernieuwbare bronnen (bv. fotovoltaïsche cellen). Dit kenmerk wordt meestal gegeven in het formaat TX/RX, d.w.z. een weergave van de waarden van de stroom die nodig is voor (respectievelijk): gegevensoverdracht en -ontvangst. Dat laatste getal is natuurlijk kleiner – maar houd er wel rekening mee dat Bluetooth- en wifi-communicatie in de praktijk altijd bidirectioneel is.
Magazijn:
