Модули IoT (WiFi/Bluetooth)
(456)Устройствата IoT (Internet of Things) по дефиниция са електронни вериги с комуникационна функционалност. В по-голямата част от случаите те ще използват безжично предаване на данни, обикновено използвайки глобални стандарти като WiFi или Bluetooth. За безпроблемното внедряване на такива решения почти винаги се използват готови системи. Това се дължи на факта, че конструкцията им изисква задълбочени тестове и специфична архитектура - използването на комуникационен модул, изготвен от специализиран производител, е просто най-икономичното и ефективно решение. Нека да разгледаме офертата и характеристиката на такива модули.
Избор и видове комуникационни модули
Основното разделяне на комуникационните модули може да се извърши в зависимост от обслужваните от тях стандарти или според възможностите за тяхното програмиране. Първата характеристика е очевидна: тя се отнася за това, към какви технологии е адаптиран продуктът. Втората е свързана с конструкцията на модула. Тъй като стабилното и сигурно предаване на данни изисква относително висока изчислителна мощност, много системи използват микроконтролери или системи SoC (System on Chip), които могат да работят независимо или дори да контролират работата на цялата верига. В такива случаи комуникационният модул се превръща в платформата, върху която е проектирано цялото устройство. Това се изразява в опростяване на етапа на прототипиране и конструиране, ускоряване на производството и често намаляване на разходите.
Важни характеристики на комуникационните модули
Когато избирате модул за приложение, първо трябва да вземете решение за метода на комуникация, който ще бъде най-подходящ за нуждите на проекта - в случай на IoT устройства в областта на битовата и индустриална електроника най-често се вземат предвид стандарти Bluetooth и WiFi. Трябва обаче да се има предвид, че това не са хомогенни технологии.
Bluetooth стандарти
Bluetooth е безжична комуникационна технология и работи на отворени ISM честоти (от английски език industrial, scientific, and medical). В поредните Bluetooth версии (2.0, 3.0, до разработените в момента версии 5.x) се отчитат функционалностите, изисквани от все по-широка група устройства: първоначално те бяха малки аксесоари за компютри и мобилни телефони (мишки, слушалки), докато с течение на времето беше възможно да се изградят по-сложни комуникационни системи, по-бърз трансфер на данни, сътрудничество на повече устройства, поддръжка на мрежи с топология mesh (максималния обхват също е разширен, откриването на периферните устройства е подобрено и сигурността на комуникацията е подобрена). Може би най-важната промяна през последното десетилетие е разпространението на протокола Bluetooth Low Energy (обслужван от версия 4.0 и по-нови).
Протокол Bluetooth Low Energy (Bluetooth BLE) използва по-проста модулация и, както името подсказва, е разработен с мисълта за енергоспестяващи устройства, предимно с батерийно захранване. Спецификацията му дефинира редица профили, всеки от които е предназначен за определен тип устройство (GPS навигация, монитори за кръвно налягане, везни, HID, тоест Human Interface Device и др.). На практика най-често използваният профил е GATT, Generic Attribute Profile, който базира на дървото на услугите (services) и техните атрибути. Профилът определя прозрачни методи за четене и модифициране на стойностите, поставени в атрибутите. Те играят роля, подобна на регистрите на процесора - те просто се използват за обслужване на устройството (промяна на настройките му, обмен на данни и т.н.).
Версии WiFi
WiFi принадлежи към набора от стандарти IEEE 802.11 и дефинира протоколите за безжична мрежа по отношение на техния физически слой и подслой на връзката за данни. На практика това означава, че следващите версии на WiFi определят ключови аспекти на комуникацията: честоти, брой и ширина на каналите за предаване, максимална скорост и т.н. Следващите версии на WiFi са маркирани с букви, обозначаващи съответния IEEE стандарт: WiFi 1 е буква b, 2 - a, 3 - g, 4 - n, 5 - ac, 6 - ax. Версиите са обратно съвместими и комуникацията се осъществява в честотните ленти 2,4GHz и 5GHz.
Тъй като WiFi се използва за свързване с интернет или поне с локална мрежа, комуникационните модули, които поддържат този протокол, дават на конструкторите достъп до бързо предаване на данни, както и широка адаптивност. Това, какъв приложен слой ще се използва (HTTP, FTP, SSH, TLS/SSL и т.н.) зависи само от софтуера, управляващ модула.
Криптиране и сигурност
Тъй като безжичната комуникация може да бъде мониторирана от неоторизирани лица, предаваните данни трябва да бъдат защитени. Методите за криптиране на информация (предимно AES базират на сложни математически операции. Тяхното софтуерно обслужване на високо ниво би била неефективно (напр. би изразходвало значителна част от изчислителната мощност на микроконтролера, управляващ устройството), поради което в комуникационните модули са внедрени компоненти, чиято единствена цел е да криптират и декриптират информация. Това се изразява в подобрена сигурност (тъй като ключовете за криптиране се обслужват от хардуера и са невидими за софтуера) и по-бърза комуникация (необходимите изчисления се извършват от компоненти, проектирани специално за тази конкретна цел).
Интерфейс
Комуникационните модули използват различни серийни интерфейси, за да осигурят ефективна комуникация с управляващата единица. Tук се използват най-популярните стандарти, използвани в електронните устройства (I2C, SPI и др.). В случай на продукти, базирани на микроконтролери, които могат да работят автономно (контролират работата на цялото устройство), като например популярната серия ESP32, спецификацията определя не само протоколите, използвани за управление на модула, но и други входни портове/изходи, обслужвани от дадения чип. Това могат да бъдат напр. USB магистрали, интерфейси GPIO и дори преобразуватели A/Ц . Същото важи и за модули, които обслужват безжично аудио предаване: тук характеристиките ще включват изход на Ц/A преобразувателя (към аудио усилвателя) или порт I2S.
Антени и антенни изходи
Повечето от модулите имат интегрирани антени, направени под формата на SMD елементи или писти на PCB. Комуникацията на честоти 2,4/5GHz позволява използването на компактни радиатори. Независимо от това конструкторите често избират да използват вътрешна антена. Това може да се дължи на необходимостта от увеличаване на обхвата на модула или да бъде продиктувано от съображения за проектиране. Например: IoT сензор, работещ в терен, може да бъде поставен в корпус, екраниращ електромагнитни вълни - в този случай проектът трябва да вземе предвид възможността за извеждане на антената извън корпуса.
Други съществени характеристики
Спецификацията на всеки комуникационен модул включва ключова информация за неговата работа. На първо място, те описват елементарни въпроси (захранващо напрежение, размери, температурен толеранс, методи на монтаж, корпус), но при избора на модула трябва да се вземат предвид и други данни. Важните характеристики могат да включват мощност на предавателя и чувствителност на приемника (посочени в dBm, т.е. логаритмична скала, описваща мощността в mW), както и скорост на предаване (обикновено не съвпада с максимална скорост, посочена в даден стандарт). Когато обмисляте използването на автономни модули, оборудвани с програмируеми микроконтролери, си струва да имате предвид архитектурата на дадената система, както и капацитета на вградената операционна памет и Flash: в случая на по-сложни устройства, например може да се окаже, че тези параметри значително ограничават възможностите за проектиране. И накрая: в някои приложения много важен параметър на комуникационните модули е тяхната консумация на енергия. Такъв ще бъде случаят с вериги, захранвани от батерии, акумулатори или черпещи енергия от възобновяеми източници (напр. фотоволтаични панели). Тази характеристика обикновено се посочва във формат TX/RX, т.е. чрез сравняване на стойностите на тока, необходим за (съответно): предаване и приемане на данни. Второто число, разбира се, ще бъде по-малко - но имайте предвид, че на практика Bluetooth и WiFi комуникацията винаги е двупосочна.
Склад:
