Moduly IoT (WiFi/Bluetooth)
(446)Zařízení IoT (Internet of Things) jsou podle definice elektronické obvody s komunikační funkčností. V naprosté většině případů používají bezdrátový přenos dat, obvykle pomocí globálních standardů, jako jsou například Wi-Fi či Bluetooth. Pro hladký průběh implementace takových řešení, se téměř vždy používají hotové systémy. Důvodem je skutečnost, že jejich projektování vyžaduje rozsáhlé testování a specifickou architekturu – použití komunikačního modulu připraveného specializovaným výrobcem je jednoduše nejekonomičtějším a nejefektivnějším řešením. Pojďme se tedy podívat na nabídku a charakteristiku těchto modulů.
Výběr a typy komunikačních modulů
Hlavní rozdělení komunikačních modulů může být provedeno s ohledem na standardy, které podporují, nebo podle jejich možností programování. První vlastnost je zřejmá: týká se technologií, kterým byl výrobek přizpůsoben. Druhá souvisí s konstrukcí modulu. Vzhledem k tomu, že stabilní a bezpečný přenos dat vyžaduje poměrně vysoký výpočetní výkon, používá mnoho systémů mikrokontroléry nebo SoC systémy (System on Chip), které mohou pracovat nezávisle anebo dokonce ovládat práci celého obvodu. V takových případech se komunikační modul stává platformou, na které je navrženo celé zařízení. To se promítá do zjednodušení prototypové a konstrukční fáze, zrychlení výroby, a často také snížení nákladů.
Důležité vlastnosti komunikačních modulů
Při výběru modulu pro aplikaci je třeba se nejprve rozhodnout pro komunikační metodu, která bude nejlépe vyhovovat potřebám projektu. V případě IoT zařízení v oblasti spotřební a průmyslové elektroniky se nejčastěji zvažují standardy Bluetooth a Wi-Fi. Je však třeba mít na paměti, že se nejedná o homogenní technologie.
Standardy Bluetooth
Bluetooth je technologie bezdrátové komunikace a pracuje na otevřených frekvencích ISM (angl. industrial, scientific, and medical). V dalších verzích Bluetooth (2.0, 3.0, až po aktuálně vyvíjenou verzi 5.x) jsou zahrnuty funkce požadované stále širší skupinou zařízení: zpočátku se jednalo o drobné příslušenství pro počítače a mobilní telefony (myši, náhlavní soupravy), postupem času bylo možné vytvářet rozsáhlejší komunikační systémy, přenášet data rychleji, mít více spolupracujících zařízení, podporovat sítě s topologií mesh (rozšířil se také maximální dosah, zlepšila se detekce periferií a zvýšila se bezpečnost komunikace). Snad nejdůležitější změnou, ke které došlo v posledním desetiletí, bylo rozšíření protokolu Bluetooth Low Energy (podporovaného verzí 4.0 a vyšší).
Protokol Bluetooth Low Energy (Bluetooth BLE) používá jednodušší modulaci, a jak samotný název napovídá, byl vyvinut pro konstrukci energeticky úsporných zařízení, především bateriově napájených. Jeho specifikace definuje řadu profilů, z nichž každý je určen pro určitý typ zařízení (GPS navigace, měřiče krevního tlaku, váhy, HID, tedy Human Interface Device atd.). V praxi se nejčastěji používá profil GATT, Generic Attribute Profile, který je založený na stromu služeb (services) a jejich atributů. Profil definuje jasné metody pro čtení a úpravu hodnot umístěných v atributech. Plní podobnou úlohu jako registry procesoru – slouží pouze k ovládání zařízení (změna jeho nastavení, výměna dat atd.).
Wi-Fi verze
Wi-Fi patří do sady standardů IEEE 802.11 a specifikuje protokoly bezdrátové sítě z hlediska jejich fyzické vrstvy a podvrstvy datového spoje. V praxi to znamená, že další verze Wi-Fi specifikují klíčové aspekty komunikace: frekvence, počet a šířku přenosových kanálů, maximální rychlost atd. Každá další verze Wi-Fi je označena písmeny označujícími příslušný standard IEEE: Wi-Fi 1 je písmeno b, 2 - a, 3 - g, 4 - n, 5 - ac, 6 - ax. Verze jsou zpětně kompatibilní a komunikace probíhá v pásmech 2,4 GHz a 5 GHz.
Vzhledem k tomu, že se Wi-Fi používá pro připojení k internetu nebo minimálně k místní sítí, komunikační moduly, které podporují tento protokol, poskytují konstruktérům přístup k rychlému přenosu dat a rozsáhlým možnostem přizpůsobení. O tom, která aplikační vrstva bude použita (HTTP, FTP, SSH, TLS/SSL atd.), rozhoduje výhradně řídící software modulu.
Šifrování a bezpečnost
Vzhledem k tomu, že bezdrátová komunikace může být monitorována neoprávněnými osobami, měla by být přenášená data zabezpečena. Metody šifrování informací (především AES jsou založeny na složitých matematických operacích. Jejich vysokoúrovňová softwarová podpora by byla neefektivní (např. by spotřebovávala značnou část výpočetního výkonu mikrokontroléru, který zařízení ovládá), proto se do komunikačních modulů implementují systémy, jejichž jediným účelem je šifrovat a dešifrovat informace. To se promítá do vyšší bezpečnosti (protože šifrovací klíče jsou podporovány hardwarem a pro software jsou neviditelné) a rychlejší komunikaci (nezbytné výpočty jsou prováděny systémy navrženými speciálně pro tento konkrétní účel).
Rozhraní
Komunikační moduly používají různá sériová rozhraní pro zajištění efektivní komunikace s řídicí jednotkou. Zde se používají nejoblíbenější standardy využívané v elektronických zařízeních (I2C, SPI atd.). V případě produktů, které jsou založeny na mikrokontrolérech, jež mohou pracovat autonomně (řídit chod celého zařízení), jako je např. populární řada ESP32, se ve specifikaci podrobně vyjmenovávají nejen protokoly používané k ovládání modulu, ale také další vstupní/výstupní porty podporované daným systémem. Mohou to být například USB sběrnice, GPIO rozhraní, a dokonce i A/C převodníky . Totéž platí pro moduly podporující bezdrátový přenos zvuku: zde budou charakteristiky zahrnovat výstup C/A převodníky (do audio zesilovače) či port I2S.
Antény a anténní výstupy
Většina modulů má integrované antény zhotovené v podobě SMD prvků nebo cest na PCB. Komunikace na frekvenci 2,4/5 GHz umožňuje použití kompaktních zářičů. Přesto se konstruktéři často rozhodují pro použití interní antény. Důvodem může být potřeba zvýšení rozsahu modulu nebo to může být vynuceno konstrukčními důvody. Například IoT senzor pracující v terénu může být umístěn v elektromagneticky stíněném krytu – v tomto případě by měl návrh zohlednit možnost vedení antény mimo tělo.
Další podstatné prvky charakteristiky
Specifikace každého komunikačního modulu obsahuje několik dalších klíčových informací o jeho fungování. Především popisují základní otázky (napájecí napětí, rozměry, tepelnou toleranci, způsoby montáže, pouzdro), ale při výběru modulu je třeba vzít v úvahu i další údaje. Důležitými vlastnostmi mohou být výkon vysílače a citlivost přijímače (udává se v dBm, tedy logaritmické stupnici popisující výkon v mW), stejně jako přenosová rychlost (obvykle se neshoduje s maximální rychlostí uvedenou v dané normě). Při zvažování použití samostatných modulů vybavených programovatelnými mikrokontroléry je třeba mít na paměti architekturu daného systému a také kapacitu vestavěné operační paměti a paměti Flash. V případě složitějších zařízení, např. agregujících velké množství dat, se může ukázat, že tyto parametry výrazně omezují možnosti projektu. Závěrem: v některých aplikacích je velmi důležitým parametrem komunikačních modulů jejich odběr energie. To bude případ obvodů napájených bateriemi, akumulátory nebo obvodů získávajících energii z obnovitelných zdrojů (např. fotovoltaického článku). Tato charakteristika se obvykle uvádí ve formátu TX/RX, tedy jako kompilace hodnot intenzity proudu vyžadovaného pro (příslušně) přenos a příjem dat. Druhé číslo bude samozřejmě menší – je však třeba si uvědomit, že v praxi komunikace Bluetooth a Wi-Fi probíhá vždy v obou směrech.
Sklad:
