IoT (WiFi/Bluetooth) Module; Integrierten Schaltkreises-Typ:SoC
(35)IoT-Geräte (Internet of Things) sind per Definition elektronische Schaltkreise mit Kommunikationsfunktionalität. In den allermeisten Fällen nutzen sie die kabellose Datenübertragung, meist unter Verwendung globaler Standards wie WiFi oder Bluetooth. Damit die Umsetzung solcher Lösungen reibungslos funktioniert, werden fast immer vorgefertigte Schaltungen verwendet. Dies liegt daran, dass ihr Design umfangreiche Tests und eine spezifische Architektur erfordert – die Verwendung eines Kommunikationsmoduls eines spezialisierten Herstellers ist einfach die wirtschaftlichste und effektivste Lösung. Werfen wir einen Blick auf das Angebot und die Eigenschaften solcher Module.
Auswahl und Arten von Kommunikationsmodulen
Die Hauptaufteilung der Kommunikationsmodule kann unter Berücksichtigung der von ihnen unterstützten Standards oder entsprechend ihren Programmierfähigkeiten erfolgen. Das erste Merkmal ist offensichtlich: Es geht darum, an welche Technologien das Produkt angepasst wurde. Der zweite hängt mit dem Aufbau des Moduls zusammen. Da eine stabile und sichere Datenübertragung eine relativ hohe Rechenleistung erfordert, nutzen viele Systeme Mikrocontroller oder SoC-Systeme (System on Chip), die unabhängig arbeiten und sogar den Betrieb der gesamten Schaltung steuern können. In solchen Fällen wird das Kommunikationsmodul zur Plattform, auf der das gesamte Gerät entwickelt wird. Dies führt dazu, dass die Prototyping- und Konstruktionsphase vereinfacht, die Produktion beschleunigt und häufig auch die Kosten gesenkt werden.
Wichtige Merkmale von Kommunikationsmodulen
Bei der Auswahl eines Moduls für eine Anwendung sollte man sich zunächst für die Kommunikationsmethode entscheiden, die am besten zu den Anforderungen des Projekts passt – im Fall von IoT-Geräten im Bereich der Unterhaltungs- und Industrieelektronik werden Standards Bluetooth und WiFi am häufigsten berücksichtigt. Allerdings ist zu bedenken, dass es sich hierbei nicht um homogene Technologien handelt.
Bluetooth-Standards
Bluetooth ist eine kabellose Kommunikationstechnologie und arbeitet auf offenen ISM-Frequenzen (eng.industrial, scientific, and medical). Die aufeinanderfolgenden Bluetooth-Versionen (2.0, 3.0, bis zu den derzeit entwickelten 5.x-Iterationen) berücksichtigen die Funktionalitäten, die von einer immer größeren Gruppe von Geräten benötigt werden: Zunächst handelte es sich um kleine Zubehörteile für Computer und Mobiltelefone ( Mäuse, Headsets), während umfangreiche Kommunikationssysteme, schnellere Datenübertragung, Zusammenarbeit mehrerer Geräte, Unterstützung der Netzwerktopologie mesh im Laufe der Zeit möglich geworden sind (auch die maximale Reichweite wurde erweitert, die Geräteerkennung wurde verbessert und die Kommunikationssicherheit wurde erhöht). Die vielleicht wichtigste Veränderung im letzten Jahrzehnt war die Verbreitung des Protokolls Bluetooth Low Energy (unterstützt von Versionen 4.0 und höher).
Das Protokoll Bluetooth Low Energy (Bluetooth BLE) verwendet eine einfachere Modulation und wurde, wie der Name schon sagt, für den Bau energiesparender, vor allem batteriebetriebener Geräte entwickelt. Seine Spezifikation definiert eine Reihe von Profilen, von denen jedes einem bestimmten Gerätetyp gewidmet ist (GPS-Navigation, Blutdruckmessgeräte, Waagen, HID, d.h. Human Interface Device usw.). In der Praxis ist das am häufigsten verwendete Profil GATT, Generic Attribute Profile, das auf einem Servicebaum (services) und ihren Attributen basiert. Das Profil definiert transparente Methoden zum Lesen und Ändern der in den Attributen platzierten Werte. Sie spielen eine ähnliche Rolle wie Prozessorregister – sie dienen lediglich der Bedienung des Geräts (Änderung seiner Einstellungen, Austausch von Daten usw.).
Versionen von WiFi
WiFi gehört zu den Standards IEEE 802.11 und definiert kabellose Netzwerkprotokolle hinsichtlich ihrer physikalischen Schicht und Datenverbindungs-Unterschicht . In der Praxis bedeutet dies, dass die aufeinanderfolgenden Versionen von WiFi die Schlüsselaspekte der Kommunikation definieren: Frequenzen, Anzahl und Breite der Übertragungskanäle, maximale Geschwindigkeit usw. Aufeinanderfolgende WiFi-Versionen sind mit Buchstaben gekennzeichnet, die den jeweiligen IEEE-Standard bezeichnen: WLAN 1 ist der Buchstabe b , 2 - a, 3 - g, 4 - n, 5 - ac, 6 - ax. Die Versionen sind abwärtskompatibel und die Kommunikation findet auf den Bändern 2,4 GHz und 5 GHz statt.
Da WiFi für die Verbindung mit dem Internet oder zumindest einem lokalen Netzwerk verwendet wird, ermöglichen Kommunikationsmodule, die dieses Protokoll unterstützen, Designern Zugriff auf schnelle Datenübertragung sowie umfassende Anpassungsfähigkeit. Welche Anwendungsschicht verwendet wird (HTTP, FTP, SSH, TLS/SSL usw.), hängt nur von der Software ab, die das Modul steuert.
Verschlüsselung und Sicherheit
Da kabellose Kommunikation von Unbefugten überwacht und übertragen werden kann, sollten die Daten gesichert werden. Die Informationsverschlüsselungsmethoden (hauptsächlich AES basieren auf komplexen mathematischen Operationen. Ihre regelmäßige Bedienung wäre unwirksam (z. B. es würde einen erheblichen Teil der Rechenleistung des Mikrocontrollers verbrauchen, der das Gerät steuert), weshalb Kommunikationsmodule Systeme implementieren, deren einziger Zweck darin besteht, Informationen zu ver- und entschlüsseln. Dies führt zu einer verbesserten Sicherheit (da Verschlüsselungsschlüssel von der Hardware unterstützt werden und für die Software unsichtbar sind) und der Beschleunigung der Kommunikation (notwendige Berechnungen werden von speziell für diesen Zweck entwickelten Systemen durchgeführt).
Schnittstelle
Um eine effiziente Kommunikation mit dem Steuergerät zu gewährleisten, nutzen die Kommunikationsmodule unterschiedliche serielle Schnittstellen. Hier werden die gängigsten in elektronischen Geräten verwendeten Standards verwendet: (I2C, SPI usw.). Bei Produkten, die auf Mikrocontrollern basieren, die autonom arbeiten können (den Betrieb des gesamten Geräts steuern), wie beispielsweise die beliebte Serie ESP32, legt die Spezifikation nicht nur die Protokolle fest, die zur Steuerung des Moduls verwendet werden, sondern auch andere Eingabe-/Ausgabe-Ports, die vom jeweiligen System unterstützt werden. Dies können beispielsweise USB-Busse, GPIO-Schnittstellen, und sogar A/D-Wandler sein. Gleiches gilt für Module, die die drahtlose Audioübertragung unterstützen: Hier umfassen die Merkmale den Ausgang des D/A-Wandlers (zum Audioverstärker) oder den Port I2S.
Antennen und Antennenausgänge
Die meisten Module verfügen über integrierte Antennen in Form von SMD-Komponenten oder Pfaden auf PCB. Die Kommunikation mit Frequenzen von 2,4/5 GHz ermöglicht die Verwendung von Kompaktstrahlern. Dennoch entscheiden sich Designer häufig für die Verwendung einer internen Antenne. Dies kann auf die Notwendigkeit zurückzuführen sein, die Reichweite des Moduls zu erhöhen oder durch Designüberlegungen bedingt sein. Beispiel: Ein im Feld arbeitender IoT-Sensor kann in einem Gehäuse untergebracht werden, das elektromagnetische Wellen abschirmt – in diesem Fall sollte das Design die Möglichkeit berücksichtigen, die Antenne außerhalb des Körpers zu führen.
Weitere wesentliche Merkmale
Die Spezifikation jedes Kommunikationsmoduls enthält einige wichtige Informationen zu seinem Betrieb. Sie beschreiben zunächst elementare Angaben (Versorgungsspannung, Abmessungen, thermische Toleranz, Montagemethoden, Gehäuse), aber auch andere Daten sollten bei der Auswahl des Moduls berücksichtigt werden. Wichtige Merkmale können Senderleistung und Empfängerempfindlichkeit (angegeben in dBm, d.h. eine logarithmische Skala, die die Leistung in mW beschreibt) sowie Übertragungsgeschwindigkeit sein (normalerweise stimmt sie nicht mit der Höchstgeschwindigkeit überein, die in einer bestimmten Norm angegeben ist). Wenn man über den Einsatz autonomer Module nachdenkt, die mit programmierbaren Mikrocontrollern ausgestattet sind, lohnt es sich, die Architektur des gegebenen Systems, sowie die Kapazität des eingebauten Speichers und des Flash-Speichers zu berücksichtigen: im jeweiligen Fall Bei komplexeren Geräten kann es beispielsweise vorkommen, dass diese Parameter die Gestaltungsmöglichkeiten erheblich einschränken. Abschließend: In manchen Anwendungen ist der Stromverbrauch ein sehr wichtiger Parameter von Kommunikationsmodulen . Dies ist der Fall bei Stromkreisen, die mit Batterien oder Akkus betrieben werden oder Energie aus erneuerbaren Quellen beziehen (z. B. einer Photovoltaikzelle). Diese Eigenschaft wird normalerweise im Format TX/RX angegeben, d.h. durch den Vergleich der Werte des Stroms, der jeweils für die Datenübertragung und den Datenempfang erforderlich ist. Die letztgenannte Zahl wird natürlich geringer ausfallen – es soll jedoch bedacht werden, dass die Bluetooth- und WiFi-Kommunikation in der Praxis immer bidirektional erfolgt.
Integrierten Schaltkreises-TypSoC
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