IoT (WiFi/Bluetooth)-moduler; Type af integreret kredsløb:SoC
(35)IoT-enheder (Internet of Things) er pr. definition elektroniske kredsløb med kommunikationsfunktioner. I langt de fleste tilfælde bruger de trådløs datatransmission, for det meste baseret på verdensomspændende standarder som Wi-Fi eller Bluetooth. For at implementere sådanne løsninger på en problemfri måde anvendes færdige kredsløb i næsten alle tilfælde. Det skyldes, at deres design kræver omfattende test og en specifik arkitektur Derfor er det simpelthen den mest omkostningseffektive og effektive løsning at bruge et kommunikationsmodul, der er designet af en specialiseret producent. Se nedenfor for en oversigt over egenskaber og udvalg af sådanne moduler.
Valg og typer af kommunikationsmoduler
Kommunikationsmoduler kan hovedsageligt opdeles efter de standarder, de understøtter, eller efter deres programmeringsmuligheder. Førstnævnte er indlysende - det er relateret til de teknologier, et givet produkt er kompatibelt med. Sidstnævnte er relateret til modulets design. Da stabil og sikker datatransmission kræver relativt stor computerkraft, leveres mange systemer med mikrocontrollere eller systemer på en chip (SoC) (System on Chip), der kan fungere uafhængigt eller endda kontrollere hele kredsløbets funktion. I sådanne tilfælde bliver et kommunikationsmodul den platform, som hele enheden er designet ud fra. Det betyder enklere, strømlinede prototyper og konstruktionsfaser, hurtigere produktion og som oftest lavere omkostninger.
Nøglefunktioner i kommunikationsmodulet
Når du vælger et modul til en given anvendelse, skal du først vælge den kommunikationsmetode, der passer bedst til det aktuelle projekts behov - i forbindelse med IoT-enheder i forbruger- og industrielektronik omfatter de mest almindelige overvejelser de gældende Bluetooth- og Wi-Fi-standarder. Bemærk dog, at disse teknologier ikke er homogene.
Bluetooth-standarder
Bluetooth er en trådløs kommunikationsteknologi, der opererer inden for åbne ISM-frekvenser ( industrial, scientific, and medical). Successive versioner af Bluetooth (2.0, 3.0, op til 5.x iterationer, der i øjeblikket er under udvikling) har indarbejdet funktioner, der kræves af et stadigt voksende udvalg af enheder - oprindeligt omfattede disse små computer- og mobiltelefontilbehør (mus, headsets), men med tiden er det blevet muligt at designe mere omfattende kommunikationssystemer og sikre hurtigere dataoverførsler, samarbejde mellem flere enheder og understøttelse af netværk med mesh topologi (desuden er den maksimale rækkevidde blevet udvidet, periferidetekteringsfunktioner er blevet forbedret, og kommunikationssikkerheden er blevet forbedret). Den måske vigtigste ændring i de sidste ti år har været den øgede popularitet af Bluetooth Low Energy -protokollen (understøttet af version 4.0 og senere).
Bluetooth Low Energy (Bluetooth BLE) -protokollen bruger enklere modulation og er, som navnet antyder, blevet udviklet til at designe energieffektive, primært batteridrevne, enheder. Dens specifikation definerer flere profiler, der er dedikeret til specifikke enhedstyper (GPS-satnav-enheder, blodtryks- og vægtmålere, HID, f.eks. Human Interface Device osv.). I praksis er GATT den mest anvendte profil, Generic Attribute Profile, og den er baseret på et træ af tjenester (services) og deres attributter. Profilen definerer klare metoder til at læse og ændre værdier, der er placeret i attributter. De fungerer på samme måde som processorregistre, da de ganske enkelt betjener en enhed (ændrer indstillinger, udveksler data osv.).
Wi-Fi versioner
Wi-Fi hører til sættet af IEEE 802.11-standarder og definerer trådløse netværksprotokoller med hensyn til deres fysiske lag og dataforbindelsesunderlaget. I praksis betyder det, at successive versioner af Wi-Fi specificerer nøgleaspekter af kommunikationsprocesser, dvs. frekvenser, antal og bredde af transmissionskanaler, maksimal hastighed osv. På hinanden følgende versioner af Wi-Fi betegnes med bogstaver, der angiver en relevant IEEE-standard: Wi-Fi 1 betegnes med bogstavet "b", 2 - "a", 3 - "g", 4 - "n", 5 - "ac" og 6 - "ax". Versionerne er bagudkompatible, og kommunikationen foregår inden for 2,4 GHz- og 5 GHz-båndet.
Da Wi-Fi bruges til at forbinde enheder til internettet eller i det mindste et lokalt netværk, giver kommunikationsmoduler, der understøtter denne protokol, designere hurtig datatransmission og omfattende tilpasningsmuligheder. Valget af det applikationslag, der skal bruges (HTTP, FTP, SSH, TLS/SSL osv.), afhænger udelukkende af modulets kontrolsoftware.
Kryptering og sikkerhed
Da trådløs kommunikation kan overvåges af uautoriserede parter, skal de overførte data sikres. Informationskrypteringsmetoderne (for det meste AES) er baseret på komplekse matematiske operationer. Deres softwarebaserede drift på højt niveau ville være ineffektiv (f.eks. ville den forbruge en betydelig del af computerkraften i en mikrocontroller, der styrer en enhed), så kredsløb, hvis eneste formål er at kryptere og dekryptere information, er implementeret i kommunikationsmoduler. Det forbedrer sikkerhedsniveauet (da krypteringsnøglerne håndteres i hardware og er usynlige for software) og sikrer hurtigere kommunikation (nødvendige beregninger udføres af kredsløb, der er designet specielt til dette formål).
Grænseflade
Kommunikationsmoduler bruger forskellige serielle grænseflader for at sikre problemfri kommunikation med en kontrolenhed. Her anvendes de mest almindelige standarder, der anvendes i elektroniske enheder (I2C, SPI osv.). For mikrocontrollerbaserede produkter, der kan fungere i en stand-alone-tilstand (for at styre hele enhedens drift), som f.eks. den populære ESP32-serie, beskriver specifikationen ikke kun de protokoller, der bruges til at styre modulet, men også andre input/output-porte, der understøttes af et givet kredsløb. De kan f.eks. omfatte USB-busser, GPIO-grænseflader eller endda A/C-konvertere. På samme måde omfatter karakteristika for moduler til håndtering af lydtransmissioner C/A-konverterens output (til en lydforstærker) eller I2S port.
Antenner og antenneudgange
De fleste moduler leveres med integrerede antenner i form af SMD-elementer eller spor trykt på PCB'er. Kommunikation inden for 2,4/5 GHz-frekvenser gør det muligt at bruge kompakte radiatorer. Alligevel vælger designere ofte interne antenner. Det kan skyldes nødvendigheden af at øge modulets rækkevidde eller kan skyldes designrelaterede overvejelser. For eksempel kan en IoT-sensor til feltarbejde være indkapslet i et hus, der afskærmer elektromagnetiske bølger, og i så fald bør designet tage højde for muligheden for at føre antennen uden for enhedens krop.
Andre relevante egenskaber
Specifikationerne omfatter også andre vigtige oplysninger om det enkelte kommunikationsmoduls ydeevne. Først og fremmest beskriver de visse grundlæggende egenskaber (strømforsyning, størrelse, termisk tolerance, monteringsmetoder, hus), men der er også andre data, man skal huske på, når man vælger et modul. Disse omfatter f.eks. sendereffekt og modtagerfølsomhed (angivet i dBm, som er en logaritmisk skala, der beskriver effektvurderinger i mW), samt transmissionshastighed (som normalt ikke falder sammen med den maksimale hastighed, der er angivet i en given standard). Når man overvejer at bruge stand-alone-moduler udstyret med programmerbare mikrocontrollere, skal man være opmærksom på arkitekturen i et givet system og kapaciteten i den indbyggede RAM- og Flash-hukommelse, fordi disse parametre i tilfælde af mere komplekse enheder, såsom dem, der samler betydelige mængder data, kan begrænse designmulighederne betydeligt. Endelig er en meget vigtig parameter for kommunikationsmoduler i nogle applikationer deres strømforbrug. Det er vigtigt i tilfælde af batteridrevne kredsløb eller kredsløb, der forsynes med strøm fra vedvarende kilder (f.eks. solceller). Denne egenskab specificeres normalt i formatet TX/RX, dvs. ved at sammenstille de strømværdier, der kræves til henholdsvis datatransmission og -modtagelse. Sidstnævnte værdi vil naturligvis være lavere, men man skal huske, at Bluetooth- og Wi-Fi-kommunikationen i praksis altid er tovejs.
Type af integreret kredsløbSoC
Lagerbygning:
