IoT (WiFi/Bluetooth) modulok
(446)Definíció szerint az IoT-eszközök (Internet of Things) kommunikációs funkciókkal rendelkező elektronikus áramkörök. Az esetek túlnyomó többségében vezeték nélküli adatátvitelt használnak, többnyire olyan világszabványokon alapulnak, mint a Wi-Fi vagy a Bluetooth. Az ilyen megoldások problémamentes megvalósításához szinte minden esetben készen kapható áramköröket alkalmaznak. Ennek az az oka, hogy tervezésük kiterjedt tesztelést és sajátos architektúrát igényel, így egy speciális gyártó által tervezett kommunikációs modul használata egyszerűen a legköltséghatékonyabb és leghatékonyabb megoldás. Az alábbiakban áttekinthetjük az ilyen modulok jellemzőit és választékát.
Kommunikációs modulok kiválasztása és típusai
A kommunikációs modulok elsősorban az általuk támogatott szabványok vagy programozási képességeik szerint oszthatók fel. Az előbbi nyilvánvaló – azokhoz a technológiákhoz kapcsolódik, amelyekkel egy adott termék kompatibilis. Ez utóbbi a modultervezéshez kapcsolódik. Mivel a stabil és biztonságos adatátvitel viszonylag nagy számítási teljesítményt igényel, számos rendszer mikrokontrollerrel vagy chipen lévő rendszerrel (SoC) (System on Chip) készül, amelyek függetlenül működhetnek, vagy akár a teljes áramkör működését vezérelhetik. Ilyen esetekben egy kommunikációs modul lesz az a platform, amely alapján a teljes eszközt megtervezik. Ez egyszerűbb, korszerűbb prototípus-készítési és építési fázisokat, felgyorsult gyártást és leggyakrabban alacsonyabb költségeket jelent.
A kommunikációs modul legfontosabb jellemzői
Az adott alkalmazáshoz tartozó modul kiválasztásakor először ki kell választani az adott projekt igényeinek leginkább megfelelő kommunikációs módszert – a fogyasztói és ipari elektronikai IoT-eszközök esetében a leggyakoribb szempontok közé tartoznak az alkalmazható Bluetooth és Wi-Fi szabványok. Vegye azonban figyelembe, hogy ezek a technológiák nem homogének.
Bluetooth szabványok
A Bluetooth egy vezeték nélküli kommunikációs technológia, amely nyílt ISM-frekvenciákon belül működik (industrial, scientific, and medical). A Bluetooth egymást követő verziói (2.0, 3.0, a jelenleg fejlesztés alatt álló 5.x-es ismétlésekig) olyan funkciókat tartalmaztak, amelyeket az eszközök egyre növekvő köre igényel – kezdetben ezek közé tartoztak a kisebb számítógép- és mobiltelefon tartozékok (egerek, fejhallgatók), de idővel lehetővé vált kiterjedtebb kommunikációs rendszerek tervezése, gyorsabb adatátvitel biztosítása, több eszköz együttműködése és hálózatok támogatása a mesh topológiával (sőt, a maximális hatótávolság is kibővült, a perifériaészlelési funkciók javultak, és a kommunikáció biztonsága is fejlődött). Az elmúlt tíz év talán legfontosabb megfigyelt változása a Bluetooth Low Energy protokoll népszerűségének (4.0 és újabb verziók támogatják) növekedése.
A Bluetooth Low Energy (Bluetooth BLE) protokoll egyszerűbb modulációt használ, és ahogy a neve is sugallja, energiatakarékos, elsősorban akkumulátorral működő eszközök tervezésére fejlesztették ki. Specifikációja több profilt határoz meg bizonyos eszköztípusokhoz (GPS műholdas navigációs eszközök, vérnyomás- és súlymérők, HID, azaz Human Interface Device stb.). A gyakorlatban GATT a leggyakrabban használt profil, Generic Attribute Profile, és alapja a szolgáltatások fája (services) és attribútumaik. A profil világos módszereket határoz meg az attribútumokban elhelyezett értékek olvasásához és módosításához. A processzor regiszterekhez hasonlóan működnek, hiszen egyszerűen működtetnek egy eszközt (beállítások módosítása, adatcsere stb.).
Wi-Fi változatok
A Wi-Fi az IEEE 802.11 szabvány készletébe tartozik, és meghatározza a vezeték nélküli hálózati protokollokat fizikai rétegük és adatkapcsolati alrétegük szempontjából. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a Wi-Fi egymást követő verziói meghatározzák a kommunikációs folyamatok kulcsfontosságú szempontjait, azaz a frekvenciákat, az átviteli csatornák számát és szélességét, a maximális sebességet stb. A Wi-Fi egymást követő verziói a megfelelő IEEE-szabványt jelző betűkkel vannak jelölve: a Wi-Fi 1 „b”, 2 – „a”, 3 – „g”, 4 – „n”, 5 – „ac” és 6 – „ax”. A verziók visszafelé kompatibilisek, és a kommunikáció a 2,4 GHz-es és 5 GHz-es sávokon belül zajlik.
Mivel a Wi-Fi-t az eszközök internethez vagy legalábbis helyi hálózathoz való csatlakoztatására használják, az ezt a protokollt támogató kommunikációs modulok gyors adatátvitelt és széleskörű alkalmazkodási lehetőségeket biztosítanak a tervezőknek. A használni kívánt alkalmazási réteg kiválasztása (HTTP, FTP, SSH, TLS/SSL stb.) kizárólag a modulvezérlő szoftvertől függ.
Titkosítás és biztonság
Mivel a vezeték nélküli kommunikációt illetéktelen felek is megfigyelhetik, a továbbított adatokat védeni kell. Az információtitkosítási módszerek (többnyire AES) komplex matematikai műveleteken alapulnak. Magas szintű, szoftver alapú működésük nem lenne hatékony (pl. egy eszközt vezérlő mikrokontroller számítási teljesítményének jelentős részét felemésztené), ezért olyan áramköröket alkalmaznak, amelyeknek egyetlen célja az információk titkosítása és visszafejtése a kommunikációs modulokban. Javítja a biztonsági szintet (mivel a titkosítási kulcsokat hardverben kezelik, és a szoftver számára láthatatlanok), és gyorsabb kommunikációt biztosít (a szükséges számításokat kifejezetten erre a célra kialakított áramkörök végzik).
Interfész
A kommunikációs modulok különféle soros interfészeket használnak a vezérlőegységgel való problémamentes kommunikációhoz. Itt az elektronikus eszközökben használt leggyakoribb szabványokat (I2C, SPI stb.) alkalmazzák. Az önálló üzemmódban (az eszköz teljes működésének vezérléséhez) működő mikrokontroller alapú termékek esetében, mint például a népszerű ESP32 sorozat, a specifikáció nem csak a modul vezérléséhez használt protokollokat részletezi, hanem egy adott áramkör által támogatott egyéb ki-/bemeneti portokat is. Ezek közé tartozhatnak pl. USB-buszok, GPIO interfészek vagy akár A/C konverterek. Hasonlóképpen a hangátvitelt kezelő modulok jellemzői közé tartozik a C/A konverter kimenet (hangerősítőhöz) vagy az I2S port.
Antennák és antenna kimenetek
A modulok többsége integrált antennákkal érkezik SMD-elemek vagy nyomtatott vezetősávok formájában a NYÁK-on. A 2,4/5 GHz-es frekvencián belüli kommunikáció lehetővé teszi kompakt radiátorok használatát. Ennek ellenére a tervezők gyakran belső antennákat választanak. Ennek oka lehet a modultartomány növelésének szükségessége, vagy a tervezéssel kapcsolatos megfontolások. Például, egy IoT-érzékelő terepmunkához lehetséges, hogy elektromágneses hullámokat árnyékoló házba kerül, ebben az esetben a tervezésnél figyelembe kell venni az antenna készülékházon kívülre történő vezetésének lehetőségét.
Egyéb lényeges jellemzők
A specifikációk egyéb fontos információkat is tartalmaznak az egyes kommunikációs modulok teljesítményével kapcsolatban. Elsősorban bizonyos alapvető jellemzőket írnak le (tápellátás, méret, hőtűrés, szerelési módok, ház), de egyéb adatokat is szem előtt kell tartani a modul kiválasztásakor. Ide tartozik például az adó teljesítménye és a vevő érzékenysége (dBm-ben van megadva, ami egy logaritmikus skála, amely a névleges teljesítményt írja le mW-ban), valamint az átviteli sebesség (amely általában nem esik egybe az adott szabványban megadott maximális sebességgel). A programozható mikrokontrollerekkel felszerelt önálló modulok használatánál figyelni kell az adott rendszer felépítésére és az alaplapi RAM és Flash memória kapacitására, mert bonyolultabb, például jelentős mennyiségű adatot összesítő eszközök esetében ezek a paraméterek jelentősen korlátozhatják a tervezési lehetőségeket. Végül egyes alkalmazásokban a kommunikációs modulok nagyon fontos paramétere az aktuális fogyasztás. Jelentős is lehet az akkumulátoros áramkörök vagy a megújuló forrásból nyert energiával ellátott áramkörök (pl. PV cellák) esetében. Ezt a karakterisztikát általában TX/RX formátumban adják meg, vagyis az adatátvitelhez, illetve -vételhez szükséges aktuális értékek összeállításával. Ez utóbbi érték nyilván alacsonyabb lesz, de nem szabad elfelejteni, hogy a gyakorlatban a Bluetooth és a Wi-Fi kommunikáció mindig kétirányú.
Raktár:
