Moduły IoT (WiFi/Bluetooth)
(456)Urządzenia IoT (Internet of Things) z definicji są obwodami elektronicznymi o funkcjonalności komunikacyjnej. W zdecydowanej większości przypadków będą korzystały z bezprzewodowej transmisji danych, przeważnie z wykorzystaniem ogólnoświatowych standardów, takich jak WiFi czy Bluetooth. Aby implementacja takich rozwiązań przebiegała sprawnie, niemal zawsze wykorzystuje się gotowe układy. Wynika to stąd, że ich zaprojektowanie wymaga rozległych testów i specyficznej architektury – użycie modułu komunikacyjnego przygotowanego przez wyspecjalizowanego producenta jest po prostu najbardziej ekonomicznym i efektywnym rozwiązaniem. Przyjrzyjmy się zatem ofercie i charakterystyce takich modułów.
Dobór i rodzaje modułów komunikacyjnych
Główny podział modułów komunikacyjnych można przeprowadzić z uwzględnieniem obsługiwanych przez nie standardów albo podług możliwości ich programowania. Pierwsza cecha jest oczywista: dotyczy tego, do jakich technologii przystosowano dany produkt. Druga wiąże się z budową modułu. Ponieważ stabilna i bezpieczna transmisja danych wymaga stosunkowo dużej mocy obliczeniowej, w wielu układach wykorzystuje się mikrokontrolery lub układy SoC (System on Chip), które mogą pracować niezależnie, a nawet sterować pracą całego obwodu. W takich przypadkach moduł komunikacyjny staje się platformą, na bazie której zostaje zaprojektowane całe urządzenie. Przekłada się to na uproszczenie etapu prototypowania i budowy, przyspieszenie produkcji, a niejednokrotnie również obniżenie jej kosztów.
Istotne cechy modułów komunikacyjnych
Dobierając moduł do aplikacji w pierwszej kolejności należy się zdecydować na metodę komunikacji, która będzie najlepiej dopasowana do potrzeb projektu – w przypadku urządzeń IoT z zakresu elektroniki konsumenckiej i przemysłowej najczęściej rozważa się standardy Bluetooth oraz WiFi. Należy mieć jednak na uwadze, że nie są to technologie jednorodne.
Standardy Bluetooth
Bluetooth jest technologią komunikacji bezprzewodowej i pracuje na otwartych częstotliwościach ISM (ang. industrial, scientific, and medical). W kolejnych wersjach Bluetooth (2.0, 3.0, aż do obecnie rozwijanych iteracji 5.x) uwzględnia się funkcjonalności wymagane przez coraz szerszą grupę urządzeń: z początku były to drobne akcesoria do komputerów i telefonów komórkowych (myszy, zestawy słuchawkowe), podczas gdy z czasem umożliwiono budowę bardziej rozbudowanych systemów komunikacji, szybszego przesyłania danych, współpracy większej liczby urządzeń, obsługę sieci o topologii mesh (poszerzono też maksymalny zasięg, usprawniono wykrywanie peryferiów i poprawiono bezpieczeństwo komunikacji). Być może najważniejszą zmianą, jaka dokonała się w ostatniej dekadzie, było rozpowszechnienie się protokołu Bluetooth Low Energy (obsługiwanego przez wersje 4.0 wzwyż).
Protokół Bluetooth Low Energy (Bluetooth BLE) stosuje prostszą modulację i, jak sama nazwa wskazuje, został opracowany z myślą o budowie urządzeń energooszczędnych, przede wszystkim zasilanych bateryjnie. W jego specyfikacji zdefiniowano szereg profili, z których każdy dedykowany jest konkretnemu rodzajowi urządzeń (nawigacja GPS, monitory ciśnienia tętniczego, wagi, HID, czyli Human Interface Device itd.). W praktyce najczęściej stosowanym profilem jest GATT, Generic Attribute Profile, który opiera się na drzewie usług (services) i ich atrybutów. Profil określa przejrzyste metody odczytywania i modyfikacji wartości umieszczonych w atrybutach. Pełnią rolę podobną do rejestrów procesora – służą po prostu obsłudze urządzenia (zmianie jego nastaw, wymianie danych etc.).
Wersje WiFi
WiFi należy do zbioru standardów IEEE 802.11 i określa protokoły sieci bezprzewodowej w zakresie ich warstwy fizycznej i podwarstwy łącza danych. W praktyce oznacza to, że kolejne wersje WiFi określają kluczowe aspekty komunikacji: częstotliwości, liczbę i szerokość kanałów transmisji, maksymalną prędkość itp. Kolejne wersje WiFi oznacza się literami desygnującymi odnośny standard IEEE: WiFi 1 to litera b, 2 - a, 3 - g, 4 - n, 5 - ac, 6 - ax. Wersje są wstecznie kompatybilne, a komunikacja odbywa się na pasmach 2,4GHz oraz 5GHz.
Ponieważ WiFi jest używane do połączeń z Internetem, albo przynajmniej siecią lokalną, moduły komunikacyjne obsługujące ten protokół dają projektantom dostęp do szybkiej transmisji danych, a także szerokie możliwości adaptacji. To, jaka warstwa aplikacji zostanie użyta (HTTP, FTP, SSH, TLS/SSL itp.), zależy wyłącznie od oprogramowania sterującego modułem.
Szyfrowanie i bezpieczeństwo
Ponieważ komunikacja bezprzewodowa może być monitorowana przez osoby niepowołane, przesyłane dane powinny zostać zabezpieczone. Metody szyfrowania informacji (przede wszystkim AES opierają się na skomplikowanych operacjach matematycznych. Ich programowa obsługa na wysokim poziomie byłaby nieefektywna (np. pochłaniałaby znaczną część mocy obliczeniowej mikrokontrolera sterującego urządzeniem), dlatego w modułach komunikacyjnych implementuje się układy, których jedynym celem jest szyfrowanie i deszyfrowanie informacji. Przekłada się to na poprawę bezpieczeństwa (gdyż klucze szyfrujące obsługiwane są sprzętowo i są niewidoczne dla oprogramowania) oraz przyspieszenie komunikacji (potrzebne obliczenia wykonują układy zaprojektowane specjalnie do tego konkretnego celu).
Interfejs
Moduły komunikacyjne korzystają z różnych interfejsów szeregowych, aby zapewnić sprawną komunikację z jednostką sterującą. Tutaj stosuje się najpopularniejsze standardy wykorzystywane w urządzeniach elektronicznych (I2C, SPI etc.). W przypadku produktów, które opierają się na mikrokontrolerach mogących pracować autonomicznie (kontrolować pracę całego urządzenia), jak np. popularna seria ESP32, w specyfikacji wyszczególnia się nie tylko protokoły służące do sterowania modułem, ale również inne porty wejścia/wyjścia obsługiwane przez dany układ. Mogą to być np. magistrale USB, interfejsy GPIO, a nawet przetworniki A/C . Podobnie rzecz ma się z modułami obsługującymi bezprzewodowe przesyłanie dźwięku: tutaj do charakterystyki zaliczać się będzie wyjście przetwornika C/A (do wzmacniacza audio) czy port I2S.
Anteny i wyjścia antenowe
Większość modułów posiada zintegrowane anteny wykonane w formie elementów SMD lub ścieżek na PCB. Komunikacja na częstotliwościach 2,4/5GHz pozwala na używanie kompaktowych promienników. Tym niemniej, konstruktorzy często decydują się na użycie anteny wewnętrznej. Może to wynikać z potrzeby zwiększenia zasięgu modułu lub być podyktowane względami konstrukcyjnymi. Przykładowo: pracujący w terenie czujnik IoT może być umieszczony w obudowie ekranującej fale elektromagnetyczne – w takim przypadku projekt powinien uwzględniać możliwość wyprowadzenia anteny na zewnątrz korpusu.
Inne istotne elementy charakterystyki
W specyfikacji każdego modułu komunikacyjnego umieszcza się jeszcze kilka kluczowych informacji o jego działaniu. Przede wszystkim opisują one kwestie elementarne (napięcie zasilania, wymiary, tolerancję termiczną, metody montażu, obudowę), ale podczas dobierania modułu należy też mieć na uwadze inne dane. Istotnymi cechami mogą się okazać moc nadajnika oraz czułość odbiornika (podawane w dBm, czyli skali logarytmicznej opisującej moc w mW), a także szybkość transmisji (zwykle nie pokrywa się ona z maksymalnymi prędkością wskazaną w danym standardzie). Rozważając użycie modułów autonomicznych, wyposażonych w programowalne mikrokontrolery, warto mieć na uwadze architekturę danego układu, a także pojemność wbudowanej pamięci operacyjnej oraz Flash: w przypadku bardziej skomplikowanych urządzeń, np. agregujących znaczne ilości danych, może się okazać, że te parametry znacznie ograniczają możliwości projektowe. Ostatecznie: w niektórych aplikacjach bardzo ważnym parametrem modułów komunikacyjnych jest ich pobór prądu. Tak będzie w przypadku obwodów zasilanych bateryjnie, akumulatorowo czy też czerpiących energię ze źródeł odnawialnych (np. ogniwa fotowoltaicznego). Charakterystykę tę zazwyczaj podaje się w formacie TX/RX, czyli zestawiając wartości natężenia prądu wymaganego do (odpowiednio): transmisji oraz odbioru danych. Ta druga liczba będzie, oczywiście, mniejsza – jednak należy pamiętać, że w praktyce komunikacja Bluetooth i WiFi zawsze odbywa się dwukierunkowo.
Magazyn:
