Module IoT (WiFi/Bluetooth)
(447)Dispozitivele IoT Internet of Things) sunt, prin definiție, circuite electronice cu funcționalitate de comunicare. În marea majoritate a cazurilor, acestea vor utiliza transmiterea de date fără fir, folosind în general standarde mondiale precum WiFi sau Bluetooth. Pentru a pune în aplicare astfel de soluții în mod eficient, se folosesc aproape întotdeauna machete gata de utilizare. Acest lucru se datorează faptului că proiectarea lor necesită teste extinse și o arhitectură specifică - utilizarea unui modul de comunicare pregătit de un producător specializat este pur și simplu cea mai rentabilă și eficientă soluție. Prin urmare, să aruncăm o privire asupra gamei și caracteristicilor acestor module.
Selecția și tipurile de module de comunicare
Principalele diviziuni ale modulelor de comunicație pot fi făcute în funcție de standardele pe care le suportă sau în funcție de programabilitatea acestora. Prima caracteristică este evidentă: se referă la tehnologiile la care este adaptat produsul. A doua se referă la construcția modulului. Deoarece transmiterea stabilă și sigură a datelor necesită o putere de calcul relativ mare, multe cipuri utilizează microcontrolere sau machete SoC (System on Chip), care pot funcționa independent sau chiar pot controla funcționarea întregului circuit. În astfel de cazuri, modulul de comunicații devine platforma pe care este proiectat întregul dispozitiv. Acest lucru se traduce prin simplificarea fazei de prototipare și de construcție, accelerarea producției și, adesea, reducerea costurilor acesteia.
Caracteristici importante ale modulelor de comunicare
Atunci când se selectează un modul pentru o aplicație, primul pas este să se decidă asupra metodei de comunicare care este cea mai potrivită pentru nevoile proiectului - pentru dispozitivele IoT din domeniul electronicii de consum și industriale, standardele Bluetooth și WiFi sunt cel mai des luate în considerare. Cu toate acestea, trebuie avut în vedere faptul că acestea nu sunt tehnologii omogene.
Standarde Bluetooth
Bluetooth este o tehnologie de comunicare fără fir și funcționează pe frecvențe ISM deschise ISM (din engleză industrial, scientific, and medical). În versiunile succesive ale Bluetooth (2.0, 3.0, până la iterația 5.x) sunt incluse funcționalitățile cerute de o gamă din ce în ce mai largă de dispozitive: la început a fost vorba de mici accesorii pentru calculatoare și telefoane mobile (mouse-uri, căști), în timp ce, cu timpul, a devenit posibilă construirea unor sisteme de comunicare mai extensive, transfer de date mai rapid, colaborare a mai multor dispozitive, suport pentru rețele cu topologie mesh (de asemenea, raza maximă de acțiune a fost extinsă, detectarea perifericelor și securitatea comunicațiilor au fost îmbunătățite). Poate că cea mai semnificativă schimbare din ultimul deceniu a fost proliferarea Bluetooth Low Energy (acceptat de versiunile de la 4.0 în sus).
Protocolul Bluetooth Low Energy (Bluetooth BLE) utilizează o modulație mai simplă și, după cum sugerează și numele, a fost dezvoltat pentru a construi dispozitive eficiente din punct de vedere energetic, alimentate în principal cu baterii. Specificația sa definește o serie de profiluri, fiecare dintre acestea fiind dedicat unui anumit tip de dispozitiv (navigație GPS, tensiometre, cântare, HID, de exemplu Human Interface Device etc.). În practică, cel mai frecvent utilizat profil este GATT, Generic Attribute Profile, care se bazează pe arborele de servicii (services) și pe atributele acestora. Profilul definește metode clare de citire și modificare a valorilor plasate în atribute. Acestea au un rol similar cu cel al registrelor procesorului - ele servesc pur și simplu la operarea dispozitivului (modificarea setărilor, schimbul de date etc.).
Versiuni WiFi
WiFi aparține setului de standarde IEEE 802.11 și definește protocoale de rețea fără fir în ceea ce privește stratul fizic și substratul de legătură de date. În practică, acest lucru înseamnă că versiunile succesive ale standardului WiFi specifică aspecte esențiale ale comunicațiilor: frecvențe, numărul și lățimea canalelor de transmisie, viteza maximă etc. Versiunile succesive ale WiFi sunt indicate prin literele care desemnează standardul IEEE relevant: WiFi 1 este litera b, 2 - a, 3 - g, 4 - n, 5 - ac, 6 - ax. Versiunile sunt compatibile cu versiunile anterioare, iar comunicarea are loc în benzile de 2,4 GHz și 5 GHz.
Deoarece WiFi este utilizat pentru a se conecta la internet sau cel puțin la rețeaua locală, modulele de comunicare care acceptă acest protocol le oferă proiectanților acces la transmiterea rapidă a datelor, precum și la o adaptabilitate largă. Nivelul de aplicație utilizat (HTTP, FTP, SSH, TLS/SSL etc.) depinde numai de software-ul care controlează modulul.
Criptare și securitate
Deoarece comunicațiile fără fir pot fi monitorizate de persoane neautorizate, datele transmise trebuie să fie securizate. Metodele de criptare a informațiilor (în primul rând AES se bazează pe operații matematice complexe. Operarea software de nivel înalt a acestora ar fi ineficientă (de exemplu, ar consuma o cantitate semnificativă din puterea de calcul a microcontrolerului care controlează dispozitivul), astfel încât circuitele al căror unic scop este de a cripta și decripta informații sunt implementate în module de comunicare. Acest lucru se traduce printr-o securitate îmbunătățită (deoarece cheile de criptare sunt gestionate în hardware și sunt invizibile pentru software) și o comunicare mai rapidă (calculele necesare sunt efectuate de cipuri concepute special în acest scop).
Interfață
Modulele de comunicare utilizează diverse interfețe seriale pentru a asigura o comunicare eficientă cu unitatea de control. Aici sunt utilizate cele mai populare standarde folosite în dispozitivele electronice (I2C, SPI etc.). Pentru produsele care se bazează pe microcontrolere care pot funcționa în mod autonom (controlează funcționarea întregului dispozitiv), cum ar fi populara serie ESP32, specificația detaliază nu numai protocoalele utilizate pentru a controla modulul, ci și alte porturi de intrare/ieșire suportate de cip. Acestea pot include, de exemplu, magistrale USB interfețe GPIO și chiar convertoare A/C . Același lucru este valabil și pentru modulele care suportă transmisia audio fără fir: aici, caracteristicile vor include ieșire C/A (către un amplificator audio) sau port I2S.
Antene și ieșiri de antene
Majoritatea modulelor au antene integrate realizate sub forma unor componente SMD sau a unor căi pe PCB. Comunicarea pe frecvențe de 2,4/5GHz permite utilizarea de elemente de radiere compacte. Cu toate acestea, proiectanții aleg adesea să utilizeze o antenă internă. Acest lucru se poate datora necesității de a crește raza de acțiune a modulului sau poate fi dictat de considerente de proiectare. De exemplu, un senzor IoT care funcționează pe teren poate fi adăpostit într-o carcasă care protejează de undele electromagnetice - caz în care proiectarea trebuie să ia în considerare posibilitatea de a aduce antena în afara corpului.
Alte caracteristici relevante
În specificație sunt incluse alte câteva informații cheie despre performanța fiecărui modul de comunicare. În primul rând, acestea descriu aspecte elementare (tensiune de alimentare, dimensiuni, toleranță termică, metode de montare, carcasă), dar trebuie să se țină cont și de alte date atunci când se alege un modul. Caracteristicile importante pot fi puterea emițătorului și sensibilitatea receptorului (exprimate în dBm, o scară logaritmică care descrie puterea în mW), precum și viteza de transmisie (de obicei, aceasta nu coincide cu vitezele maxime indicate în standard). Atunci când se ia în considerare utilizarea modulelor autonome echipate cu microcontrolere programabile, merită să se țină seama de arhitectura cipului în cauză, precum și de capacitatea memoriei RAM și Flash încorporate: în cazul dispozitivelor mai complexe, cum ar fi cele care agregă cantități semnificative de date, este posibil ca acești parametri să limiteze semnificativ posibilitățile de proiectare. În cele din urmă, în unele aplicații un parametru foarte important pentru modulele de comunicații este consumul de curent. Acesta este cazul circuitelor alimentate cu baterii, baterii reîncărcabile sau a celor care utilizează energie din surse regenerabile (de exemplu, o celulă fotovoltaică). Această caracteristică este dată de obicei în format TX/RX, și anume un format care compilează valorile curente necesare pentru transmiterea și, respectiv, recepția datelor. Cel din urmă număr va fi, desigur, mai mic, dar trebuie reținut că, în practică, comunicarea Bluetooth și WiFi este întotdeauna bidirecțională.
Depozit:
