IoT (WiFi/Bluetooth) moduler
(457)IoT-enheterna (Internet of Things) är av sin definition elektroniska kretsar med kommunikationsfunktionalitet. I flesta fall använder de sig av trådlös dataöverföring främst med hjälp av världsgällande standarder som WiFi eller Bluetooth. För att implementering av sådana lösningar ska ske smidigt används nästan alltid färdiga kretsar. Detta beror på att deras projektering kräver omfattande tester och en specifik arkitektur – användning av en kommunikationsmodul som är förberedd av specialiserad tillverkare är helt enkelt den mest ekonomiska och effektiva lösningen. Låt oss titta på utbudet av och egenskaperna hos sådana moduler.
Val och typer av kommunikationsmoduler
Huvudindelningen av kommunikationsmodulerna kan ske efter de standarden som de hanterar eller efter deras programmeringsmöjligheter. Den första egenskapen är självklar: den gäller vilken teknik en viss modul är anpassad för. Den andra gäller modulens uppbyggnad. Eftersom en stabil och säker dataöverföring kräver en relativ stor beräkningskapacitet används mikrokontroller eller SoC-kretsar (System on Chip) i många kretsar som kan arbeta oberoende och till och med styra hela systemets drift. I sådana fall blir kommunikationsmodulen en plattform som utgör utgångspunkten för projektering av hela enheten. Detta innebär förenklat prototypbygge, snabbare tillverkningsstart och ofta minskade produktionskostnader.
Viktiga egenskaper av kommunikationsmodulerna
Vid val av modul till en applikation ska man i första hand välja en kommunikationsmetod som bäst lämpar sig för projektet – vid IoT-enheter inom konsument- och industriell elektronik övervägs oftast Bluetooth- och WiFi-standarder. Man måste dock komma ihåg att det inte är homogena teknologier.
Bluetooth-standarder
Bluetooth är en trådlös kommunikationsteknik och arbetar med öppna ISM-frekvenser (eng. industrial, scientific, and medical). I efter varandra följande Bluetooth-versioner (2.0, 3.0, tills nuvarande 5.x) tas det hänsyn till funktionaliteter som krävs av en allt större grupp av enheter: i början var det små dator- och mobiltelefontillbehör (mös, hörlurar) medan med tiden har man utökat möjligheterna för utbyggda kommunikationssystem, snabbare dataöverföring, samverkan med ett större antal enheter, hantering av nätverk med mesh topologi (utökad maximal räckvidd, effektivare detektering av periferier och förbättrad kommunikationssäkerhet). Kanske den viktigaste ändringen som skett under det senaste decenniet var spridningen av Bluetooth-protokollet Low Energy (som hanteras av versioner från 4.0 uppåt).
Bluetooth-protokollet Low Energy (Bluetooth BLE) använder sig av en enklare modulering och som själva namnet antyder har tagits fram för att skapa energisnåla enheter, framför allt batteridrivna. I dess specifikation har en rad profiler definierats där var och en är dedicerad för en viss typ av enheter (GPS-navigering, blodtrycksmonitorer, vågar, HID, dvs. Human Interface Device osv.). I praktiken är GATT den profil som oftast används Generic Attribute Profile och baseras på ett serviceträd (service tree) (services) och dess attribut. Profilen bestämmer transparenta metoder för avläsning och modifiering av värden som finns placerade i attributen. De fyller en liknande roll som en processors register – används helt enkelt för att betjäna enheten (ändring av inställningar, datautbyte osv.).
WiFi-versioner
WiFi hör till en uppsättning av IEEE 802.11 standarder och anger trådlösa nätverksprotokoll inom deras fysiska skikt och datalänkunderskitet. I praktiken innebär detta att nästa WiFi-versioner anger kommunikationens nyckelaspekter: frekvens, antal och bredd av överföringskanalerna, maximal hastighet osv. Nästa WiFi-versioner betecknas med bokstäver som beskriver IEEE-standar: WiFi 1 står för bokstaven b, 2 - a, 3 - g, 4 - n, 5 - ac, 6 - ax. Versionerna är bakåtkompatibla och kommunikationen sker i 2,4GHz och 5GHz bandet.
Eftersom WiFi-används för anslutning med Internet eller minst lokalt nätverk ger kommunikationsmoduler som hanterar detta protokoll projekterarna åtkomst till en snabb dataöverföring och breda anpassningsmöjligheter. Vilket applikationsskikt (HTTP, FTP, SSH, TLS/SSL osv.) som används beror endast på den programvara som styr modulen.
Kryptering och säkerhet
Eftersom den trådlösa kommunikationen kan avlyssnas av obehöriga personer ska data som överförs skyddas. Metoder för kryptering av informationen (framför allt AES baseras på komplicerade matematiska operationer. Mjukvaruhantering av dem på en hög nivå skulle vara ineffektivt (ex. skulle äta upp en stor del av beräkningskapaciteten av den mikrokontroller som styr enheten) varför det implementeras kretsar vars enda syfte är att kryptera och avkoda information i kommunikationsmoduler. Detta bidrar till förbättrad säkerhet (eftersom krypteringsnycklarna hanteras av hårdvaran och är osynliga för mjukvaran) och snabbare kommunikation (nödvändiga beräkningar utförs av kretsar som är designade just för detta syfte).
Gränssnitt
Kommunikationsmodulerna använder sig av olika seriella gränssnitt för att säkerställa en effektiv kommunikation med styrenheten. Här används de populäraste standarderna som utnyttjas i elektronisk enheter (I2C, SPI osv.). Vid produkter som baseras på mikrokontroller som kan arbeta autonomiskt (styra hela enheten) som ex. den populära ESP32 serien anges i specifikationen inte bara protokoll för modulstyrning utan även andra ingåns-/utgångsportar som hanteras av den aktuella kretsen. Det kan vara ex. USB-bussar, GPIO-gränssnitt och även A/C-omvandlare . Så är också fallet med moduler som hanterar trådlös ljudöverföring: här räknas C/A-omvandlarens utgång (till ljudförstärkare) eller I2S port i egenskaperna.
Antenner och antennutgångar
De flesta modulerna har integrerade antenner i form av SMD-komponenter eller spår på PCB. Kommunikationen i 2,4/5GHz banden gör det möjligt att använda kompakta antenner. Icke desto mindre väljer konstruktörerna ofta att använda en intern antenn. Detta kan bero på behovet att öka modulens räckvidd eller på konstruktionsskäl. Exempel: en IoT-sensor som arbetar i fält kan placeras i ett hölje som avskärmar de elektromagnetiska vågorna – i sådant fall ska designen ge möjligheten att ansluta en antenn utanför höljet.
Andra viktiga egenskaper
I specifikationen av varje kommunikationsmodul anges ytterligare några viktiga uppgifter om dess funktion. Dessa beskriver framför allt de grundläggande parametrarna (matarspänning, mått, termisk tolerans, monteringssätt, hölje) men även andra uppgifter ska tas i beaktande vid val av modul. Viktiga egenskaper kan vara sändareffekten och sändarkänsligheten (anges i dBm, dvs. en logaritmisk skala som beskriver effekt i mW) samt överföringshastigheten (oftast motsvarar den inte de maximala hastigheterna som anges i aktuell standard). När användningen av autonomiska moduler utrustade med programmerbara mikrokontroller övervägs är det värt att beakta kretsens arkitektur och det inbyggda operativminnets och Flash-minnets kapacitet: vid mera komplicerade enheter, ex. de som samlar in stora datamängder kan det visa sig att dessa parametrar betydligt begränsar projektmöjligheterna. Avslutningsvis: i visa applikationer är strömförbrukningen en mycket viktig parameter hos kommunikationsmodulerna. Så är fallet i de kretsar som matas från batterier, ackumulatorer eller förnybara energikällor t.ex. fotovoltaiska celler). Denna karakteristik anges oftast i TX/RX formatet, dvs. strömvärde som krävs för (respektive): datasändning och -mottagning. Det andra talet blir givetvis lägre men man måste komma ihåg att Bluetooth- och WiFi-kommunikationen i praktiken alltid sker dubbelriktat.
Lager:
