Moduly IoT (WiFi/Bluetooth)
(450)Zariadenia IoT (Internet of Things) sú podľa definície elektronické obvody s komunikačnými funkciami. V drvivej väčšine prípadov budú používať bezdrôtový prenos údajov, väčšinou pomocou globálnych štandardov, ako je WiFi alebo Bluetooth. Na efektívnu implementáciu takýchto riešení sa takmer vždy používajú hotové čipy. Ich návrh si totiž vyžaduje rozsiahle testovanie a špecifickú architektúru – použitie komunikačného modulu pripraveného špecializovaným výrobcom je jednoducho najvýhodnejším a najefektívnejším riešením. Pozrime sa preto na sortiment a vlastnosti takýchto modulov.
Výber a typy komunikačných modulov
Hlavné rozdelenie komunikačných modulov možno vykonať podľa štandardov, ktoré podporujú, alebo podľa ich programovateľnosti. Prvá vlastnosť je zrejmá: týka sa toho, ktorým technológiám je výrobok prispôsobený. Druhá súvisí s konštrukciou modulu. Keďže stabilný a bezpečný prenos údajov si vyžaduje pomerne vysoký výpočtový výkon, mnohé obvody používajú mikrokontroléry alebo systémy SoC (System on Chip), ktoré môžu pracovať samostatne alebo dokonca riadiť činnosť celého obvodu. V takýchto prípadoch sa komunikačný modul stáva platformou, na ktorej je navrhnuté celé zariadenie. To znamená zjednodušenie fázy prototypovania a konštrukcie, zrýchlenie výroby a často aj zníženie nákladov.
Dôležité vlastnosti komunikačných modulov
Pri výbere modulu pre aplikáciu je prvým krokom rozhodnutie o komunikačnej metóde, ktorá je najvhodnejšia pre potreby projektu – v prípade zariadení IoT spotrebnej a priemyselnej elektroniky sa najčastejšie uvažuje o štandardoch Bluetooth a WiFi. Je však dôležité mať na pamäti, že nejde o homogénne technológie.
Štandardy Bluetooth
Bluetooth je bezdrôtová komunikačná technológia a funguje na otvorených frekvenciách ISM (ang.industrial, scientific, and medical). Jednotlivé verzie Bluetooth (2.0, 3.0 až po iteráciu 5.x, ktorá je v súčasnosti vo vývoji) zahŕňali funkcie, ktoré vyžaduje stále širší okruh zariadení: spočiatku malé príslušenstvo pre počítače a mobilné telefóny (myši, headsety), pričom postupom času bolo možné vytvárať rozsiahlejšie komunikačné systémy, rýchlejší prenos údajov, spoluprácu viacerých zariadení, podporu sietí s topológiou mesh (rozšíril sa aj maximálny dosah, zlepšila sa detekcia periférií a zvýšila sa bezpečnosť komunikácie). Azda najdôležitejšou zmenou, ktorá sa udiala v poslednom desaťročí, bolo rozšírenie protokolu Bluetooth Low Energy (odporovaného od verzie 4.0 vyššie).
Protokol Bluetooth Low Energy (Bluetooth BLE) používa jednoduchšiu moduláciu a ako už názov napovedá, bol vyvinutý na konštrukciu energeticky úsporných zariadení napájaných predovšetkým z batérií. Jeho špecifikácia definuje množstvo profilov, z ktorých každý je určený pre konkrétny typ zariadenia (navigácia GPS, tlakomery, váhy, HID, teda Human Interface Device atď.). V praxi sa najčastejšie používa profil GATT, Generic Attribute Profile, ktorý je založený na strome služieb (services) a ich atribútov. Profil definuje transparentné metódy na čítanie a úpravu hodnôt umiestnených v atribútoch. Majú podobnú úlohu ako registre procesora – slúžia jednoducho na ovládanie zariadenia (zmenu jeho nastavení, výmenu údajov atď.).
Verzie WiFi
WiFi patrí do súboru štandardov IEEE 802.11 a definuje bezdrôtové sieťové protokoly z hľadiska ich fyzickej vrstvy a podvrstvy dátového spojenia. V praxi to znamená, že jednotlivé verzie WiFi definujú kľúčové aspekty komunikácie: frekvencie, počet a šírku prenosových kanálov, maximálnu rýchlosť atď. Jednotlivé verzie WiFi sa označujú písmenami označujúcimi príslušný štandard IEEE: WiFi 1 je b, 2 je a, 3 je g, 4 je n, 5 je ac, 6 je ax. Verzie sú spätne kompatibilné a komunikácia prebieha v pásmach 2,4 GHz a 5 GHz.
Keďže WiFi sa používa na pripojenie k internetu alebo aspoň k miestnej sieti, komunikačné moduly podporujúce tento protokol poskytujú projektantom prístup k rýchlemu prenosu dát, ako aj k širokým možnostiam prispôsobenia. To, ktorá aplikačná vrstva sa použije (HTTP, FTP, SSH, TLS/SSL atď.), závisí len od softvéru, ktorý modul ovláda.
Šifrovanie a zabezpečenie
Keďže bezdrôtovú komunikáciu môžu sledovať neoprávnené osoby, prenášané údaje by mali byť chránené. Metódy šifrovania informácií (predovšetkým AES sú založené na zložitých matematických operáciách. Ich programové spracovanie na vysokej úrovni by bolo neefektívne (napr. by spotrebovalo značnú časť výpočtového výkonu mikrokontroléra riadiaceho zariadenie), preto sú obvody, ktorých jediným účelom je šifrovanie a dešifrovanie informácií, implementované v komunikačných moduloch. To znamená vyššiu bezpečnosť (keďže šifrovacie kľúče sa spracúvajú v hardvéri a sú pre softvér neviditeľné) a rýchlejšiu komunikáciu (potrebné výpočty vykonávajú obvody špeciálne navrhnuté na tento špecifický účel).
Rozhranie
Komunikačné moduly používajú rôzne sériové rozhrania na zabezpečenie efektívnej komunikácie s riadiacou jednotkou. Tu sa používajú najbežnejšie štandardy používané v elektronických zariadeniach (I2C, SPI etc.). V prípade výrobkov, ktoré sú založené na mikrokontroléroch, ktoré môžu pracovať autonómne (riadiť činnosť celého zariadenia), ako napr. obľúbený rad ESP32, špecifikácia uvádza nielen protokoly používané na ovládanie modulu, ale aj ďalšie vstupné/výstupné porty podporované čipom. Medzi ne môžu patriť napr. zbernice USB, rozhrania GPIO, a dokonca A/C meniče . To isté platí pre moduly podporujúce bezdrôtový prenos zvuku: tu budú charakteristiky zahŕňaťvýstup meniča C/A (pre audio zosilňovač) alebo port I2S.
Antény a anténne výstupy
Väčšina modulov má integrované antény vyrobené vo forme SMD prvkov alebo trás na DPS. Komunikácia na frekvenciách 2,4/5 GHz umožňuje používanie kompaktných žiaričov. Napriek tomu sa konštruktéri často rozhodujú pre použitie internej antény. Dôvodom môže byť potreba zvýšiť dosah modulu alebo to môže byť dané konštrukčnými hľadiskami. Napríklad: senzor IoT pracujúci v teréne môže byť umiestnený v puzdre, ktoré tieni elektromagnetické vlny, a v takom prípade by sa pri návrhu mala zohľadniť možnosť vyvedenia antény mimo tela.
Ďalšie relevantné charakteristiky
V špecifikácii je uvedených niekoľko ďalších kľúčových informácií o výkone každého komunikačného modulu. V prvom rade opisujú elementárne otázky (napájanie, rozmery, tepelná tolerancia, spôsoby montáže, puzdro), ale pri výbere modulu by sa malo pamätať aj na ďalšie údaje. Dôležitými údajmi môžu byť výkon vysielača a citlivosť prijímača (udávané v dBm, čo je logaritmická stupnica popisujúca výkon v mW), ako aj prenosová rýchlosť (ktorá sa zvyčajne nezhoduje s maximálnymi rýchlosťami uvedenými v danej norme). Pri zvažovaní použitia samostatných modulov vybavených programovateľnými mikrokontrolérmi je potrebné mať na pamäti architektúru príslušného čipu, ako aj kapacitu zabudovanej pamäte RAM a pamäte Flash: v prípade zložitejších zariadení, ako sú zariadenia agregujúce značné množstvo údajov, sa môže stať, že tieto parametre výrazne obmedzia možnosti projektu. Nakoniec: v niektorých aplikáciách je veľmi dôležitým parametrom komunikačných modulov ich spotreba prúdu. Bude to v prípade obvodov napájaných z batérií, obvodov napájaných z akumulátorov alebo obvodov čerpajúcich energiu z obnoviteľných zdrojov (napr. fotovoltický článok). Táto charakteristika sa zvyčajne uvádza vo formáte TX/RX, t. j. zostavuje sa z prúdových hodnôt potrebných na (resp.) vysielanie a prijímanie údajov. Druhý údaj bude, samozrejme, nižší – treba si však uvedomiť, že v praxi je komunikácia cez Bluetooth a WiFi vždy obojsmerná.
Sklad:
