Bine ați venit în “teritoriul” Wireless: alegerea de benzi RF și protocoale pentru dezvoltatorii embedded

7 IUNIE 2019

Dispozitivele și sistemele embedded au fost de-a lungul timpului dispozitive de sine stătătoare cu interfețe cu fir pentru schimb de date și mentenanță. Acum proiectanții se află sub presiunea de a adăuga interfețe wireless pentru a conecta sistemele sau dispozitivele la alte sisteme, sau la Internetul Lucrurilor (IoT).

În vreme ce progresul componentelor pe siliciu și a noilor interfețe au făcut ca adăugarea de conectivitate fără fir să fie mai practică, partea negativă este aceea că există o serie extinsă de protocoale disponibile, raze de acțiune și viteze de transfer de date pentru care trebuie optat și, de multe ori, pot apărea confuzii. Pentru proiectanți, acest lucru face ca alegerea corectă pentru o aplicație specifică să fie dificilă.
Pentru a ajuta la îngustarea mai rapidă a plajei de căutare pentru o soluție practică, acest articol compară și sumarizează 10 opțiuni de rețele wireless pentru proiecte embedded și furnizează exem­ple de 3 module wireless foarte diferite.

Criterii de evaluare a interfețelor wireless
Raza de acțiune, costul și consumul energetic sunt poate cele mai importante criterii pentru majoritatea proiectelor embedded. În termeni de rază de acțiune, opțiunile wireless variază puternic:

Comunicația în câmp apropiat (NFC) poate funcționa pe numai câțiva centimetri.
Bluetooth și Zigbee sunt proiectate pentru a asigura câțiva metri utilizând energie extrem de redusă.
Radio Wi-Fi bazat pe 802.11 are o rază de acțiune de numai câțiva metri conectându-se direct la omniprezenta infrastructură Internet.
IoT de bandă îngustă (NB-IoT) utilizează infrastructura celulară licențiată pentru a transporta date wireless pe mulți kilometri.
LoRaWAN și Sigfox sunt o opțiune wireless de joasă putere și rază mare de acțiune care, de asemenea, acoperă mai mulți kilometri, dar operează în benzi nelicențiate.

Figura 1: O diagramă conceptuală a razei de acțiune (de la metri la kilometri) versus lățime de bandă (în biți pe secundă până la megabiți pe secundă) pentru câteva protocoale wireless. – (Sursă imagine: Digi-Key Electronics)

Figura 1 este un desen simplu, care plasează câteva dintre aceste protocoale în planul lățime de bandă/rază de acțiune.
Există două criterii adiționale de luat în considerare suplimentar razei de acțiune, costului și consumului energetic. Primul este dacă aplicația apelează sau nu un procesor de aplicație de pe placă.
Unele module wireless emulează operarea și utilizează aceleași unelte de dezvoltare ca plăcile de dezvoltare uzuale, precum Arduino Uno. Altele, au propria arhitectură și propriul ecosistem de dezvoltare. În același timp, altele nu au deloc procesare pe placă.
Dacă modulele wireless vor implementa numai comunicații pentru un procesor gazdă, atunci interfața dintre procesorul gazdă și modulul wireless devine un factor important. Aici, există numeroase posibilități de alegere, inclusiv protocoale seriale precum I2C, SPI, sau UART. O altă posibilitate este conectorul cu pini de I/O al Arduino – numeroase module sunt disponibile ca shield-uri Arduino. Totuși aceste interfețe seriale mai lente și conectorul cu pini I/O al Arduino nu va suporta viteze de transfer de date mai mari. Vitezele de transfer de date mai mari necesită interfețe mult mai rapide precum, de exemplu, PCIe.

Tabelul 1: Comparația diferitelor standarde pentru comunicație wireless embedded. – (Sursă: Digi-Key Electronics)

Următoarea listă tabelară ordonată alfabetic prezintă zece variante uzuale și criteriile de selecție de bază pentru diferite protocoale de rețea wireless potrivite unui proiect embedded.
Unele dintre aceste protocoale wireless, precum Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth de joasă energie (BLE) și NFC au deja o largă utilizare în telefonia mobilă și producția de laptopuri. Vândute în sute de mili­oane de bucăți, modulele și circuitele integrate RF necesare pentru implementarea acestor protocoale au devenit relativ ieftine. Iată aici o scurtă des­criere pentru fiecare dintre standardele listate în tabelul de mai sus:

Bluetooth: Dezvoltat inițial pentru o legătură wireless între dispozitive companion și telefoane mobile, Bluetooth a devenit un protocol wireless folositor pentru aplicații de joasă putere, care necesită o rază de acțiune relativ mică și o lățime de bandă moderată de la 1 la 3 megabiți pe secundă (Mbps). Datorită protocoalelor de date extinse și a profilurilor deja existente, modulele RF Bluetooth sunt relativ ușor de integrat într-o aplicație embedded.

Bluetooth LE: Bluetooth LE reduce considerabil consumul energetic și costul prin comparație cu Bluetooth-ul clasic, menținând o rază similară de acțiune a comunicației. BLE a fost gândită pentru noi aplicații în sănătate, fitness, balize de localizare și aplicații de tip divertisment la domiciliu.
LoRaWAN: Creată pentru dispozitivele wireless alimentate de la baterii, în rețelele regionale, naționale sau locale, LoRaWAN țintește cerințe IoT cheie în a oferi comunicație sigură, de joasă putere, bidirec­țională cu servicii de mobilitate și localizare pe o suprafață mare. Specificația LoRaWAN este un strat MAC (Media Access Control – control acces media) care poate fi suprapus pe o varietate de protocoale PHY (PHY – physical layer – straturi fizice) de la rețele satelitare precum Globalsat, până la rețele teres­tre publice și private. LoRaWAN oferă inter­operabilitate fără probleme, cu rază mare de acțiune între dispozitive IoT, fără suportul unei rețele locale.

IoT de bandă îngustă: Dezvoltat pentru a conecta o plajă largă de dispozitive și pentru a activa servicii utilizând benzile de telecomunicații celulare, NB-IoT este una dintre tehnologiile Mobile IoT (MIoT) standardizate de 3GPP (3rd Gene­ration Partnership Project). NB-IoT este implementat “în bandă” în cadrul spectrului celular alocat pentru rețelele celulare 4G LTE utilizând blocuri de resurse în cadrul unui purtător normal LTE, sau în blocuri de resurse neutilizate într-o bandă de gardă a purtătorului LTE.
NFC: Pentru dispozitive portabile precum telefoanele mobile, NFC furnizează un set standardizat de protocoale de comunicație care permit ca două dispozitive electronice să comunice în proximitatea apropiată (uzual mai puțin de 10 cm), astfel încât este strict o conexiune de rază scurtă. Este adesea utilizată pentru tranzacții financiare precum sistemele de plată fără contact sau dispozitivele mobile de eliberare bilete. Datorită razei scurte de acțiune a NFC, unul dintre cele două dispozitive de comunicație NFC este uzual portabil. Altfel, o simplă pereche de fire oferă uzual o legătură de comunicație mai ieftină și mai simplă.

Sigfox: Dispozitivele de joasă putere precum cele de măsurare a mărimilor electrice sau ceasurile inteligente care au nevoie să fie comutate intermitent și necesită să opereze cu alimentare pe baterii pentru ani sau chiar zeci de ani, pot utiliza interfața radio cu rază lungă de acțiune patentată de Sigfox, cu scopul de a trimite ocazional cantități mici de date în cloud.

6LoWPAN: 6LoWPAN este un acronim al “IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks” și este bazată pe ideea că protocolul Internet (IP) poate și trebuie să fie aplicabil chiar și celor mai mici dispozitive. Protocolul 6LoWPAN permite dispozitivelor de joasă putere cu capabilități de procesare limitate să participe în IoT prin definirea mecanismelor care permit pachetelor IPv6 să fie trimise și recepționate în rețele radio bazate pe straturi mai puțin complexe PHY și MAC ale IEEE 802.15.4 (care servește, de asemenea, ca bază pentru rețelele RF de joasă putere Zigbee și alte câteva).

802.11/Wi-Fi: Omniprezent, rapid și cu suport nativ de IP, Wi-Fi este relativ ușor de integrat într-un design embedded pentru a conecta un dispozitiv direct la IoT.

802.15/Zigbee: Standardul IEEE 802.15.4 specifică PHY și MAC pentru rețelele de arie personală cu viteze mici de transfer wireless a datelor (WPAN – Wireless Personal Area Networks). Zigbee se bazează pe standardul 802.15.4 cu un protocol wireless proiectat pentru realizarea de rețele de tip mesh mari sau medii, care leagă senzori și contro­lere. Mai mult de 2500 de produse dispun acum de certificare Zigbee și mai mult de 300 de mili­oane din aceste produse au fost vândute.

Z-Wave: Z-Wave a fost dezvoltat ca un protocol wireless de joasă viteză, simplu de implementat, care permite unei varietăți mari de dispozitive electronice casnice să comunice utilizând un protocol wireless sigur și de joasă putere, care să treacă ușor prin pereți, podele și cabinete. Z-Wave este un protocol patentat, dezvoltat de un vânzător și necesită licență pentru utilizare. Există acum mai mult de 700 de companii membre în Alianța Z-Wave, oferind mai mult de 2400 de produse “inteligente” conectate wireless, precum electrocasnice, dispozitive de umbrire ferestre, termostate și iluminare casnică.

Majoritatea acestor protocoale wireless sunt disponibile acum ca module gata de utilizat, care sunt certificate pentru standarde regionale, pentru a face viața mai ușoară proiectanților embedded, care au nevoie să adauge comunicație wireless în proiectele lor. Chiar dacă Partea a II-a acestui articol va oferi exemple și descrieri asupra multor astfel de module, pentru a vă deschide apetitul, vă prezentăm trei module cu protocoale wireless diferite:

Figura 2: Modulul MCU ESP-WROOM-32 Wi-Fi-BT-BLE de la Espressif Systems operează la viteze de 150Mbps. – (Sursă imagine: Espressif Systems)

ESP-WROOM-32 de la Espressif Systems
ESP-WROOM-32 este un modul Wi-Fi/Bluetooth/ Bluetooth LE cu procesor integrat care țintește o varietate largă de aplicații, de la rețele senzoriale de joasă putere, viteză mică de transfer a datelor, până la sarcini mai solicitante operând la viteze mai mari de transfer a datelor, incluzând aici codare de voce, flux de muzică și decodare MP3. Modulul măsoară numai 25.2 mm × 18 mm și dispune de un procesor cu dublu miez pe 32 de biți, permițându-i să acționeze, atunci când este necesar, în calitate de controler gazdă. El poate activa de la distanță un alt CPU operând ca sclav, utilizând o varietate de interfețe, inclusiv SPI și I2C.

Placa Mini PCIe EWM-W151H01E 802.11b/g/n 1T de la Advantech Corp.
Placa Mini PCIe EWM-W151H01E 1T de dimensiuni mult mai mici implementează standardele Wi-Fi IEEE 802.11b/g/n și operează la viteze de transmitere de date de până la 150Mbps. Factorul de formă extrem de redus al plăcii Mini PCIe, împreună cu driverele pentru Windows și Linux, recomandă acest modul pentru proiectele embedded PC (procesor x86).

Figura 3: Placa Mini PCIe Advantech EWM-W151H01E 1T implementează standardele Wi-Fi IEEE 802.11b/g/n. – (Sursă imagine: Advantech)

Figura 4: Modulul radio celular XBC-V1-UT-001 XBee, LTE Cat 1 de la Digi International pune un sistem embedded în rețeaua celulară de comunicații a Verizon pentru câțiva dolari pe lună. – (Sursă imagine: Digi International)

Modulul celular XBC-V1-UT-001 XBee LTE Cat 1 de la Digi International
Modulul celular XBC-V1-UT-001 LTE Cat 1 din cadrul seriei XBee de module RF programabile de la Digi International conectează rețelele celulare LTE ale Verizon pentru câțiva dolari pe lună. El poate servi ca procesor de control embedded wireless care este programat în MicroPython. Acesta poate, de asemenea, servi ca simplu modem celular cu conexiune UART pentru alte procesoare embedded. Digi International oferă, de asemenea, kitul celular XKC-V1T-U XBee 4G care include modem-ul celular, cabluri, o sursă de tensiune și o placă purtătoare care distribuie porturile modem-ului către conectori.

Concluzie
Proiectanții continuă să răspundă la solicitările unor forme de conectivitate wireless pentru proiectele de sisteme embedded. Totuși, numărul de opțiuni wireless continuă să se extindă, cauzând un anumit grad de confuzie.
Pentru a putea trece de această confuzie, un proiectant trebuie mai întâi să aibă un tablou clar asupra cerințelor de proiectare. În urma acestui lucru, ei pot utiliza prezentarea de mai sus pentru a potrivi rapid cerințele la diferite profiluri de conectivitate wireless cu privire la raza de acțiune, putere și viteza de transfer de date. Acest lucru poate simplifica mult și accelera procesul de selecție din “teritoriul” wireless aflat în plin avânt.

Autor: Rich Miron – Inginer de aplicații

Rich Miron, Inginer de aplicații la Digi-Key Electronics, face parte din grupul de autori care crează articole tehnice (Technical Content Group) din 2007, având res­ponsabilitatea principală de a scrie și edita articole, bloguri și module de instruire pentru cunoașterea produselor.
Înainte de Digi-Key, el a testat și calificat sisteme de control și instrumentare pentru submarine nucleare. Rich deține o diplomă în inginerie electrică și electronică de la Universitatea de Stat din North Dakota din Fargo, ND.

Nota editorului:
Partea I a acestei serii formate din două părți ia în discuție diferite opțiuni de conectivitate wireless disponibile pentru proiectanții de sisteme embedded și furnizează câteva exemple relevante.
Partea a II-a va discuta caracteristicile modulelor wireless mai în detaliu, împreună cu o privire din interior despre cum să fie utilizate eficient.

Digi-Key Electronics   |    www.digikey.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre