Evoluția rapidă a Internetului Lucrurilor (IoT) și a Inteligenței Artficiale (AI) crește necesitatea pentru conectivitatea sistemelor wireless, devenind imperativ ca dezvoltatorii să aleagă fără zăbavă protocolul potrivit și să proiecteze rapid și economic sistemul. Pentru ajutor, există disponibile numeroase module wireless, dar proiectanții au nevoie să urmeze un proces de selecție logică și integrare pentru a asigura succesul proiectului.
Acest articol ia în discuție un proces în 4 pași pentru selecția și implementarea într-o aplicație embedded a modulului wireless și a protocolului wireless potrivit:
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)
1. Selectați o interfață wireless și un protocol pe baza cerințelor de lățime de bandă, rază de acțiune și de cost
2. Decideți dacă modulul wireless ar trebui să includă capabilitate de procesare pentru aplicații embedded, pe lângă implementarea protocolului wireless
3. Identificați cerințele de I/O pentru modulul wireless sau pentru chip
4. Selectați modulul sau cipul potrivit pe baza deciziilor luate în primii trei pași
Articolul descrie câteva module wireless selectate ca fiind exemple reprezentative, dintre multele module disponibile pentru sistemele embedded conectate fără fir.
Pasul 1: Selectați protocolul wireless
În Figura 1 sunt prezentate câteva dintre cele mai cunoscute protocoale wireless, în funcție de lățimea de bandă și raza de acțiune.
Această diagramă simplă permite o analiză rapidă a opțiunilor bazate în mod simplu pe cerințele de rază de acțiune și lățime de bandă. Protocoalele din stânga – Wi-Fi, Bluetooth și Bluetooth LE (de joasă energie) – furnizează sute de kilobiți pe secundă (Kbiți/s) sau megabiți pe secundă (Mbiți/s) pe raze de acțiune de ordinul zecilor de metri (m). Aceste protocoale sunt cel mai potrivite pentru rețelele din interiorul clădirilor. Protocoalele de la dreapta livrează date pe raze de ordinul kilometrilor. Acestea sunt potrivite pentru dispozitive embedded comandate de la distanță în interiorul unui campus sau al unui oraș.
Figura 2: Modulul Wi-Fi/Bluetooth/Bluetooth LE Adafruit 3320 operează la viteza de 150 megabiți pe secundă. — (Sursă imagine: Adafruit)
Modulele care implementează Wi-Fi, Bluetooth și Bluetooth LE (sau o combinație a acestora) au adesea antene pe placă. De exemplu, antena integrată în modulul Wi-Fi/Bluetooth/Bluetooth LE Adafruit 3320 este în mod clar vizibilă (Figura 2). Aceasta este reprezentată prin traseul în zig-zag din partea superioară a plăcii de circuit. Antenele integrate simplifică puternic proiectarea unui sistem embedded legat în rețea wireless, deoarece complexa muncă a dezvoltării antenei este deja făcută.
Acest modul este proiectat pentru a fi montat pe o placă de circuit și necesită componente suplimentare, astfel încât, poate că nu este cel mai bun start pentru prototipare. Modulul este disponibil și lipit de o mică placă de circuit ca un kit de dezvoltare, și anume Espressif Systems ESP32-DEVKITC, prezentat în Figura 3. Acesta trimite semnalele de la toți pinii modului către un conector cu pini de 0.1 inch, încorporează un cip adaptor serial USB la TTL, butoane de programare și reinițializare, precum și un stabilizator de tensiune de 3.3V.
Figura 3: ESP32-DEVKITC de la Espressif Systems ghidează toți pinii modulului Adafruit 3320 către un conector cu pini de 0.1 inch, încorporează un cip adaptor serial USB la TTL, butoane de programare și reinițializare, precum și un stabilizator de tensiune de 3.3V — (Sursă imagine: Espressif Systems)
Figura 4: Modemul celular LTE Cat1 XBC-V1-UT-001 XBee de la Digi International, oferă un sistem embedded pentru rețelele de comunicații celulare ale Verizon. — (Sursă imagine: Digi International)
Protocoalele wireless cu rază mare de acțiune și antenele de pe placă (on-board) nu se potrivesc
Comunicațiile de rețea wireless pe distanțe mari necesită antene externe care, bineînțeles, complică acest lucru. De exemplu, modemul celular LTE Cat 1, XBC-V1-UT-001 Digi XBee de la Digi International utilizează antene externe, care se conectează la doi conectori RF sub-miniaturali U.FL.
Acești conectori permit atașarea antenelor LTE primară și secundară (Figura 4).
Este necesară o antenă primară. Cea de-a doua antenă, cea secundară, îmbunătățește performanțele de recepție în anumite situații și este recomandată de Digi. Antenele trebuie poziționate cât mai departe posibil de modulul modem celular (și de alte obiecte metalice). Dacă sunt instalate ambele antene, ele ar trebui orientate la un unghi drept una față de cealaltă pentru a obține cele mai bune rezultate.
Pasul 2: Are nevoie aplicația de procesare pe modulul de rețea wireless?
Unele module de rețea wireless dispun de procesoare pe placă. Altele nu. Dacă sistemul embedded aflat în dezvoltare, are deja un procesor, atunci poate să nu fie nevoie de un alt procesor programabil pe modulul de rețea wireless. Dacă modulul wireless trebuie să execute programul de aplicație al sistemului embedded, atunci uneltele de programare disponibile și capabilitățile de execuție ale modulului devin parte ale procesului decizional. Utilizând inteligența on-board a modulelor de rețea wireless pentru a executa aplicația embedded, se economisește în mod clar spațiul de placă ocupat. Suplimentar, aceasta poate simplifica proiectarea hardware și poate reduce costul legat de materialele necesare.
Unele dintre modulele analizate mai sus implementează un adevărat mediu de programare. În cazul modem-ului celular XBC-V1-UT-001 XBee de la Digi, există pe placă un mediu de programare MicroPython prin care se poate folosi inteligența încorporată a modem-ului pentru aplicații simple. De exemplu, senzorii conectați la pinii de I/O analogici și digitali ai modulului pot fi citiți, procesați și apoi datele pot fi transmise. Comenzile de acționare pot fi primite și se poate acționa în consecință. Modulul are 13 pini digitali de I/O și 4 pini de intrare analogică pe 10-biți. MicroPython poate ajuta, de asemenea, la gestionarea energiei în sisteme embedded alimentate de la baterii, bazate pe modem.
Programarea este realizată prin conectarea XBC-V1-UT-001 în placa de interfațare Digi XBIB-U-DEV, ce se conectează la un PC cu un cablu USB, pornind un program de tip terminal. În configurația XCTU de la Digi, există un program terminal MicroPython și un software utilitar de testare. Modulul XBC-V1-UT-001 vine cu o memorie RAM de 24 kilobyte și o memorie flash de 8 Kbyte pentru stocare.
Este posibilă obținerea unor performanțe mai mari de la inteligența on-board și în alte module de rețea wireless. De exemplu, modulul Wi-Fi/Bluetooth/ Bluetooth LE din kitul de dezvoltare Espressif Systems ESP32-DEVKITC, analizat în pasul 1 de mai sus, încorporează două nuclee de procesor Xtensa LX6 RISC pe 32-biți, ambele rulând la 160 MHz. Prin convenție, unul dintre aceste procesoare este procesorul de “protocol”, iar celălalt este procesorul de “aplicație”. Cu toate acestea, ambele procesoare pot accesa toate resursele de pe placă. Aceasta înseamnă suficientă putere de procesare pentru majoritatea aplicațiilor embedded.
Figura 5: Placa Mini PCIe cu factor de formă redus la jumătate, EWM-W151H01E 1T de la Advantech implementează standardele Wi-Fi IEEE 802.11b/g/n. — (Sursă imagine: Advantech)
Pasul 3: Identificarea cerințelor de I/O pentru cip sau modulul wireless.
Fie că modulul de rețea wireless rulează intern aplicația embedded, fie că nu, este foarte probabil că este nevoie de a se conecta la altceva în sistemul embedded: fie va avea nevoie să se conecteze la un procesor (CPU) gazdă din sistemul embedded, fie va avea nevoie să se conecteze direct la senzori și actuatori. Probabil va fi nevoie de ambele situații.
Calea cea mai simplă este abordarea de tip “plug & play”. Conectați un modul, încărcați driverele și gata!
Placa Mini PCIe, EWM-W151H01E 802.11b/g/n de la Advantech Corp. se conectează la un soclu mini PCIe și comunică cu un CPU gazdă prin PCIe (Figura 5).
Pentru a începe dezvoltarea cu EWM-W151H01E, trebuie încărcate driverele Windows (7, 8, sau 10) sau Linux, iar sistemul embedded este gata de conectat la sistemul Wi-Fi existent la viteze de transfer de date până la 150 Mbiți/s. Factorul de formă al plăcii Mini PCIe, împreună cu driverele pentru Windows și Linux, recomandă acest modul de placă ca fiind cel mai potrivit pentru proiecte cu PC-uri embedded (procesor x86).
Analiza Espressif Systems ESP32-DEVKITC a menționat că intrările analogice și pinii digitali simpli de I/O de pe modul pot fi utilizați pentru conectare la senzori și actuatori. În orice caz, modulul are, de asemenea, interfețe seriale mai complexe, incluzând trei UART-uri, două porturi I2C, trei porturi SPI și două porturi I2S. Acestea pot fi utilizate pentru conectarea la o varietate de dispozitive periferice, precum și pentru interfațare la un CPU gazdă. Iată câteva specificații despre acestea:
• UART-ul modulului are o viteză de transfer maximă de 5 Mbiți/s.
• Porturile sale I2C suportă viteze de transfer de 100 Kbiți/s (mod standard) și 400 Kbiți/s (mod rapid).
• Porturile sale I2S suportă viteze de transfer de 40 Mbiți/s.
• Porturile sale SPI suportă 50 Mbiți/s.
Dacă modulul cu cel mai potrivit protocol nu are capacitățile de I/O necesare, sistemul embedded va necesita adăugarea unui cip de extensie I/O, care va avea nevoie de mai mult spațiu pe placă, cauzând creșterea consumului de putere, suplimentarea complexității de programare și creșterea costului cu materialele necesare. Este de departe mai bine de a se rezolva totul, dacă este posibil, cu un singur modul de rețea wireless.
Pasul 4: Alegere și implementare
În acest punct din proces, plaja de selecție trebuie îngustată la numai câteva opțiuni sau poate doar una. Cerințele de lățime de bandă și rază de acțiune ar trebui să îngusteze plaja la una sau două protocoale potrivite. O necesitate de procesare a aplicației pe placă (on-board) ar trebui să elimine în continuare unele opțiuni. Până la urmă, cerințele de I/O ar trebui să conducă la un număr redus de opțiuni. În acest punct, alegerea este fie evidentă, sau există câteva opțiuni bune, în care criteriul de selecție final poate ajunge să fie familiaritatea sau ușurința de implementare.
Concluzie
Cerința de conectivitate wireless embedded continuă să crească. Numărul ridicat de protocoale disponibile poate crea confuzie la prima vedere asupra unor proiectanți embedded, dar fiecare protocol umple o nișă de rază de acțiune/putere/viteză de transfer de date, simplificând astfel selecția, dacă este privită din această perspectivă.
Acest articol a prezentat un proces în patru pași pentru selectarea soluției potrivite din zeci sau chiar sute de module de rețea wireless disponibile.
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.
Digi-Key Electronics | https://www.digikey.ro
