česky english Vítejte, dnes je sobota 29. leden 2022

Bezdrátové rozhraní? Ano, ale se správnými nástroji

DPS 5/2020 | Vývoj - články
Autor: Jason Tollefson, Microchip Technology

Jak se zorientovat mezi spoustou variant na trhu s bezdrátovými technologiemi a zvolit pro každou aplikaci to nejlepší možné řešení?

Když doma potřebujete něco udělat, např. pověsit obrázek nebo přitáhnout nohu od židle, neobejdete se bez těch správných nástrojů. Pokud se ale kladivem vybavíte i na uvolněnou nohu, dobré výsledky snad nemůžete ani očekávat. Stejným způsobem lze ostatně pohlížet i na bezdrátové technologie. Každá z nich bude mít konkrétní výhody, které pak v daných případech s výhodou využijete. Nějaký univerzální nástroj však bude spíše výjimkou. Pojďme tedy otevřít svou „bednu s nářadím“ a prozkoumat nejlepší možný způsob využití pro každý z následujících nástrojů sloužících bezdrátové komunikaci: Bluetooth® Low Energy, Wi-Fi™, LoRa® a také IEEE 802.15.4™.

Otevíráme kufr na nářadí

Bluetooth Low Energy

Technologie Bluetooth nám díky svému nasazení v chytrých telefonech není zase tak cizí. Máme zde aplikace s připojením k reproduktorům či dveřním zámkům, využíváme různé doplňky a také řadu dalších produktů. Standard BLE (Bluetooth Low Energy) nabízí vzájemnou propojitelnost, nízkou vlastní spotřebu, jednoduše uchopitelné uživatelské rozhraní a dosah do 30 až 100 metrů. Jedná se tudíž o vyhledávanou technologii určenou pro spoustu výrobků dotýkajících se člověka a jeho telefonu.

Wi-Fi

Pokud by zde byla jedna univerzální bezdrátová technologie, mohlo by se jednat právě o Wi-Fi. Volně dostupné připojení k Wi-Fi najdeme v hotelích, na letišti, v kavárnách a nyní také v autech, která si pořizujeme. Wi-Fi je oblíbená pro svou rychlost, možnost zabezpečení a rovněž i skvělé předpoklady pro odesílání a příjem dat v rámci sítě. Home Telecom [1] poznamenává, že rychlosti v případě 802.11n a zařízení s jedinou anténou dosahují v reálných podmínkách přibližně 25 až 50 Mbps. Srovnejte to s méně než 2 Mbps pro Bluetooth Low Energy 5. Pravda, dosah je dobrý, nicméně většina z nás přesto potvrdí, že nebývá dostatečný. Pro Wi-Fi to pak bude představovat jednu z největších příležitostí k dalšímu zlepšování. Lifewire [2] uvádí typický dosah v 2,4GHz síti 802.11n uvnitř budov zhruba 46 metrů. To není zlé, ale když přejdete na síť v pásmu 5 GHz, zkrátí se záběr na pouhých 15 metrů.

LoRa

Na téma LoRa a jejího vstupu do světa bezdrátových technologií se hodně mluví. Označení je přitom zkratkou pro „Long Range“, což svému významu rozhodně odpovídá. V sítích LoRa lze totiž komunikovat až na vzdálenost desíti kilometrů. Pokud se tedy jedná o dosah, internet věcí má svého favorita. Další významnou vlastností zde bude nízká vlastní spotřeba, která tak vhodně nahrává vzdáleným snímačům napájeným z baterie. Na rozdíl od Wi-Fi a BLE vyžaduje LoRa speciální síťovou infrastrukturu, podobně jako naše mobilní telefony. Můžete si vytvořit vlastní brány, příp. si u poskytovatele síťových služeb potřebné pásmo pronajmout. Další rozdíl pak spočívá v propustnosti dat, která se v sítích LoRa měří v kilobitech za vteřinu, což je sice výrazně méně než u Wi-Fi či Bluetooth, nicméně pro senzory a jednoduché příkazy, včetně řízení, to stále postačuje.

IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 je základem pro protokoly Zigbee® a MiWi™. Podporuje kmitočty v pásmu 2,4 GHz a také do 1 GHz, pokaždé s určitými výhodami oproti těm ostatním. Zmíněná bezdrátová technologie vytváří „sítě mesh“ a byla navržena tak, aby řešila klíčové problémy u bateriově napájených systémů, pokud jde o vlastní spotřebu, spolehlivost, stálost a rovněž i dosah. Činnost bezdrátových sítí může narušit spousta faktorů – od pohybu lidí a změny v prostředí přes vybité baterie až po přechodné interference. Pokud se již takové potíže vyskytnou, dokáže to síť mesh založená na 802.15.4 sama i překonat. Zmíněná vlastnost pak zásadní měrou zvyšuje robustnost sítě a potažmo i spolehlivost při komunikaci.

Uzly v sítích mesh dle 802.15.4 rovněž nabízí odpovídající stálost. Mohou být uspány, takže přitom na delší dobu přeruší přenos dat. Na rozdíl od technologií, jako je ethernet či Wi-Fi, kde uzavřené uzly v rámci sítě „zastarávají“, sítě řešené dle 802.15.4 nabízejí nepřetržité „členství“. Propustnost dat se u takových sítí v závislosti na konfiguraci a zvoleném protokolu pohybuje od 100kbps do 1 Mbps. Bývají chráněné a vyznačují se malou, nebo dokonce žádnou schopností vzájemné spolupráce, pokud jde o stávající infrastrukturu. Přehled charakteristických vlastností přináší tabulka 1.

Bezdrátové rozhraní

Chopte se nástroje a začněte pracovat

Nyní, když jsme si popsali přednosti každého z nástrojů pro bezdrátovou komunikaci, potřebujeme v dalším kroku rozhodnout o nejlepším způsobu, jak s těmito produkty vyřešit společné rozhraní tak, abychom dokázali optimálně fungovat. Společnost Microchip Technology v této souvislosti nabízí čtyři typy rozhraní – UART, SPI, SDIO a také samostatné řešení. První tři se pojí s prvkem host typu MCU, mikroprocesoru nebo FPGA. Samostatným řešením pak máme na mysli součástku navrženou ve stylu „vše v jednom“, která spojí mikrokontrolér a vysokofrekvenční část tak, abychom obdrželi jedno pouzdro, příp. též modul. Aby v Microchipu zjednodušili nasazení takových obvodů, připravili zde rovněž drivery a nezapomínají ani na práci s ASCII. V případě samostatných řešení se pak může protokol bezdrátového rozhraní pro zajištění kompaktního řešení dle aktuálních potřeb skloubit s vlastním kódem. Typy dostupných rozhraní u nástrojů pro bezdrátovou komunikaci zachycuje tabulka 2.

Bezdrátové rozhraní 1

A dílo je hotovo

Ať již půjde o elegantní uživatelské rozhraní mobilního telefonu s Bluetooth Low Energy, nebo dosahování vysoké propustnosti dat s Wi-Fi a host MPU s SDIO, volba toho nejlepšího nástroje pro vaši aplikaci bude hrát klíčovou roli. Správné řešení totiž během vývoje ušetří drahocenný čas, zkrátí dobu potřebnou k uvedení produktu na trh a příznivě se podepíše i v otázce tržeb. Pro další informace již odkazujeme přímo na stránky výrobce [3].

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik