Moduły radiowe do aplikacji IoT

Moduły radiowe do aplikacji IoT

W roku 1996 trzech liderów z branży technologicznej: Intel, Ericsson i Nokia rozpoczęło współpracę nad radiowym standardem krótkiego zasięgu, który umożliwi komunikację między różnymi urządzeniami, dając tym samym początek Bluetooth. W roku 2019 światową sprzedaż urządzeń wyposażonych w ten standard szacowano na ok. 4 miliardy sztuk, a jest to tylko jedno z kilku rozwiązań dla komunikacji bezprzewodowej. W artykule zaprezentujemy najnowsze moduły umożliwiające realizację łączności poprzez Bluetooth, Wi-Fi i LTE oraz do budowy rozległych sieci Mesh.

Bluetooth

Zapewne nie wszyscy czytelnicy wiedzą, że nazwa standardu Bluetooth pochodzi od nazwy skandynawskiego króla Haralda, który z uwagi na jego martwy, sino-niebieski ząb nosił przydomek „Blue-Tooth”. Logo standardu zawiera połączenie dwóch liter pisma runicznego: H+B (rysunek 1). W ostatnich latach zaznacza się spadek urządzeń z klasycznym Bluetooth, na rzecz Bluetooth Low Energy, który znajduje zastosowanie w obszarach rozwiązań dla nowoczesnego przemysłu, IoT, koncepcji SmartHome oraz SmartCity.

Rysunek 1. Logo standardu Bluetooth zawiera połączenie dwóch liter pisma runicznego: H+B

Dzięki zastosowaniu Bluetooth możliwe jest połączenie między urządzeniem/maszyną, a telefonem czy tabletem, budowanie sieci urządzeń i połączenie z Internetem, przesłanie danych i ich prezentacja na urządzeniu przenośnym. Oprócz wygody i elastyczności w dostępnie do danych z różnych źródeł następuje redukcja kosztów – np. nie ma potrzeby montowania wyświetlacza w urządzeniu. Słysząc ogólną nazwę Bluetooth intuicyjnie wiemy, że mamy do czynienia z systemem transmisji bezprzewodowej, jednak w ostatnich latach standard przeszedł dynamiczny rozwój i ewolucję technologiczną dostosowując się do wymagań użytkowników i rynkowych trendów. W dalszej części artykułu w skrócie omówimy chronologiczny rozwój koncepcji Bluetooth i poszczególne jego warianty.

Bluetooth Classic/Bluetooth LE – różnice, cechy i zastosowania

Bluetooth klasyczny

Dotyczy standardu w wersjach 1.0/2.0/3.0. Wersja 3.0 jest ostatnią wersją, która jest w dalszym ciągu dostępna, ale nie będzie już rozwijana (wersje są kompatybilne wstecz). Ta wersja Bluetooth Classic charakteryzuje się 79 kanałami o szerokości 1 MHz w paśmie z przedziału 2,402...2,480 GHz. Utrzymująca się duża liczba projektów i urządzeń bazujących na starszych wersjach standardu powoduje, że producenci w dalszym ciągu utrzymują w swoich portfolio moduły starszej generacji, ale nie są już one rekomendowane do nowych projektów. W ofercie Würth Elektronik znajduje się moduł Bluetooth Classic 2.0 ze zintegrowaną anteną bazujący na chipsecie TI – LMX9830 o marketingowej nazwie Puck-I [1], pokazany na rysunku 2.

Rysunek 2. Moduł Bluetooth Classic 2.0 typu Puck-I, ze zintegrowaną anteną bazujący na chipsecie LMX9830

Bluetooth Low Energy

Już sama nazwa wskazuje nam podstawowe cechy i ideę standardu BLE – to oszczędność konsumowanej energii, zatem rozwiązanie jest przeznaczone dla aplikacji IoT oraz urządzeń zasilanych z baterii. Pobór prądu przez moduł w wersji BLE w porównaniu do klasycznej jest ok. 5...10 razy mniejszy. W celu oszczędności energii moduły BLE w większości czasu pozostają w trybie uśpienia konsumując zaledwie 0,3 μA nie zajmując stale pasma częstotliwości (rysunek 3).

Rysunek 3. W celu oszczędności energii moduły BLE w większości czasu pozostają w trybie uśpienia

W tym standardzie mamy dostępne 40 kanałów po 2 MHz w paśmie z przedziału 2,402...2,480 GHz. Zwróćmy uwagę, że Bluetooth classic i BLE zajmują takie samo pasmo częstotliwości, ale standardy nie są ze sobą kompatybilne.
Dostępne są różne wersje Bluetooth Low Energy:

  • BLE 4.0 – pierwszy w standardzie Low Energy, którego premiera nastąpiła w 2010 roku. Oferuje ramki danych o wielkości 31 Bajtów i moc wyjściową do 10 mW;
  • BLE 4.1 – w tej wersji uzyskujemy możliwość łączenia urządzeń w sieć oraz połączenia z internetem za pomocą protokołu IPSP dla Ipv6;
  • BLE 4.2 – oferuje wyższą prędkość transmisji danych – na poziomie 1 Mbit/s, pakiet danych o wielkości 255 bajtów oraz bezpieczny tryb parowania LESC (Low Energy Secure Connections). Przykładem modułu dla tego standardu jest Proteus-I [2] (rysunek 4) marki Würth Elektronik. Pozwala uzyskać zasięg do 50 metrów przy użyciu zintegrowanej anteny, pobór prądu wynosi 7,5 mA w trybie nadawania oraz 5,4 mA w trybie odbierania danych;
Rysunek 4. Moduł BLE 4.2 typu Proteus-I
  • BLE 5.0 – najnowszy standard Zaprezentowany w roku 2016, charakteryzuje się zwiększonym zasięgiem i mocą do 100 mW, daje możliwość szybszego transferu danych, na poziomie 2 Mbit/s;
  • BLE 5.1 – zapoczątkowany w 2019 roku, najważniejszą cechą jest detekcja kierunku nadawania/odbierania sygnału, daje to możliwość lokalizowania urządzeń. Moduł Proteus III [3] to moduł bazujący na układzie nRF52840 o zasięgu do 400 metrów i szybkości do 2 Mbit/s (rysunek 5). Na uwagę zasługuje również moduł Proteus-e [4] z uwagi, że jest to najmniejszy moduł w ofercie Würth Elektronik serii BLE, jego wymiary to zaledwie 7×9×2 mm (rysunek 6);
  • BLE 5.2 – premiera standardu odbyła się w 2020 roku. Umożliwia konfigurowanie mocy nadajnika, monitorowanie parametru RSSI w celu optymalizacji zużycia energii oraz komunikację z wieloma urządzeniami w tym samym czasie. Dodano również obsługę streamingu audio;
  • BLE 5.3 – najnowsza wersja wprowadza dalsze ograniczanie zużycia energii za pomocą inteligentnej klasyfikacji kanałów. Istnieje możliwość konfiguracji i utworzenia tzw. czarnej listy urządzeń w celu ignorowania urządzeń zakłócających transmisję. W przypadku niskiego ruchu w sieci możliwe jest czasowe spowolnienie szybkości transmisji w celu zmniejszenia konsumpcji energii.
Rysunek 5. Moduł BLE 5.1 typu Proteus III bazujący na układzie nRF52840, o zasięgu do 400 metrów i szybkości do 2 Mbit/s
Rysunek 6. Moduł BLE 5.1 typu Proteus-e jest najmniejszym modułem w ofercie Würth Elektronik serii BLE, jego wymiary to zaledwie 7×9×2 mm

Wi-Fi

Nazwa standardu to skrót od Wireless-Fidelity i określa systemy komunikacji bezprzewodowej bazujące na rodzinie standardów IEEE 802.11 WLAN, które dotyczą sieci lokalnych i komunikacji internetowej. Początek idei to rok 1999, w którym powstaje organizacja typu non-profit z jej charakterystycznym znakiem towarowym Wi-Fi (rysunek 7), a ich mottem przewodnim jest: „Łączenie wszystkich ze wszystkim i wszędzie”.

Rysunek 7. Charakterystyczny znak towarowy Wi-Fi

Urządzenia i systemy komunikacji mogą korzystać z tego znaku pod warunkiem pozytywnego przejścia całego procesu certyfikacji. Wi-Fi wykorzystuje dwa pasma częstotliwości w zakresie 2,400...2,483 GHz (rysunek 8) określane w skrócie jako 2,4 GHz oraz pasmo 5 GHz czyli przedziały częstotliwości w zakresach 5,150...5,350 GHz i 5,470...5,725 GHz (rysunek 9).

Rysunek 8. Użycie pasma 2,4 GHz przez Wi-Fi
Rysunek 9. Użycie pasma 5 GHz przez Wi-Fi

Szybkość transmisji a zasięg Wi-Fi

Rozwój urządzeń to droga od Wi-Fi 1 w wersji IEEE 802.11b w paśmie 2,4 GHz z prędkością 11 Mb/s do Wi-Fi 6 w wersji IEEE 802.11ax w paśmie 2,4 GHz/5 GHz i prędkości 9,6 GB/s. Zasięgi transmisji podawane w dokumentacjach są mierzone w idealnych warunkach, tzw. widoczności optycznej, jak doskonale wiemy, rzeczywistość weryfikuje te parametry – dochodzi kwestia tłumienia ścian, stropów, przeszkody terenowe i odbicia oraz pracujące w okolicy inne urządzenia radiowe w tych samych pasmach tworzące środowisko bardzo zakłócone. W praktyce możemy przyjąć, że zasięg Wi-Fi dla sensownej szybkości transmisji danych to 20...50 metrów w przestrzeniach zamkniętych oraz 150...200 metrów w przestrzeni otwartej.

Sieci bazujące na tej technologii to zazwyczaj kilka lub kilkanaście urządzeń peryferyjnych, zwanych potocznie klientami połączonymi do jednostki centralnej – routera zwanego Hot Spotem, który umożliwia dostęp do sieci Internet. Klient musi podać nazwę sieci SSID oraz hasło, a szyfrowanie transmisji to najczęściej protokół WPA (Wi-Fi Protected Accsess).

Istnieje również możliwość połączenia urządzeń w trybie Point to Point, gdzie nie ma konieczności stosowania jednostki centralnej, po prostu jedno z urządzeń przejmuje funkcję hot-spota.

W ofercie Würth Elektronik dostępny jest moduł Wi-Fi Calypso [5] z chipsetem serii TI-CC3220SF, który działa w standardzie IEEE 802.11 b/g/n w zakresie 2,4 GHz. Jego podstawowe parametry to:

  • maksymalna moc wyjściowa na poziomie +18 dBm,
  • teoretyczny zasięg do 400 metrów,
  • czułość odbiornika –92 dBm,
  • pobór prądu w stanie uśpienia < 10 μA.

Całość zamknięta jest w obudowie o wymiarach 19×27,5×4 mm (rysunek 10).

Rysunek 10. Moduł Wi-Fi typu Calypso z chipsetem serii TI-CC3220SF, który działa w standardzie IEEE 802.11 b/g/n w zakresie 2,4 GHz

LTE – moduły do sieci telefonii komórkowej

Skrót LTE oznacza Long Term Evolution i jest standardem komunikacji bezprzewodowej określanym potocznie jako 4G (czwarta generacja rozwoju sieci komórkowej). Najczęściej kojarzy się z szybkim internetem w naszych urządzeniach mobilnych typu smartfon czy tablet, daje teoretyczną szybkość 300 Mbit/s, a w rzeczywistości jest to 100...150 Mbit/s, co wynika z bardzo wielu czynników takich, jak warunki lokalne, odległości od stacji czy liczba innych aktywnych użytkowników i obciążenie sieci.

Rysunek 11. Standardy dostępu do Internetu poprzez sieci telefonii komórkowej

Moduły LTE stosowane w urządzeniach elektronicznych dają możliwość zwiększenia zasięgu transmisji i wykorzystania istniejącej infrastruktury telefonii komórkowej. Z uwagi na to, że koncepcja IoT nie wymaga aktualnie skrajnie dużych szybkości transmisji, a jednocześnie wymagane jest jak najmniejsze zużycie energii przez takie systemy. Dostęp do Internetu (usług chmurowych) zapewniają dwa standardy (rysunek 11): CAT-M/NB-IoT przeznaczony dla rozwiązań IoT oraz CAT-4/CAT-12 dla urządzeń mobilnych, gdzie najważniejszym parametrem będzie duża szybkość transferu danych, a konsumpcja energii nie będzie pierwszoplanowym parametrem.

Rozwój rozproszonych systemów pomiarowych, czujników, inteligentnych maszyn, urządzeń autonomicznych zasilanych z baterii, które komunikują się z siecią komórkową wymusiły opracowanie odpowiednich dla nich standardów komunikacji. LTE-M oraz LTE-NB-IoT przeznaczone są do rozległych sieci małej mocy określanych jako LPWAM (Low Power Wide Area Networks), czyli nisko kosztowe, energooszczędne i popularne systemy.

  • NB-IoT daje maksymalną prędkość transmisji równą 158 kb/s i przeznaczona jest do urządzeń niewymagających dużej przepustowości danych;
  • LTE-M sprawdzi się tam, gdzie konieczna jest większa ilość danych – oferuje do 1 Mbit/s wraz z możliwością transmisji strumienia audio.

Bardzo ciekawym rozwiązaniem jest moduł marki Würth Elektronik o marketingowej nazwie Adrastea-I [6], który w jednej platformie łączy dwa standardy LTE-M + NB-IoT. Moduł Adrastea-I to najnowszy produkt Würth Elektronik, jego najważniejsze parametry to:

  • możliwość wyboru LTE-M lub NB-Iot,
  • wbudowany odbiornik GNSS (GPS & Glonass),
  • wbudowany procesor ARM Cortex-M4 z 1 MB pamięci flash oraz 256 kB RAM,
  • moc wyjściowa radia: class 3 (+23 dBm).
Rysunek 12. Moduł Adrastea-I to najnowszy produkt Würth Elektronik, który pozwala na obsługę zarówno LTE-M jak i NB-Iot

Całość zamknięta jest w małej obudowie o wymiarach 13,4×14,6×1,85 mm (rysunek 12).

Mesh

Wielopunktowa struktura składająca się z autonomicznych urządzeń radiowych tworzących wspólnie sieć wymiany informacji jest określana jako sieć typu Mesh. Każde urządzenie tworzy tzw. węzeł. W takiej strukturze występuje wiele różnych możliwych ścieżek dla propagacji informacji z punktu początkowego do końcowego. Ciekawą właściwością takiej sieci, jest możliwość komunikacji między urządzeniami, które są od siebie odległe na tyle, że nie ma między nimi bezpośredniego zasięgu radiowego, a wymiana informacji następuje poprzez węzły pośrednie. Urządzenie A wyśle informacje do urządzenia E wykorzystując pośrednie węzły C i D (rysunek 13). W sieci typu Mesh można wyróżnić urządzenie typu master, które będzie zarządzać przepływem informacji, dostępna jest również asynchroniczna lub synchroniczna praca urządzeń. Tego typu sieci pozwalają na dużą swobodę, elastyczność, możliwość pokrywania zasięgiem dużego obszaru oraz łatwość w rozbudowie sieci.

Rysunek 13. Zasada działania sieci Mesh

Mesh nie definiuje obligatoryjnie w jakim paśmie częstotliwości pracują urządzenia. Na rynku istnieje wiele różnych standardów, dla różnych częstotliwości np.: 433 MHz, 868 MHz lub 2,4 GHz. Użytkownik wybiera standard i urządzenia za pomocą, których można uzyskać tego typu sieci, wybór zależy od rodzaju przesyłanych informacji, warunków lokalnych, dostępnego wsparcia w zakresie sprzętowym, licencji czy oprogramowania. Würth Elektronik w swojej ofercie ma odpowiednie moduły pracujące w pasmach częstotliwości 868 MHz, 915 MHz oraz 2,4 GHz.

Rysunek 14. Moduł Thetis – I, który bazuje na protokole Wirepas i jest przeznaczony do budowy rozległych i energooszczędnych sieci IoT

Na szczególną uwagę zasługuje moduł Thetis – I [7], który bazuje na protokole Wirepas. Urządzenia pracują w paśmie 2,4 GHz, są przeznaczone do rozległych i energooszczędnych sieci, szczególnie do tworzenia dużych sieci IoT (rysunek 14). Czy możemy sobie wyobrazić sieć o obszarze miliona kilometrów kwadratowych? Za pomocą modułu Thetis – I jest to możliwe. Moduły te potrafią samodzielnie przeorganizować się w przypadku awarii węzła sieci, dodać nowy komponent do sieci i jednocześnie ustalić optymalną ścieżkę dla danych oraz automatycznie dopasować wymagany poziom mocy transmisji pomiędzy węzłami sieci, tak by nie nadawać zbyt dużą mocą, oszczędzać baterię, a jednocześnie zapewnić poziom sygnału na poziomie zapewniającym nieprzerwaną komunikację.

Rafał Książka/Würth Elektronik
www.we-online.com

[1] https://www.we-online.com/catalog/en/PUCK-I
[2] https://www.we-online.com/catalog/en/PROTEUS-I
[3] https://www.we-online.com/catalog/en/PROTEUS-III
[4] https://www.we-online.com/catalog/en/PROTEUS-E
[5] https://www.we-online.com/catalog/en/CALYPSO
[6] https://www.we-online.com/catalog/en/ADRASTEA-I
[7] https://www.we-online.com/catalog/en/THETIS-I

Więcej informacji:
 
Würth Elektronik Polska Sp. z o.o., 53-609 Wrocław, ul. Wagonowa 2 bud. B, eiSos-Poland@we-online.com, www.we-online.com
Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
czerwiec 2022

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik czerwiec 2022

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec - sierpień 2022

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje czerwiec 2022

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna czerwiec 2022

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich lipiec 2022

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów