Treść sponsorowana: Zintegrowane rozwiązania jednopłytkowe do łatwego programowania bezprzewodowego

Łączność bezprzewodowa zapewnia najłatwiejszą ścieżkę do chmury, umożliwiając dostęp do Internetu Rzeczy dla szerokiej gamy aplikacji. Dzięki obsłudze sieci bezprzewodowej nie ma potrzeby prowadzenia kabli do lokalizacji każdego urządzenia, a inteligentne protokoły, takie jak Bluetooth, ułatwiają konfigurację urządzeń z dowolnego miejsca.

Opcje technologii bezprzewodowej

Zespoły inżynierów mają teraz dostęp do szerokiej gamy opcji łączności bezprzewodowej odpowiednich do ich zastosowania.

Krótki zasięg: W przypadku krótkiego zasięgu w domu lub biurze, Bluetooth i Wi-Fi obejmują szereg funkcji wymaganych dla niskiej mocy i dużej przepustowości. Nawet w większych instalacjach, takich jak w dużym magazynie lub w hali produkcyjnej, zastosowanie bram WiFi i sieci kratowych w przypadku sieci o niskiej mocy, takich jak Bluetooth lub Zigbee, znacznie poszerza zasięg operacyjny.

Średni zakres: Sieci bezprzewodowe, takie jak LoRaWAN i Sigfox, umożliwiają dostęp do urządzeń w odległości kilkudziesięciu kilometrów przy bardzo niskich kosztach. Sieci te są zaprojektowane do przesyłania niewielkich ilości danych, obsługując dane o prędkości do 50 kb / s w przypadku LoRaWAN, i w przeciwieństwie do usług komórkowych, sieci te nie są obciążane bajtem. Użytkownicy mogą obsługiwać własne bramy, które mogą być wymagane do obsługi w odległych lokalizacjach, ale także zapewniają opcje, w których zasięg sieci komórkowej może nie być niezawodny. Dostawcy usług, tacy jak The Things Network, zbudowali sieci publiczne oparte na LoRaWAN, które obejmują całe miasta i ich przedmieścia. Sieć rzeczy ma obecnie ponad 8 000 działających bram, obejmujących wiele dużych miast i przedmieść w Europie Zachodniej oraz gęsto zaludnione części Stanów Zjednoczonych.

Dalekosiężny / powszechny: Gdy wymagany jest szerszy zasięg, a aplikacja może obsługiwać rozliczenia według opłat za użytkowanie, projektanci mogą korzystać z sieci komórkowych 2G, 3G i 4G.

Historia łączności bezprzewodowej

W przeszłości problemem wielu projektantów było to, że opracowanie wydajnych interfejsów RF umożliwiających łączność bezprzewodową jest trudne i czasochłonne. Sygnały o wysokiej częstotliwości, które muszą być przekazywane z anteny do transiwera, wymagają delikatnej obsługi, aby zapewnić wysoki stosunek sygnału do szumu. Sama antena może mieć ogromny wpływ na wydajność, przy niewielkich zmianach kształtu i struktury, co oznacza różnicę między nadajnikiem-odbiornikiem RF działającym w pożądanym zakresie, a tym, który działa tylko na krótkich odległościach. Ponadto systemy bezprzewodowe muszą przejść rygorystyczne testy, które określą, czy system będzie zakłócał działanie innych użytkowników, nawet w pasmach, które nie wymagają konkretnej licencji radiowej, takich jak pasma 2,4 GHz wykorzystywane przez Bluetooth, WiFi i inne.

Tradycyjne komputery jednopłytkowe (SBC) nie miały łączności bezprzewodowej, co zmusiło zespoły projektantów do opracowania niestandardowych modułów, ale ponieważ opracowano ekosystemy wokół Raspberry Pi, BeagleBone i Arduino, opracowano gotowe moduły, które można wykorzystać z podstawowymi modułami SBC. Dostępne opcje, na przykład moduł WiPi dla Raspberry Pi, łączący się z modułem procesora przez port USB. BeagleBone i Arduino przewidywały podobne opcje modułu bezprzewodowego, łącząc się za pomocą złączy wtykowych.

Chociaż zastosowanie dodatkowych modułów bezprzewodowych skróciło czas związany z projektowaniem sprzętu, nie skróciło czasu związanego z innymi aspektami integracji bezprzewodowej. W wielu przypadkach projektant musiałby przeprowadzić własne testy w celu zapewnienia zgodności z przepisami dotyczącymi emisji RF w lokalizacjach, w których chciałby sprzedawać produkty.

Dalszy popyt pod względem czasu i kosztów wynikał z procesu integracji oprogramowania. Istnieje wiele opcji krzemu transceivera, szczególnie w popularnych protokołach bezprzewodowych małej mocy, takich jak Bluetooth lub WiFi. Obsługę protokołu w module bezprzewodowym zapewnia dedykowany SoC, który uruchamia wiele bibliotek oprogramowania układowego, ale w niektórych przypadkach warstwy protokołu wysokiego poziomu mogą wymagać uruchomienia na hoście SBC, z pewną formą zastrzeżonego protokołu szeregowego używanego do przekazywać dane między warstwami. Integrator byłby odpowiedzialny za spójne połączenie tych elementów oprogramowania.

Dzisiejsze rozwiązania dla łączności bezprzewodowej

Ponieważ łączność bezprzewodowa stała się bardziej popularna, producenci SBC i zintegrowane środowiska programistyczne, takie jak Arduino, podjęły różne kroki w celu zapewnienia wsparcia bezprzewodowego w swoich liniach produktowych. Do wyboru są zintegrowane rozwiązania wykorzystujące integrację zapewnianą przez rosnącą gamę mikrokontrolerów, które obejmują bezpośrednie wsparcie protokołów bezprzewodowych. Inni używają architektur modułowych, aby zapewnić projektantom wybór opcji łączności bezprzewodowej, których można używać ze wspólną płytą bazową.

Korzystanie ze zintegrowanego modułu ma kilka kluczowych zalet, z których najważniejszą jest to, że cały SBC, w tym łączność bezprzewodowa, został przetestowany pod kątem zgodności z przepisami dotyczącymi emisji fal radiowych na wszystkich obszarach, na których moduły są dostępne w sprzedaży. Zespół inżynierów może również skorzystać ze wstępnie zintegrowanego oprogramowania wewnętrznego, które w niektórych przypadkach może sprawić, że łączność bezprzewodowa będzie tak prosta, jak wysyłanie danych przez port szeregowy, a często zintegrowane rozwiązania oferują niższe zużycie energii niż kombinacje płyt bazowych i modułów dodatkowych, ponieważ dostawcy byli w stanie w pełni skorzystać z przetwarzania, które jest dostępne zarówno na rdzeniu MCU, jak i rdzeniach procesora wewnątrz bezprzewodowych nadajników-odbiorników.

Rezultatem integracji jest krótszy całkowity czas opracowywania i mniejsze wymiary w porównaniu do projektów opartych na kanapkach z wielu desek. Bardzo często koszt jest redukowany ze względu na większą integrację, a programiści mogą nadal korzystać z pinów i podobnych interfejsów w celu dołączenia niestandardowych modułów czujników.

Deweloperzy mają dostęp do zaawansowanych rozwiązań o wysokiej integracji, takich jak komputer Raspberry Pi 4 Model B (powyżej). Oferuje przełomowy wzrost szybkości procesora, wydajności multimediów, pamięci i łączności (w porównaniu do poprzedniej generacji Raspberry Pi 3 Model B +), przy jednoczesnym zachowaniu kompatybilności wstecznej i podobnym zużyciu energii. Najważniejsze cechy produktu to wydajny 64-bitowy czterordzeniowy procesor Cortex-A72 (ARM v8), obsługa dwóch wyświetlaczy w rozdzielczościach do 4K za pośrednictwem pary portów micro-HDMI, sprzętowe dekodowanie wideo w rozdzielczości do 4Kp60, 4 GB pamięci RAM, dwuzakresowa bezprzewodowa sieć LAN 2,4 / 5,0 GHz, Bluetooth 5.0, Gigabit Ethernet, USB 3.0 i obsługa PoE (przez osobny dodatek PoE HAT). Dwuzakresowa bezprzewodowa sieć LAN i Bluetooth mają modułową certyfikację zgodności, co pozwala zaprojektować płytę w produkty końcowe przy znacznie zmniejszonych testach zgodności, co poprawia zarówno koszt, jak i czas wprowadzenia produktu na rynek.

BeagleBone Black (poniżej) zastępuje kontroler Ethernetowy oryginalnej konstrukcji SBC interfejsem WiFi 2,4 GHz oraz nadajnikiem-odbiornikiem Bluetooth 4.1 i BLE. Zintegrowany moduł zbudowany jest wokół SIP Octavo Systems. To łączy procesor Arm Cortex-A8 z 512 GB szybkiej pamięci DDR i 4 GB pamięci flash. Aby obsługiwać aplikacje wymagające szybkiego przetwarzania we / wy, procesor TI jest obsługiwany przez dwie programowalne jednostki czasu rzeczywistego (PRU). PRU odciążają zadania, które wymagają przetwarzania z niskim opóźnieniem przez procesor Arm, co zapewnia więcej miejsca dla systemu operacyjnego, interfejsu użytkownika i funkcji zarządzania systemem.

W przypadku prostszych konstrukcji Particle Photon łączy mikrokontroler Cortex-M3 firmy STMicroelectronics z kontrolerem Cypress WiFi: ten sam typ, który jest używany w urządzeniach inteligentnego domu, takich jak Nest Protect i Amazon Dash. Particle Electron pobiera ten sam kompleksowy procesor rdzeniowy i stosuje go do komórkowego urządzenia nadawczo-odbiorczego 3G, zapewniając możliwość budowania węzłów IoT, które nie potrzebują lokalnej bramy do połączenia z chmurą.

Rozwiązania modułowe stanowią kolejną drogę do zapewnienia łączności bezprzewodowej w systemie opartym na SBC. Dzięki gamie produktów Arduino zespół programistów może wybierać spośród różnych modułów - znanych jako Ekrany w ekosystemie Arduino - w celu dodania interfejsu RF do płyty bazowej. Tarcze z rodziny MKR dodają lokalną lub rozległą łączność z siecią bezprzewodową. Zarówno MKR 1000, jak i 1010 zawierają nadajnik-odbiornik WiFi. WAN 1300 zapewnia łączność LoRA i dostęp GSM 1400 do wielu sieci komórkowych dostępnych na całym świecie. Ponadto MKRFOX 1200 działa jako interfejs do sieci rozległej małej mocy SigFox.

Każdą z tych osłon można zamontować na płycie nośnej, takiej jak Genuino Zero lub Due, za pomocą złączy wtykowych. Godną uwagi cechą wielu rodzin modułów MKR do łączności bezprzewodowej jest ich własny 32-bitowy mikrokontroler oparty na rdzeniu Arm Cortex-M0 +. Programiści mogą wykorzystać M0 + do odciążenia przetwarzania pakietów, takiego jak szyfrowanie i kompresja, od głównego procesora przewoźnika. Alternatywnie, urządzenia takie jak MKR1000 mogą być używane jako samodzielne moduły w systemach o ograniczonej przestrzeni, z usuniętymi nagłówkami pinów w celu zmniejszenia ogólnej głośności.

Zestawy programistyczne zapewniają inne opcje dla zespołów inżynierów, głównie dla tych, którzy chcą projektować niestandardowe moduły do ​​produkcji seryjnej. Zestawy rozwojowe mają na celu jak najszybsze uruchomienie zespołów. Na przykład zestaw programistyczny element14 dla SimpleLink Sensor to Cloud Linux Gateway zapewnia kompleksowe rozwiązanie. Zestaw zawiera wszystkie elementy potrzebne do stworzenia pełnej sieci czujników, w tym rozwiązanie bramki oparte na płycie BeagleBone Black wzbogaconej o WiFi, a także zestaw LaunchPad CC1350 działający jako węzeł czujnika dalekiego zasięgu.

Dzięki bogatej ofercie platform, od zestawów do prototypowania po gotowe SBC, które można stosować w systemach produkcyjnych, zespoły inżynierów mogą teraz w pełni korzystać z nowatorskich modeli biznesowych, które są możliwe dzięki łączności bezprzewodowej w dobie Internetu Rzeczy i dostarczać wysoce zróżnicowane rozwiązania bez konieczności radzenia sobie ze złożonością projektowania RF.

Autorstwa Ankur Tomar, kierownik ds. Marketingu rozwiązań regionalnych w Farnell