Négy fejlesztőkészlet vezeték nélküli projekt felgyorsítására

Napjainkban a vezeték nélküli hálózati adapterek mindenhol jelen vannak, és létfontosságú csatlakozást biztosítanak minden területen, a fogyasztói eszközöktől egészen az ipari IoT rendszerekig. Ebben a cikkben áttekintjük négy népszerű vezeték nélküli szabvány (Wi-Fi, Bluetooth Mesh, Z-Wave és mobilhálózat) jellemzőit, és szemügyre veszünk néhány rendelkezésre álló fejlesztési platformot.

A rádiófrekvenciás (RF) áramkörök tervezését a villamosmérnökök mindig egy kicsit okkult tudománynak tartották, és jobbnak látták a szakemberekre hagyni. Az RF tervezést összetetté tevő tényezők egyike az, hogy a parazitaelemek, amelyeket gyakran figyelmen kívül lehet hagyni a tervezés során, magas frekvencia esetén jelentősebbé válnak. A nyák elrendezésének tervezésekor figyelembe kell venni a jelvivő vezeték hatásait, a jelkésleltetéseket és visszaverődéseket egyaránt, valamint minden zavaró jelet, amely interferálhat a közelben lévő berendezésekkel. Az utolsó áthidalást igénylő akadály a protokollszabványok szerinti megfelelőség és a szabályozói jóváhagyás. A termékfejlesztés megkönnyítését szolgálják a készen kapható RF modulok és „rendszer a tokban” (System in a Package, SiP) termékek, amelyek előzetes tanúsítvánnyal rendelkeznek, és magukban foglalják az összes szükséges funkciót.

1. ábra Az AC164165 Wi-Fi okoseszköz engedélyezőkészlet (Forrás: Microchip)

Vegyünk egy tipikus vezeték nélküli modult, amely egy rádió adó-vevő készüléket, rezgőkristályt, rádiófrekvenciás áramköröket és egy nyomtatott áramköri antennát foglal magában. Tartalmaz egy firmware programmal ellátott mikrokontrollert is a protokollkészlet megvalósítására. Beépíthetők egyéb funkciók is, például az energiakezelés és a külső interfészek. Legtöbbször rendelkezik dedikált értékelési és fejlesztőkészlettel. A fejlesztőkészletek segítik a vezeték nélküli modul kezdeti értékelését. Szoftverfejlesztési platformként és a demonstrációs program vagy prototípus felépítéséhez is felhasználhatók. Azonban továbbra is szükséges a vezeték nélküli technológia teljesítményét és az adott alkalmazás szempontjából való alkalmasságát meghatározó paraméterek ismerete. Például bizonyos alkalmazások nagy adatsebességet igényelnek vagy nagy hatótávolságú kommunikációt, míg mások inkább az alacsony energiafogyasztásra összpontosítanak.

Wi-Fi

A Wi-Fi talán a legismertebb vezeték nélküli szabvány. Széles körben alkalmazzák otthoni és irodai környezetben, teljes körű hozzáférést biztosít a nagy sebességű adatokhoz. Beltérben a hatótávolsága 10 és 30 méter közötti, mivel akadályok, például falak korlátozzák, de szabadtéren akár 100 méter fölötti távolság is elérhető. A jelenlegi Wi-Fi szabványok két rádiófrekvenciát használnak, a 2,4 GHz-es és az 5 GHz-es frekvenciát. A 2,4 GHz-es szabvány legfeljebb 600 Mb/s adatátviteli sebességet tesz lehetővé. A magasabb frekvenciájú sáv gyorsabb adatátvitelt biztosíthat, de a hatótávolságát erőteljesebben korlátozzák a szilárd akadályok.
A Microchip Technology AC164165 Wi-Fi Smart Device Enablement Kit egy Wi-Fi demonstrációs és fejlesztési platform. Egy kompakt, egy hullámsávú 2,4 GHz-es (ATWINC15x0) modulból kiindulva kis teljesítményű IoT alkalmazásokra optimalizálták. A Wi-Fi vezérlő az IEEE 802.11b/g/n szabványokat támogatja, és egy továbbfejlesztett fizikai réteg (advanced physical layer, PHY) biztosítja a kiemelkedő érzékenységet és a hatótávot.
A mikrovezérlőhöz és különböző szabványos interfészekhez hasonlóan az alaplap foglalja magában az energiakezelés áramköreit. Például a külső lítiumionos vagy lítium-polimer akkumulátorkezeléséhez való töltésvezérlő teszi alkalmassá a hordozható eszközök prototípusához. Az alaplapon elhelyezett környezetérzékelők hozzáadott jellemzők, páratartalom, nyomás és fényviszonyok észlelésére.
A készlet az Amazon Alexa rendszerrel való együttműködésre előre beprogramozott állapotban kapható, felhőhöz csatlakoztathatóságot nyújt a gyors prototípuskészítéshez. A fejlesztők használhatják az Atmel Studio IDE-t a szabadalmazott alkalmazások belső vezérlőprogramjának megírásához.

2. ábra A mesh hálózat ábrája (Forrás: Mouser Electronics)

Bluetooth Mesh

A döntően rövid hatótávolságú kommunikációhoz használt Bluetooth kiváltja a perifériás eszközök, például a nyomtatók vezetékes csatlakozásait. A Wi-Fi-hez képest a Bluetooth kevesebb energiát használ, kisebb a hatótávolsága és a maximális adatátviteli sebessége 1 vagy 2 Mb/s. Azonban a Bluetooth 5 szabvány nemrégiben történt bevezetésével a mesh hálózat hatótávolsága jelentős mértékben megnőtt.
A Bluetooth Mesh értékeléséhez a Cypress EZ-BT Mesh értékelőkészlete négy teljes Bluetooth csomópontot foglal magában, amelyek egyszerű hálózatot biztosítanak, használatra kész megoldásként. Nagyobb hálózat létrehozásához egyszerűen csatlakoztasson több csomópontot.
A vezeték nélküli modul alapja a CYW20819, egy kis teljesítményű, kettős üzemmódú Bluetooth 5 eszköz, és található benne egy rezgőkristály és egy nyomtatott áramköri antenna. Rendelkezik ADC és PWM perifériákkal is és több soros interfésszel, többek között a PCM/I2S hangillesztővel. Összefoglalva, a készletben mindegyik alaplap rendelkezik USB és UART interfészekkel, egy szoftver által definiálható RGB LED-del és kapcsolóval, egy környező fényérzékelővel, egy termisztorral és egy PIR mozgásérékelővel. Alacsony energiafogyasztása alkalmassá teszi akkumulátorral működő alkalmazásokhoz, amelyekhez a lapon megtalálható a gombelemtartó.
Az IoT fejlesztés támogatása érdekében a ModusToolbox^® szoftverfejlesztői környezet egy IDE-t, alaplap támogató csomagokat, köztes szoftverkönyvtárakat és minta-alkalmazáskódok széles választékát foglalja magában.

3. ábra Bluetooth Mesh csomópont alaplap jellemzői (Forrás: Cypress)

Z-hullám

Az elsődlegesen háztartási automatizálási alkalmazásokhoz tervezett Z-hullám rendkívül alacsony teljesítményű vezeték nélküli protokoll. Szakaszosan, kis mennyiségű adatot továbbít, és energiaellátását rendszerint gombelem vagy energiabefogás adja. Más vezeték nélküli technológiákhoz hasonlóan a Z-hullám is mesh hálózatot használ az összes eszköz közötti kommunikáció lehetővé tétele és a hatótáv növelése érdekében.
A Silicon Labs Z-Wave 700 vezeték nélküli indulókészlet egy teljes funkcionalitással rendelkező értékelési és fejlesztési platform. Két alaplappal rendelkezik kiegészítő rádiós alaplapokkal, RF adó-vevővel, rezgőkristállyal és támogatóelemekkel. A rádiós alaplap felhasználható referenciakialakításként a ZGM130S SiP modulhoz.
Mindegyik alaplap külső interfészek széles körével bír, többek között Ethernet és USB csatlakozással, valamint microSD kártya nyílással. Egy 128 × 128 pixeles LCD, páratartalom- és hőmérséklet-érzékelők és egy gombelemtartó is kapott benne helyet. Bővítési lehetőség is van más hardverek beépítését szolgáló kiegészítő lapokhoz. A Simplicity Studio környezet a szoftverfejlesztést az IDE iparági szabvánnyal, alkalmazási példákkal és energiaprofilozási eszközökkel segíti, valamint a vezeték nélküli hálózat konfigurálásával és elemzésével.

4. ábra A Z-Wave 700 vezeték nélküli indulókészlet (Forrás: Silicon Labs)

Keskenysávú eszközök internetes hálózata (Narrowband Internet of Things, NB-IoT)

Végül az LTE mobilhálózatos technológia vagy 4G közismert a mobiltelefonok világából. Az IoT és az alacsony teljesítményű alkalmazásokhoz az NB-IoT szabvány LTE alkészletet használ, a sávszélességet 200 kHz-re korlátozza az áramfogyasztás csökkentése érdekében.
A Nordic Semiconductor Thingy:91™ többérzékelős prototípuskészlet ideális az alacsony teljesítményű mobilhálózatos IoT- fejlesztéshez. Alapja az nRF9160 SiP, beépített, több csomópontos LTE-M/NB-IoT modemmel rendelkező RF kezelőfelület található benne, támogatja a Bluetooth, a mobilhálózatos vezeték nélküli és a GPS rendszereket. A készletben beépített energiakezelést is biztosít az alaplapon elhelyezett, feltölthető lítium-polimer akkumulátorhoz, ami ideálissá teszi hordozható és elemmel működő alkalmazásokhoz. Környezeti érzékelők lenyűgöző palettáját is magában foglalja – mint hőmérséklet-, páratartalom-, levegőminőség-, nyomás-, fény-, valamint színérzékelőket – és gyorsulásmérőt, amelyek rendkívül hasznosak a koncepció igazolásánál és a vizsgálatoknál.

5. ábra A Thingy:91™ többérzékelős prototípuskészlet
(Forrás: Nordic Semiconductor)

Következtetés

Sokféle vezeték nélküli kommunikációs protokoll áll rendelkezésre. A megfelelő döntést az alkalmazás követelményei határozzák meg. Bármelyik szabványra is esik a választás, egy sor modul és fejlesztőkészlet érhető el a projektek gyors elindításához, a fejlesztés felgyorsításához, és a piacra juttatás idejének lerövidítéséhez. A kezdeti prototípus-kialakítást és -fejlesztést követően jelentős mennyiségű idő és mérnöki munka takarítható meg, ha a végleges termékben is ugyanazt a vezeték nélküli modult alkalmazzák.
A vezeték nélküli alkalmazások fejlesztését célzó, rendelkezésre álló opciókkal kapcsolatos bővebb tájékoztatásért kérjük, keresse fel a Mouser weboldalát: https://eu.mouser.com/.

Szerző: Mark Patrick – Technical Marketing Manager, EMEA, Mouser Electronics

Mouser Electronics
Franchised Distributor
www.mouser.com