Mi a legjobb vezetékmentes eszköz egy adott feladathoz?

Útmutató az alkalmazásnak legmegfelelőbb
vezetékmentes megoldás választásához

Az Internet of Things (IoT) és az egyszerű adatgyűjtő-, mérő- és vezérlőhálózatok jelentős része ma már vezetékmentes kommunikációs technológiákra épül. Ezek bőséges kínálata a képességek széles spektrumával áll a hálózati csomópontokat vagy teljes rendszereket tervezők rendelkezésére az alkalmazásfüggő igényeik kielégítéséhez. A cikk a piacon elérhető megoldásválasztékot segít áttekinteni.

Bevezetés

Ha a ház körül adódik egy feladat, mondjuk, egy képet kell a falra rögzíteni, vagy megjavítani egy meglazult széklábat, rendelkeznünk kell az adott feladat végrehajtásához alkalmas eszközökkel. Várható, hogy gyenge eredményre számíthatunk, ha a székláb rögzítéséhez mindössze egy kalapácsunk van. Ugyanígy vagyunk a vezetékmentes technológiákkal is. Mindegyik technológiának megvannak a maga sajátos előnyei, amelyek csak bizonyos feladattípusok megoldásához illeszkednek, és ritkán találkozunk olyan eszközzel, amely bármilyen körülmények között alkalmazható megoldást kínál. Így hát nyissuk ki a szerszámtáskánkat, és vizsgáljuk meg, hogy a benne található vezetékmentes kommunikációs eszközök, a Bluetooth^® Low Energy, a Wi-Fi™, a LoRa^® és az IEEE 802.15.4™ közül melyik mire alkalmazható.

Nyissuk ki a szerszámkészletünket

Bluetooth Low Energy

A mobiltelefonunk használata közben már bizonyára megismerkedtünk a Bluetooth kommunikációs rendszerrel. Az okostelefonos alkalmazások használatával sok más termék között akár hangszórókhoz, ajtózárakhoz, fitneszgépekhez is kapcsolódhatunk.
A Bluetooth Low Energy (BLE) szabvány számos különböző gyártó termékével való együttműködést (interoperabilitást) tesz lehetővé kis energiafogyasztással, könnyen használható felhasználói interfésszel, legfeljebb 30...100 m-es hatótávolságon belül. Ezért használják magától értetődő technológiai megoldásként olyan esetekben, amelyekben emberi felhasználó számára kell mobiltelefonos hozzáférést biztosítani.

Wi-Fi

Ha létezne olyan, hogy egyetlen „univerzális” vezetékmentes technológia, annak a Wi-Fi-nek kellene lennie. Ingyenes Wi-Fi-szolgáltatással találkozhatunk szállodákban, repülőtereken, kávézókban – sőt, ma már az újonnan vásárolt autókban is. A Wi-Fi népszerűségét a gyorsaságának, biztonságosságának és annak a könnyedségnek köszönheti, amellyel az adathálózaton át képes adatokat küldeni és fogadni. A brit szolgáltató Home Telecom erről azt állítja, hogy a 802.11n szabvány egyantennás rendszerben is képes nagyjából 25…50 Mbit/s sebességű kommunikációra valós környezetben is. Feltűnő a különbség a Bluetooth Low Energy 5 rendszer által kínált 2 Mbit/s alatti adatsebességhez viszonyítva.
Miközben mindehhez jó hatótávolság is járul, a legtöbbünk hajlamos azt mondani, hogy „jó, de nem elég jó”. A Wi-Fi esetében ezen a téren nyílik az egyik legnagyobb lehetőség (és igény – A szerk. megj.) a képességek további javítására. A Lifewire szakmai hírportál felmérése szerint egy tipikus 802.11n szabványú, 2,4 GHz-es vivőfrekvenciájú hálózat beltéri hatótávolsága nagyjából 46 m. Ez pedig nem rossz érték, különösen, ha arra gondolunk, hogy amint a vivőfrekvenciát 5 GHz-re váltjuk, a hatótávolság 15 m-re csökken.

LoRa

A LoRa megjelenése jókora figyelmet keltett a vezetékmentes piacon. A neve a Long Range (nagy hatótávolság) kifejezés rövidítéséből ered, és pontosan meg is felel ennek az elnevezésnek. A LoRa-hálózatok akár 10 km távolságon belül is képesek a kommunikációra, ami által ez a technológia a nagy hatótávolságú IoT-rendszerek „királyának” is nevezhető. A LoRa másik kiemelkedő képessége a kis energiaigény, amely révén rendkívül alkalmas az akkumulátortáplálású, távoli elhelyezésű érzékelők csatlakoztatására.
A Wi-Fi- és a BLE-technológiákkal ellentétben a LoRa a mobiltelefon-rendszerekhez hasonlóan e célra kiépített hálózati infrastruktúrát igényel. A felhasználó ehhez saját hálózati átjárókat (gateway-eket) telepíthet, vagy adatsávszélességet bérelhet egy hálózati szolgáltatótól. A korábbiakban említettektől jelentősen eltér a hálózat adaátviteli sebessége is. A LoRa-hálózat adatsebességét kilobit/s nagyságrendben lehet kifejezni, messze elmaradva a Wi-Fi és a BLE által kínált adatsávszélességtől, de érzékelők, egyszerű parancsok és vezérlések adatátviteli igényeinek kielégítésére ez az adatsebesség is elegendő lehet.

IEEE 802.15.4

Az IEEE 802.15.4 szabvány az alapja a Zigbee^® és a MiWi™ protokolloknak. Mindkettő támogatja a 2,4 GHz-es és a gigahertz alatti vivőfrekvenciákat, és mindegyiknek vannak kisebb előnyei a másikkal szemben. Ez a vezetékmentes technológia hálószerű elrendezésű hálózatba van szervezve, és úgy tervezték, hogy megoldja a teleptáplálású csomópontokból álló hálózatok legsúlyosabb problémáit, mint az energiafogyasztás, a megbízhatóság, a tartós működőképesség és a hatótávolság.
Számos olyan külső tényező zavarhatja a vezetékmentes hálózatok működését, mint az emberek mozgása, a környezet változásai, a kimerült akkumulátorok vagy az átmeneti zavarjelek.
Ha ilyen zavarás történik, a 802.15.4 szabvány szerint működő, hálóstruktúrájú hálózatok képesek az „öngyógyításra”. Ez a képesség látványosan növeli a hálózat zavartűrését, és ezzel a kommunikáció megbízhatóságát is.
A 802.15.4-alapú hálózatok csomópontjainak hálószerű szervezése ugyancsak fokozza a hálózat életbenmaradási képességét.
A csomópontoknak van lehetőségük „aludni”, és ezzel hossszabb időre kivonni magukat az adatforgalomból. Eltérően az olyan hálózati technológiáktól, mint az Ethernet vagy a Wi-Fi, amelyekben a kommunikációban részt nem vevő csomópontok egy idő után „kihalnak” (azaz a hálózat nem vesz róluk többé tudomást), a 802.15.4-típusú hálózatok csomópontjai a hosszabb üzemszüneteik idejére is a hálózat állandó tagjai maradnak.
Az IEEE 802.15.4 hálózatok adatsávszélessége – a konfigurációtól és a választott protokolltól függően – 100 kbit/s-tól 1 Mbit/s-ig terjed. Ezek a hálózatok egyediek, azaz nagyon kis mértékben, vagy egyáltalán nem tudnak együttműködni a létező infrastruktúrákkal. Az ismertetett kommunikációs technológiák tulajdonságait az 1. táblázat foglalja össze.

1. táblázat A vezetékmentes hálózatok tulajdonságainak összefoglalása

Fogjuk a kiválasztott eszközt és lássunk munkához!

Most, hogy megismerkedtünk az összes vezetékmentes eszköz erősségeivel, a következő lépés meghatározni a legjobb módját, hogyan használjuk ezeket a termékeket az optimális működés érdekében. A Microchip Technology a vezetékmentes termékinterfészek négy változatát ajánlja: UART, SPI, SDIO és Standalone. Az első hármat akkor használhatjuk, ha a rendszert külön hosztprocesszor [pl. mikrovezérlő (MCU), mikroprocesszor vagy FPGA] vezérli. Az önmagában teljes (külső vezérlést nem igénylő, standalone) vezérlőegységek olyan „minden egyben” eszközök, amelyek egy MCU-t és egy rádiókommunikációs funkciót egyesítenek egyetlen tokozatban vagy modulban. A Microchip még meghajtóprogramokat és ASCII-karakterekből álló üzeneteket értelmező (interpreter) szoftvert is kidolgozott annak érdekében, hogy általa egyszerűsítse a hosztvezérlőre épülő rendszerek használatát. A standalone eszközöknél viszont a vezetékmentes protokoll egybeolvasztható a felhasználó egyedi kódjával egy tömör, testre szabott megoldás érdekében. A 2. táblázat mutatja, hogy az egyes vezetékmentes eszközökhöz milyen típusú interfészfelületek érhetők el.

2. táblázat A vezetékmentes eszközökhöz elérhető interfészek összefoglalása

A jól végzett munka

Legyen szó egy „karcsú” mobiltelefon-kezelőfelületről alacsony energiafogyasztású Bluetooth alapon, vagy magas adatátviteli sebesség eléréséről Wi-Fi és SDIO/MPU hoszt segítségével, kulcsfontosságú az alkalmazásának legjobban megfelelő eszköz kiválasztása. A célszerűen választott eszköz alkalmazása a feladat megoldásához értékes tervezési időt takarít meg, lerövidíti a piacképes termék előállításához szükséges időt és növeli a profitot.

Szerző: Jason Tollefson, Sr., termékmendzser – Microchip Technology, Inc.

 www.microchip.com