Upraszczanie IoT za pomocą wysoce zintegrowanych układów bezprzewodowych

Łączność bezprzewodowa jest wszechobecna; niewidzialna technologia, która zmieniła infrastrukturę sieciową i teraz umożliwia tworzenie Internetu Rzeczy. Implementacja bezprzewodowej transmisji danych jest rozwijana na różnych poziomach i w swojej najprostszej formie może pracować jako proste łącze pomiędzy dwoma urządzeniami, komunikującymi się na krótkim dystansie, bez potrzeby stosowania jakiegokolwiek protokołu. Oczywiście coraz częściej aplikacje wymagają bardziej wyrafinowanych rozwiązań, które pozwalają tworzyć jakiegoś rodzaju sieci, łączące ze sobą wiele urządzeń, a takich technologii jest bardzo wiele. Jednakże obowiązują pewne standardy.

Rozpowszechnienie komunikacji bezprzewodowej stało się możliwe w dużej mierze dzięki dostępności otwartego spektrum radiowego. Zdecydowana większość protokołów, zarówno tych opartych o standardy, jak i własnościowych, operuje w nielicencjonowanym paśmie spektrum, które choć dostępne jest dla każdego, narzuca pewne restrykcje w odniesieniu do mocy nadawanego sygnału. Z tego względu, implementacja połączenia bezprzewodowego jest najłatwiejsza w realizacji albo poprzez skorzystanie z technologii zgodnych z popularnymi standardami przemysłowymi, lub z rozwiązaniami własnościowymi, które zostały już zatwierdzone do użytku przez odpowiednie organizacje i instytucje.

Coraz częściej, to właśnie możliwość tworzenia sieci urządzeń jest czynnikiem, który napędza popularność poszczególnych standardów, ale z dalszej perspektywy, poszczególne technologie można podzielić na kategorie pod kątem zasięgu i przepustowości. Obie te cechy wpływają na moc potrzebną do pracy urządzenia, co stanowi obecnie coraz ważniejszy parametr projektowy.

Wybieranie protokołu

Istnieje wiele protokołów, pracujących w niewymagających licencji pasmach ISM (Industrial, Scientific, Medical) i SRD (Short Range Device), zarówno korzystających z częstotliwości poniżej 1 GHz, jak i nadających w okolicach 2,4 GHz. Niektóre z protokołów opartych o standardy, takie jak ZigBee, pracują w obu pasmach, ale ze względów na zaszłości historyczne, protokoły własnościowe będą raczej pracowały tylko na częstotliwościach poniżej 1 GHz. Dostawcy półprzewodników, tacy jak Texas Instruments, oferują szeroki zakres rozwiązań na potrzeby komunikacji bezprzewodowej, począwszy od pojedynczych przetworników, a kończąc na w pełni zintegrowanych mikrokontrolerach bezprzewodowych (MCU). Przykładowo, platforma MCU SimpleLink obecnie wspiera ponad 10 przewodowych i bezprzewodowych protokołów, oferując tym samym rozwiązania pasujące do każdej aplikacji. Przykładowo, seria mikrokontrolerów bezprzewodowych CC13xx obejmuje m.in. układ CC1310, w którym zintegrowano rdzeń ARM Cortex-M3, kontroler czujników oraz transceiver radiowy, pracujący w paśmie poniżej 1 GHz, umożliwiający transmisję na odległość do 20 km, nawet przy zasilaniu z baterii pastylkowej. Model ten idealnie nadaje się do budowy takich aplikacji, jak bezprzewodowe systemy alarmowe, gdzie zastosowany protokół komunikacyjny będzie albo własnościowy, albo będzie bazować na stosie TI 15.4, opartym na standardowych rozwiązaniach do sieci o topologii gwiazdy. A to tylko jeden z przykładów układów z rodziny bezprzewodowych mikrokontrolerów i transceiverów, oferowanych przez Texas Instruments.

Platforma SimpleLink MCU zawiera też podzespoły oparte na 16-bitowym rdzeniu MSP430, opracowanym przez Texas Instruments oraz procesory sieciowe i bezprzewodowe mikrokontrolery, w które wbudowano interfejsy Wi-Fi, Bluetooth i do realizacji łączności w paśmie poniżej 1 GHz.

Ilustracja 1. Łączność Wi-Fi i Bluetooth stanowią część platformy SimpleLink MCU

Znaj swój obszar zastosowań

O ile koncepcja zasięgu jest zazwyczaj rozumiana jako maksymalny dystans pomiędzy dwoma urządzeniami, na którym mogą one utrzymywać ze sobą łączność bezprzewodową, wzrost popularności sieci o topologii kraty częściowo zmniejszył znaczenie tego parametru. Sieć złożona z wielu urządzeń, połączonych ze sobą za pomocą bezprzewodowych interfejsów krótkiego zasięgu może teoretycznie rozciągać się na obszarze znacznie większym niż maksymalny dystans wymiany danych pomiędzy dwoma sąsiadującymi ze sobą punktami. Najnowsza wersja Bluetootha, Bluetooth 5 wspiera już topologię kraty, a to oznacza, że w ogólności pozwala tworzyć pojedynczą sieć o nieskończenie dużym zasięgu. Jednakże Bluetooth wywodzi się ze świata sieci osobistych (PAN - Personal Area Network). A więc początkowo służył do wymiany danych na małe odległości, pomiędzy małymi urządzeniami i z niewielką przepustowością.

Historycznie rzecz ujmując, zasięg był wykorzystywany do definicji rodzajów sieci, na potrzeby których powstawały różne technologie. Stosowane określenia to BAN (Body Area Network), PAN (Personal Area Network) i WAN (Wide Area Network). Coraz większe wsparcie dla topologii kraty w poszczególnych standardach sieciowych uczyniło powyższy podział mniej znaczącym. A wraz z wprowadzeniem na rynek zintegrowanych rozwiązań, które wymagają mniejszych zasobów, obszary działania poszczególnych rodzajów aplikacji zaczęły się pokrywać ze sobą.

O ile może nie być już prawdziwie „złego” wyboru technologii bezprzewodowej, wciąż istnieje bardzo wiele sensownych powodów, by wybrać konkretny standard do specyficznej aplikacji. Zasięg może nie być już tak istotny, ale sama przepustowość będzie wciąż miała duże znaczenie, głównie dlatego że ilość przesyłanych danych ma bezpośredni wpływ na pobór mocy oraz złożoność rozwiązania. Na szczęście, rośnie liczba wysoce zintegrowanych rozwiązań, które mają na celu zaadresowanie tych wyzwań projektowych.

Wśród rozwiązań IoT znaleźć można masę urządzeń o małym zapotrzebowaniu na przepustowość transmisji danych. Przykładami są inteligentne sensory, urządzenia domowe, systemy rozrywki, przemysłowe sterowniki i systemy monitorowania, jak również nowe, wcześniej nieistniejące aplikacje dla domu, biura i samochodu. W takich zastosowaniach, ZigBee i jego warianty (wliczając w to Light Link i RF4CE) stanowią dobre połączenie zaawansowanych funkcji sieciowych, niewielkiego zapotrzebowania na moc oraz bezpieczeństwa, przy zapewnieniu transferów na poziomie 250 kb/s. W przypadku aplikacji wymagających większej przepustowości, stosowny może być Bluetooth, który zapewnia do szybkość transmisji do 5 Mb/s. Wraz z dalszym wzrostem wymaganej przepustowości, w kręgu zainteresowań pojawia się Wi-Fi, które nie tylko umożliwia realną szybkość transmisji na poziomie nawet rzędu 100 Mb/s, ale też pozwala na bezpośrednie podłączenie do Internetu.

Innym czynnikiem, który warto wziąć pod uwagę jest częstotliwość fal, na których prowadzona jest komunikacja. Wybór będzie bazować na pożądanym zasięgu, przepustowości i poborze mocy. Wiele standardów może pracować zarówno w paśmie poniżej 1 GHz, jak i w bardziej popularnym (choć i bardziej zatłoczonym) paśmie 2,4 GHz. Często rozwiązania dla fal poniżej 1 GHz cechują się większym zasięgiem komunikacji, ale odbywa się to zazwyczaj kosztem przepustowości. W trakcie przygotowywania projektu istotna może okazać się konieczność przygotowania urządzenia, które będzie mogło egzystować w otoczeniu innej elektroniki komunikującej się bezprzewodowo i które będzie odporne na powstające w wyniku tego zakłócenia. Niektóre ze standardów radzą sobie z takimi problemami lepiej niż inne. Platforma SimpleLink MCU obejmuje rozwiązania, które pozwalają zmierzyć się ze wszystkimi takimi przypadkami użycia, wliczając w to podzespoły dwupasmowe, takie jak CC1350, które mają zintegrowane transceivery radiowe zarówno dla łączności w paśmie poniżej 1 GHz, jak i za pomocą Bluetootha (więcej informacji na temat tej rodziny układów można znaleźć poniżej).

Ilustracja 2. Sieć wielu połączonych ze sobą urządzeń (np. w ramach inteligentnego miasta), które korzystają z protokołu komunikacyjnego krótkiego zasięgu może teoretycznie pokryć obszar znacznie większy niż zasięg połączenia pomiędzy dwoma pojedynczymi urządzeniami.

Typowe aplikacje i rozwiązania

W wielu przypadkach rodzaj aplikacji będzie determinował, którą technologię bezprzewodową należy wykorzystać. Przykładowo, system obejmujący dużą liczbę sensorów, rozmieszczonych w budynku, gdzie każdy z czujników powinien mieć bezpośredni kontakt z centralnym sterownikiem (lub bramką), można najlepiej zrealizować z użyciem technologii komunikacji w paśmie poniżej 1 GHz i topologii gwiazdy. Transmisja w tym paśmie jest mniej podatna na tłumienie przez takie przeszkody jak ściany, a topologia gwiazdy minimalizuje naddatek związany z przetwarzaniem danych, dzięki czemu czujniki takie mogłyby dłużej pracować na pojedynczej baterii.

Dobierając odpowiednie, zintegrowane rozwiązanie, mały pobór mocy, typowy dla transmisji w paśmie poniżej 1 GHz, pozwoli sensorowi w takiej aplikacji pracować nawet do 20 lat na pojedynczej baterii. Za przykład może posłużyć układ CC1310F32RGZT , należący do platformy SimpleLink. Zawiera on trzy zintegrowane rdzenie przetwarzające: ARM Cortex-M3 do wykonywania kodu aplikacji, ARM Cortex-M0 do obsługi protokołu radiowego i 16-bitowy rdzeń o ultra-niskim poborze mocy, przeznaczony do autonomicznej obsługi sensorów.

Wraz z dalszym rozwojem IoT, staje się oczywiste, że platforma sprzętowa o takich możliwościach jak SimpleLink może zostać rozszerzona do obsługi także innych aplikacji. Aby to osiągnąć, Texas Instruments opracował podrodzinę układów SimpleLink, które wspierają wiele standardów bezprzewodowych i interfejsów pracujących jednocześnie. Układ CC1350F128RGZT bazuje na cechach CC1310 i wpiera zarówno protokoły radiowe na częstotliwościach poniżej 1 GHz i na 2,4 GHz. Oznacza to, że może być użyty np. w sieci poniżej 1 GHz, w topologii gwiazdy, dla osiągnięcia ultra-niskiego poboru mocy, przy jednoczesnej komunikacji Bluetooth ze smartfonami czy bramkami.

Połączenie ze Światem

Oczywiście, główną częścią tworzenia aplikacji IoT jest podłączanie jej do Internetu. W wielu sytuacjach najłatwiej jest to uzyskać za pomocą Wi-Fi. Interfejs ten pozwala na globalny dostęp do funkcji i danych urządzenia, jednakże jest to odzwierciedlone w złożoności protokołu i w konsekwencji w większej trudności jego implementacji niż w przypadku protokołów przeznaczonych do prywatnych sieci.

Wraz ze wzrostem wartości danych zbieranych przez bezprzewodowe sieci czujnikowe (WSN – Wireless Sensor Networks), producenci szukają prostych, ale niezawodnych metod na tworzenie takich sieci i rozpoczęcie zbierania z nich informacji. W tym obszarze aplikacji, łączność w paśmie poniżej 1 GHz może zarówno świetnie sprawdzić się pod kątem uzyskiwanego zasięgu, jak i poboru mocy. By pomóc w rozwijaniu dokładnie takich aplikacji Texas Instruments opracował projekt referencyjny TIDEP0084. Obsługuje on stos protokołów TI, bazujący na IEEE 802.15.4 i topologii gwiazdy, zintegrowany z SDK CC13x0 oraz TI Linux SDK dla procesorów Sitara.

Układy CC3120 z rodziny SimpleLink Wi-Fi zostały zaprojektowane właśnie po to, by jak najbardziej ułatwić rozbudowywanie aplikacji o komunikację Wi-Fi. Są to samodzielne procesory sieciowe ze w pełni zintegrowanym serwerem WWW i zawierają stos TCP/IP, potrzebny do połączenia z Internetem. Ten poziom integracji zdejmuje z głównego procesora większość obciążenia związanego z przetwarzaniem danych na potrzeby komunikacji. Dzięki temu główny układ urządzenia może być tak naprawdę względnie prostym mikrokontrolerem. Alternatywnie, CC33220 można użyć do stworzenia jeszcze bardziej zintegrowanego urządzenia, korzystając z wbudowanego rdzenia ARM Cortex-M4 do przetwarzania kodu aplikacji. To pozwala na opracowanie kompletnego, gotowego do podłączenia do Internetu urządzenia, opartego o pojedynczy układ scalony przetwarzający dane. Firma Texas Instruments bierze także pod uwagę kwestie związane z bezpieczeństwem w stale rosnącej przestrzeni rozwiązań IoT. Najnowsza generacja mikrokontrolerów bezprzewodowych zapewnia wielopoziomowe funkcje bezpieczeństwa, które pozwalają projektantom na chronienie swoich produktów przed wrogim przejęciem, jak również przed kradzieżą danych, lub własności intelektualnej.

Ostatnia aktualizacja specyfikacji Bluetooth 5 wspiera obecnie sieci o topologii kraty oraz przewiduje zwiększoną przepustowość do 5 Mb/s. Wszystko to przy tak samo niskim poborze mocy, co oznacza że Bluetooth może być teraz stosowany w większym zakresie aplikacji, które wymagają bardziej bezpośredniego połączenia z Internetem, czy większego zasięgu przesyłu danych, dostępnego dzięki zastosowaniu topologii kraty. Jednym z pierwszych podzespołów wspierających Bluetooth 5 jest CC2640R2FRGZT – bezprzewodowy mikrokontroler firmy Texas Instruments. Należy do rodziny CC2540 SimpleLink Bluetooth – mikrokontrolerów bezprzewodowych o niskim poborze energii i wspierających interfejs USB. W tabeli 1. znalazły się szczegółowe dane wszystkich bezprzewodowych mikrokontrolerów Texas Instruments, które wspierają komunikację radiową w paśmie poniżej 1 GHz, własnościowe protokoły oraz interfejsy Bluetooth, ZigBee, 6LowPAN lub Wi-Fi.

Łączność z Internetem jest możliwa dzięki protokołowi IP – Internet Protocol. Jednym z najnowszych standardów bezprzewodowych, który zapewnia pełne wsparcie dla IP jest 6LowPAN, zdefiniowany przez grupę Internet Engineering Task Force. Dzięki pełnemu wsparciu IPv6 we wszystkich węzłach w sieci, jest to prawdopodobnie najlepiej przygotowany na przyszłość protokół bezprzewodowy, jaki opracowano. Może bowiem pracować zarówno w paśmie poniżej 1 GHz, jak i 2,4 GHz i w wielu warstwach fizycznych. Jedną z popularnych implementacji 6LowPAN jest użycie warstwy fizycznej IEEE 802.15.4 (takiej jak np. w ZigBee). Wiele z podzespołów Texas Instruments z rodziny SimpleLink wspiera warstwę fizyczną IEEE 802.15.4, dzięki czemu może być wykorzystanych do implementacji zarówno sieci ZigBee, jak i 6LowPAN.

Internet Rzeczy będzie zdominowany przez technologie bezprzewodowe małej mocy. Oprócz tych już wymienionych, inżynierowie przewidują szeroką dostępność rozwiązań opracowanych na potrzeby jednego z najnowszych protokołów tego typu: Thread. W odróżnieniu od większości pozostałych technologii bezprzewodowych, Thread został zaprojektowany z myślą o tylko jednym celu: by umożliwić łączenie się i sterowanie urządzeniami w domu. Opiera się na topologii kraty i został pomyślany tak, by promować zgodność z różnymi urządzeniami, dzięki wykorzystaniu otwartych standardów, bazujących na 6LowPAN. W uproszczeniu, można go zaimplementować poprzez uaktualnienie oprogramowania platformy 802.15.4. Aby móc lepiej wspierać protokół Thread, firma Texas Instruments udostępni w 2018 roku swoje własne biblioteki Thread SKD, które początkowo będą zgodne z nowymi, bezprzewodowymi mikrokontrolerami – układami CC26x2. Aby rzucić okiem na ich przyszłe cechy, warto zajrzeć na stronę: www.ti.com/tool/simplelink-cc26x2-sdk. Omawiane SDK będzie wspierało protokół sieciowy Thread w wersji 1.1, bazujący na stosie dostępnym na licencji open source i określanym mianem openthread.

Podsumowanie

Okiełznanie możliwości łączności bezprzewodowej nigdy nie było łatwiejsze, a to za sprawą zintegrowanych rozwiązań w postaci pojedynczych układów i dostępności darmowego oprogramowania (wliczając w to stosy protokołów). Duża dostępność podzespołów, które pokrywają wszelkie główne, zestandaryzowane protokoły bezprzewodowe znacznie przyspiesza prace projektowe nad aplikacjami IoT.

Tabela 1. Porównanie rozwiązań bezprzewodowych

Upraszczanie IoT za pomocą wysoce zintegrowanych układów bezprzewodowych. Data publikacji: 15 lutego 2018 r. przez Farnell