Безжични компоненти за IoT приложения

Стефан Куцаров

Терминът Интернет на нещата (Internet of Things, IoT) официално се появява през 1999 г. и днес означава възможността за свързване чрез интернет на произволни устройства. Според много специалисти IoT дава сериозен тласък на третата технологична “информационна революция” в историята на човечеството (след създаването на земеделието и отглеждането на животни и на машини за замяна на ръчния труд), която започва със създаването на средства за обмен на информация в началото на ХХ век и рязко се ускорява с появата на интернет. Очаква се през 2020 г. броят на намиращите се в експлоатация IoT устройства да надхвърли 20 милиарда (според производители като Intel и Texas Instruments той ще е над 50 милиарда), а общите разходи на IoT индустрията да са около 1 трилион USD. Основната част от ползваните финансови средства са насочени към създаването на необходимите безжични компоненти за IoT, след което са средствата за мрежи и за програмно осигуряване.

Същност на IoT

Концепцията за осъществяване на безжични връзки в IоT включва възли (Nodes), които могат да обменят непосредствено данни помежду си и чрез междинен блок (гейтуей, бридж, рутер) да се свързват към облака (Cloud) и през него с класически компютърни устройства от произволен вид. Последните връзки се осъществяват и непосредствено. Връзки се осъществяват и между възлите с източниците на данни, които ползват M2M протоколи и популярни интерфейси като SPI, I2C и UART.

В резултат на разрастването на IoT вече съществуват значителен брой негови сегменти, без да има ясно разграничаване между тях, нито те да са обект на международни норми.

Технологии за IoT

За бързото разпространение на IoT допринася наличието на множество технологии (наричани още комуникационни протоколи и стандарти) за реализацията й, сравнението на които се прави най-вече на основата на скоростта на обмен на данни и обхвата им на действие (покритието).

Идея за тях е дадена на фиг. 1, като създадената през 2004 г. комуникация на близко разстояние (Near Field Communication) NFC осигурява скорости на обмен 106 kbps, 212 kbps и 424 kbps на разстояние до десетина cm в честотния обхват 13,56 MHz. За ползването й като IoT в интелигентни сгради трябва ИС за NFC да се вгради в преносимо комуникационно устройство (обикновено смартфон или таблет) и тя да осигури връзка между управляемия обект и мрежата на устройството.

Технологията Bluetooth ползва нелицензирания честотен обхват ISM (2,4 MHz - 2,4835 MHz) и е създадена през 1994 г. като безжичен вариант на интерфейса RS-232 за връзка между телефони и компютри. За IoT се ползват всичките й разновидности: Bluetooth Classic със 79 канала с широчина 1 MHz и скорост на обмен 4 Mbps, Bluetooth Low Energy (BLE) с намалена постояннотокова консумация на ползващите я устройства, 40 канала с широчина 2 MHz и скорост 1 Mbps, Bluetooth 4.0, Bluetooth 4.1, Bluetooth 4.2 и Bluetooth 5.0 (от 2016 г.).

Сред предимствата й са покритието до 750 m и възможността за избор на скорост (2 Mbps, 1 Mbps, 500 kbps и 125 kbps), като нейното намаляване по принцип води до по-голямо покритие.

Създадената през 1994 г. технология Zigbee също е за 2,4-2,4835 MHz, има 16 канала на 5 MHz един от друг и покритие 10-100 m, а за Европа се ползва 868-мегахерцовият обхват с покритие до 1 km. Сред предимствата на технологията е възможността за свързване на прибори от различни производители, притежаващи спецификация от Zigbee Alliance.

Технологията Wi-Fi, заменяща жичния Ethernet стандарт работи в честотните обхвати 2,4 GHz (13 канала в Европа при скорост 11 Mbps за протокола 802.11b) и 5 GHz (23 канала и 54 Mbps за 802.11а). Към предимството на най-големите за IoT скорости на обмен се прибавя възможността за изграждане на мрежи с до 250 свързани устройства, но това е за сметка на увеличаване на сложността.

Най-бързо развиващата се технология LTE (от Long Term Evolution) ползва за IoT разновидностите си eMTC (от enhanced Machine-Type Communication) или LTE Cat-M1 и NB-IoT (NarrowBand IoT) или LTE IoT Cat-NB1, означавани общо като LTE IoT. Наричат се теснолентови, тъй като каналите на първата са широки 1,4 MHz при скорост на обмен до 1 Mbps, а на втората са 200 kHz и до 100 kbps.

Предимство на eMTC е осъществяването на дуплексни и полудуплексни връзки, докато при NB-IoT те са само полудуплексни. Последната е стандартизирана от 3GPP през 2016 г. и сред предимствата й са възможността на изграждане на мрежи с до 50 000 устройства, лесното свързване на нови към съществуваща мрежа и доброто проникване в застроени и подземни пространства. И за двете технологии е предвиден 2,4-гигахерцовият обхват, но за местни мрежи могат да се ползват и обхватите 400, 800 и 900 MHz. Друго предимство е намалената постояннотокова консумация, позволяваща при определени режими устройствата да работят 10 години без смяна на батерията.

Намаляването на консумацията съчетано с покритие над 10 km е основната цел на технологията LPWA (от Low-Power Wide Area), а изгражданите с нея мрежи се означават като LPWAN. Според една от прогнозите през 2021 г. в експлоатация ще има 700 милиона устройства с тази технология. Първата от основните й разновидности е LoRa (от Long Range), означавана и като LoRaWAN със скорост на обмен до 10 kbps и работа на батерия до 20 години. Покритието на една базова станция е до 50 km включително подземни съоръжения и помещения в сгради. Свръхтеснолентовата технология sigfox, означавана като Ultra-Narrow Band и UNB, ползва честотния обхват 868,034 – 868,226 MHz с широчина на каналите 100 Hz и скорост на обмен 100 bps или 600 bps в зависимост от областта, където е мрежата, за сметка на което покритието е 25 km.

Специализирани ИС

Относителният дял на намиращите се в продажба интегрални схеми за IoT не е голям, тъй като част от произвежданите са предназначени само за вграждане в модули, които при това стават с все по-малки размери. Нещо повече, нерядко една ИС се създава за да бъде включена в определен модул или серия от модули и в разработката й участва техният бъдещ производител. Практическа особеност на специализираните ИС е, че често се предлагат като серии с различия във възможностите – броят на ИС в серията е отразен в колона 2 на табл. 1.

Значително е разнообразието в структурата на специализираните ИС, но същността им се изяснява чрез опростената блокова схема на фиг. 2. Блокът INTERFACE, означаван още като Peripheral Interface и Host Interface, осигурява двупосочна връзка с проводникови мрежи като съдържа възли за масово използваните интерфейси, за всеки от които има отделни изводи на входно-изходната шина I/O.

Често тя съдържа и група изводи от типа GPIO и такива за управление на определен тип товари – например ИС на ред 4 в табл. 1 има PWM извод за електродвигатели, 16 извода PWM за светодиоди, 10 извода за сензори с докосване и един за сензор на Хол. Процесорът CPU с вградения или външно свързван осцилатор CLK осигурява цялото действие на ИС, а блокът МЕМ са неговите постоянна и оперативна памет. В част от ИС към нея се прибавя външна постоянна памет, обикновено Flash.

Таблица 1 съдържа примери за специализирани ИС, като в колона 2 е отбелязана годината на пускане на пазара. Дадената на ред 1 ИС е предвидена за монтаж в модули, а най-новата разновидност на ред 2 е предназначена за автомобили с възможност за едновременно използване на двата канала (Real Simultaneous Dual Band) - по всеки от тях пътуващите могат да гледат и слушат различни видео- и аудиопрограми.

Сред допълнителните възможности на ИС на ред 5 са вграденият GPS приемник с точност 5 m, а тази на ред 6 е представител на набиращите популярност ИС с възможност за програмиране на изходната мощност на предавателя и съответно адаптиране към условията за разпространение на електромагнитните му вълни. За перспективното в IoT свързване в мрежа (Mesh Networking) е предвидена ИС на ред 7, която ползва и USB 2.0, а специфична за ИС на ред 8 е възможността за обмен на данни с измервателни уреди и селскостопански машини.

За осигуряване на параметрите на ИС за IoT и правилното им функциониране съществено значение имат свързването на външните елементи, техният тип и реализацията на печатната платка. Поради това част от производителите дават в документацията на ИС необходимите препоръки - пример е представената на ред 6 в табл. 1. Производителите на ИС за IoT спазват и възприетите принципи да предлагат китове за улеснение на разработката на устройства с тях - сред типичните примери са QCA4024 Development Board на Qualcomm и DK 50 Series на Intel.

Модули

В зависимост от сферите на приложение на модулите и тяхната цена съществува значително разнообразие в структурите им, а за изясняване на действието им може да се използва фиг. 3.

Блокът CPU and Memory обикновено е самостоятелна ИС с процесор CPU, Flash и оперативна (RAM) памет, контролер DMA за директен достъп до тях и блок Security за защита на данните. За осигуряване работата на тази част от модула се ползва осцилаторът HFXO с вграден кварцов резонатор XTAL. Съществуват и модули с външен резонатор, например този на ред 4 в табл. 2.

Отделна ИС е приемо-предавателят Wi-Fi Chipset с блок 802.11b/g/n за осигуряване работата според съответните стандарти, който в модула WGM110A (ред 6 на табл. 2) има вградена антена, а WGM110E ползва външна, осигуряваща по-голямо покритие. Данните за обмен постъпват по проводникова мрежа чрез блока I/O Ports в съответствие с показаните стандартни интерфейси, чиято работа изисква осцилатора LFXO също с вграден кварц. Цифрови сигнали могат да се обменят и чрез блока GPIO, а аналогови сигнали се преобразуват в блока Analog и превръщат в импулси с PWM в блока Timers and Triggers. Постояннотоковото захранване заедно с режимите за намаляване на консумацията се осъществява от блока Energy Management.

Подчертаният стремеж за намаляване на размерите и теглото на електронните системи не отминава и модулите за IoT, към което се прибавят нарастващите им приложения в преносими устройства. Резултатът е нарастване на относителния дял на модули с размери, приближаващи до тези на специализираните ИС.
В табл. 2 са представени основните параметри на модули с най-голям размер над 15 mm.

Същественото като параметър покритие (колона 4) се дава сравнително рядко поради зависимостта му от средата, в която се ползва модулът, например то е по-малко в градска среда отколкото в извънградска (стойността 90 m за модула на ред 1 е за вътрешността на сгради и подземни съоръжения, а 3200 m е за открити пространства). В колона 5 с TxPow е означена излъчваната от предавателя мощност (Tx Power), а RxSen е чувствителността на приемника (Rx Sensitivity). Съществената за работата на модулите диаграма на насоченост (Radiation Pattern) се дава сравнително рядко в каталозите (сред изключенията е модулът на ред 3 от табл. 3).

Консумираният ток IDD в режим предаване зависи от излъчвана мощност, а в режим приемане по принцип е по-малък. В таблици 2 и 3 са дадени неговите гранични стойности, а IDD,sleep е токът в режим “Очакване” – включен е само блокът на модула, който трябва автоматично да го задейства при постъпване на сигнал за приемане. При избора на модул за дадено приложение е полезно да се има предвид, че част от моделите се предлагат в няколко корпуса с различни размери – пример е модулът от ред 1 на табл. 2.

В табл. 3 са дадени модули с максимални размери до 15 mm включително.
За правилното функциониране на модулите и свързването на външните елементи към тях също има изисквания, които са отразени в техническата документация. Като пример на фиг. 4 е показано свързването на модул с външна антена, защита от обратна полярност на захранващото напрежение и външен индикатор.

Безжични микроконтролери

Всички съвременни системи за безжичен обмен на данни освен приемо-предавател практически задължително съдържат микроконтролер. Това логично води до появата на ИС на безжични микроконтролери (Wireless Microcontroller, Wireless MCU), чиято популярност бързо нараства през последните години. Структурата им е подобна на тази на специализираните ИС за IoT, обикновено ползват 32-битов процесор с типична честота няколко десетки MHz и често се предлагат в разновидности с различен обем на паметта.

Освен за IoT те са предназначени и за други безжични приложения от типа PAN (Personal Area Network) и LAN (Local Area Network), включително електроника в облеклото (Wearable Electronics) и постепенно добиващите популярност Digital Beacon и Proximity/Find Me Services за определяне местоположението на обекти.
Примери за безжични микроконтролери са дадени на редове 3-6, 8 и 9 в табл. 4, като характерни за този на ред 3 са 12-битовият АЦП с 8 входа, двата аналогови компаратора и контролер с 48 входа за сензори с докосване.

Даденият на ред 4 може да работи с операционните системи Apple OS и Android, съдържа 12-битов АЦП с 6 входа и блокове за контрол на температурата на чипа и захранващото напрежение. Работата със Zigbee 3.0 на микроконтролера на ред 5 определя допълнителни приложения в интелигентни системи за осветление, автоматизация на жилища и сгради, а специфичната за микроконтролерите EEPROM позволява 105 цикъла на запис.

Микроконтролерът на ред 6 освен 16-битов АЦП съдържа и 12-битов ЦАП, а изходната мощност може да се програмира в дадените в таблицата граници с 62 стъпки. Даденият на ред 7 микроконтролер съдържа специализиран процесор (Wireless Network Processor) за работата на IoT и възможност за едновременен обмен на данни с 4 предавателя, например в индустриални системи за управление и измерване и сградна автоматизация. Процесорът в микроконтролера на ред 8 е двуядрен, включва интерфейс за 8-битова камера и 12-битов АЦП с 4 канала.

По-нататъшното разширяване на функциите на безжичните микроконтролери, например чрез добавяне на специализирани малошумящ усилвател (LNA) в приемника и усилвател на мощност в предавателя с цел увеличаване на покритието, се осъществява чрез безжични системи върху чип (Wireless System-on-a-Chip, Wireless SoC), каквито са дадените на редове 1, 2 и 7 в табл. 4.

Сред особеностите на тази на ред 1 е специализираният за IoT процесор с голяма памет, увеличена скорост на обмен на данни по безжичните канали и с проводниковите интерфейси и съвместимост със стандартите IEEE802.11d/h/i. Наименованието Programmable SoC (PSoC) на дадената на ред 2 система е заради програмирането на изходната мощност между -20 dBm и 0 dBm и наличието на програмируеми АЦП, ЦАП и цифрови блокове.

Като специфични особености могат да се споменат съвместимостта с BLE 5.0, блокът CapSense Sigma-Delta за работа с капацитивни сензори и блокът за звуковъзпроизвеждане с възможност за свързване на цифрови стереомикрофони. Характерни за SoC на ред 7 са работата с три технологии в два честотни обхвата при значителна мощност на предавателя, което е полезно за реализацията на хъбове за IoT и в изграждането на сравнително големи мрежи, например в т. нар. умни градове.

С малки изключения безжичните микроконтролери и техните разновидности съдържат вече споменатия блок (или блокове) за PWM. За реализация на устройства с микроконтролерите трябва да се държи сметка дали те изискват допълнителен външен микроконтролер и да се ползват даваните в каталозите им схеми с особености на елементите и на печатната платка.

Приемо-предаватели

Тази категория ИС и модули (Radio Transceiver) съдържат предавател и приемник с електронен ключ за избор към кой от тях да се свързва антената за желания режим на работа заедно с блок за модулация на излъчваните сигнали и такъв за демодулация на приеманите. Практически аналогични са функциите на ИС и модули на модеми (Modem) и съответно няма принципна разлика между двете категории – наименованието им в каталозите зависи от производителя, наричат се и Modulator/Demodulator Transceiver.

Друга особеност е, че естеството на действието им определя наличието на малко блокове за проводникови интерфейси или липса на такива. Тъй като по принцип приемо-предавателите се ползват в значително по-широка от IoT група на безжичните мрежи, съществуват сравнително малко модели, създадени специално за IoT. Типичен пример е интегралната схема MDM9206 на Qualcomm Technologies, предназначена за вграждане в клетки на IoT мрежи и означавана като Cellular Modem.

Работи с технологиите LTE Cat-M1, LTE Cat-NB1 и GPRS с 15 канала при скорости на обмен на данните между 20 и 375 kbps.
Примери за приемо-предаватели са дадени в табл. 5, като в този на ред 1 могат да се програмират широчината на канала на приемника и изходната мощност на предавателя (със стъпка 0,1 dB). Също програмируема със стъпка 4 dB е изходната мощност на предавателя в ИС на ред 3, а за улесняване на приложенията в документацията й са дадени практически схеми със стойности на елементите и печатни платки. Последната ИС в табл. 5 може да работи в дуплексен и полудуплексен режим, а специфично нейно приложение е в програмно реализирани радиокомуникационни системи (Software Defined Radio) SDR.

Портали и рутери

Порталите (Gateway) са сред задължителните елементи за изграждане на безжични мрежи. В тези за IoT те осигуряват връзката на устройствата за непосредствен обмен на данни с управляваните обекти или хъбове към мрежата. Сериозно е присъствието на Intel с моделите й под общо наименование Intel IoT Gateway, разделени в три групи – DK100 Series, предназначена за индустрията и енергетиката, тази за транспорта (DK200 Series) и общата за двете групи DK300 Series.

Сред технологиите, с които работят, са Bluetooth, Zigbee и Cellular 2G/3G/4G, а за проводникови мрежи ползват интерфейсите Ethernet 10/100, RS-232, RS-485 и USB2.0. В DK300 Series първият е заменен с Ethernet 10/100/1000 и са прибавени RS-422 и USB 3.0.

Типичен пример за рутер е Digi Transport WR31 на Digi International, който работи с технологиите LTE Cat3 и LTE Cat4 в 6 честотни обхвата между 450 MHz и 2600 MHz със скорост на приемане 50 Mbps и на предаване 100 Mbps и 150 Mbps и ползва интерфейсите RS-232, RS-422 и RS-485. Оформен е като прибор с габарити 127x89x51 mm.