Wi-Fi dla każdego, czyli rozwiązania komunikacyjne Espressif

Opis zbliżony do innych producentów półprzewodników nie oddaje w żaden sposób zamieszania, jakie firma wywołała, wprowadzając na rynek rozwiązania w zakresie chipów WLAN. Chyba najlepiej obrazuje to przykład Google Trends, który wskazuje, że od listopada 2014 roku liczba zapytań w wyszukiwarce o firmowy chip ESP8266 przekroczyła liczbę pytań o "moduł Wi-Fi".

Wszystko przez jeden układ, który nie tylko znacznie ułatwił opracowanie konstrukcji z komunikacją Wi-Fi poprzez szereg udogodnień, ale jednocześnie umożliwił to w cenie kilka, a czasem kilkanaście razy niższej niż inne. ESP8266, bo o nim mowa, jest przykładem nie tylko bardzo dobrego produktu w atrakcyjnej cenie, ale i jest ilustracją zasady działania marketingu szeptanego, który z wykorzystaniem Internetu działa szybko, a także siły rynku hobbystycznego, który często jest bagatelizowany przez producentów układów scalonych specjalizujących się jedynie w przemysłowych aplikacjach.

To właśnie wybudowanie społeczności wokół produktu - prężnie działającego forum, wsparcia dla rozwiązań Arduino, a także dostępnych na zawołanie i za darmo dokumentacji, przykładów, źródeł i projektów, przyczyniło się do popularności tych chipów i opartych na nich modułów.

Jeśli dodamy do tego potwierdzone informacje o czasie życia produktów Espressif wynoszącym 12 lat, możemy mówić o rozwiązaniu, które na długo zajmie wiodącą pozycję na rynku przemysłowych chipów komunikacyjnych.

W jednym z wywiadów Teo Sween Ann, prezes firmy Espressif, przyznał, że takiego sukcesu i takiej popularności, zarówno on, jak i jego koledzy z firmy nie byli sobie w stanie wymarzyć. Zakładali, że produkt będzie trafiony, ale przerosło to ich najśmielsze oczekiwania. Sama firma nie jest nowa - została założona w 2008 roku i od początku specjalizowała się w rozwiązaniach Wi-Fi.

Jedynie obszar rynku, w którym działała, był nieco odmienny - chipy znajdowały zastosowanie głównie w urządzeniach konsumenckich i mobilnych, takich jak tablety, smartfony, kamery IP itp. Rosnący w tempie ok. 30% rocznie rynek IoT i deweloperzy rozwiązań w tym obszarze okazali się idealnymi odbiorcami docelowymi.

Znakomite produkty i tempo rozwoju docenili nie tylko elektronicy z całego świata. Espressif został wybrany do setki najbardziej obiecujących i najszybciej rozwijających się azjatyckich firm prestiżowego rankingu Red Herring, który od 1996 wskazuje najlepsze prywatne przedsiębiorstwa technologiczne z całego świata.

ESP8266 - bliższe spojrzenie

Jak z technicznego punktu widzenia wygląda chip ESP8266, co sprawia, że jest tak interesujący? ESP8266 jest jednym z najmniejszych rozwiązań w branży, integrującym większość niezbędnych elementów wewnątrz struktury. Sprawia to, że projekt pełnego rozwiązania wymaga minimalnej liczby komponentów dodatkowych.

Dzięki możliwości implementacji własnej logiki np. w języku skryptowym LUA i wykorzystaniu wewnętrznego 32-bitowego mikrokontrolera Tensilica L106 Diamond, ESP8266 może stać się kompletnym i samodzielnie działającym rozwiązaniem sieciowym Wi-Fi. Pozwala także na pracę w połączeniu z innym mikrokontrolerem jako rozwiązanie łączności bezprzewodowej wykorzystując jeden z dostępnych na nim popularnych interfejsów (SPI/SDIO/UART/I²C).

Co więcej, ESP8266 obsługuje standardy 802.11 b/g/n, ma zintegrowany stos TCP/ IP, 10-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy, przełącznik toru radiowego w zakresie nadawania/odbioru, wzmacniacz mocy, LNA, symetryzator RF, układ dopasowania, regulatory zasilania, PLL oraz układy zarządzania energią.

Chip działa na paśmie 2,4 GHz z mocą na wyjściu +20 dBm w trybie 802.11b, wspierając standardy szyfrowania WPA/WPA2. Układ w trybie głębokiego uśpieniu pobiera <10 µA prądu, a czas wybudzenia i wysłania pakietu wynosi <2 ms. Mamy tu do czynienia z bardzo szerokim zakresem temperatur pracy: od -40 aż do 125°C. Napięcie zasilania to 3,0-3,6 V.

Warto wspomnieć, że chip może pracować zarówno jako klient, jak i punkt dostępowy, a także w obu tych trybach jednocześnie (STA/AP/STA+AP). Dodatkowo ma wsparcie dla funkcji Smart Link z urządzeniami pracującymi na systemach mobilnych Android oraz iOS.

Nowości

W drugiej połowie 2015 roku firma Espressif wypuściła na rynek moduł oparty na chipie ESP8266 - ESPWROOM-02. Jest on już wyposażony w skalibrowany tor antenowy, a samo rozwiązanie ma szereg certyfikatów, ułatwiających uzyskanie dopuszczeń do sprzedaży końcowym użytkownikom modułu (FCC, CE, TELEC, Wi-Fi Alliance, SRRC). Dzięki temu pojawiło się w końcu kompletne rozwiązanie w pełni sygnowane przez producenta, zapewniające odpowiednią jakość oprogramowania oraz stabilność działania.

W 2016 roku ma swoją premierę młodszy brat wspomnianego rozwiązania, mianowicie ESP32. Nowy chip integruje nie tylko komunikację Wi-Fi, ale pozwala także na przesyłanie danych w standardzie Blueooth (zarówno Classic, jak i Low Energy). Jest więc kompletnym rozwiązaniem typu combo. Aplikacje wymagające małego zużycia energii, przenośne urządzenia elektroniczne dla konsumentów oraz aplikacje IoT - wszystkie one stanowią idealne zastosowanie dla ESP32. Wszystko ponownie w nieosiągalnym do tej pory pułapie cenowym.

Wspomniany chip jest najbardziej zintegrowanym tego typu rozwiązaniem na rynku. Zamknięto go w obudowie o wymiarach 4×4 mm, a zaprojektowanie kompletnego bloku realizującego transmisję wymaga mniej niż 10 komponentów zewnętrznych. W ESP32 zintegrowano cały zestaw niezbędnych elementów takich jak przełącznik antenowy, symetryzator RF, wzmacniacz mocy, LNA, filtry, elementy zarządzania energią, a także zaawansowane układy kalibracji toru RF, pozwalające na dynamiczne dopasowanie układu do nie zawsze idealnego, zewnętrznego obwodu antenowego.

Atuty ESP32

Tego typu architektura pozwala na zredukowane niezbędnego na PCB miejsca, skrócenie czasu wejścia produktu na rynek, kosztu BOM, jednocześnie dodając urządzeniom spore możliwości i moce obliczeniowe. A te jak na tego typu rozwiązanie nie są małe - w chipie znajdziemy dwurdzeniowy 32-bitowy procesor L108 Tensilica taktowany zegarem 160 MHz (2×80 MHz) i 256 KB pamięci RAM.

Chip występuje też w wersji low-power z jednordzeniowy procesorem. Dodając do tego bogaty zestaw interfejsów (UART, SPI, I²C, I²S, SDIO, Motor PWM, LED PWM, CAN, EMMC/SD, ADC, DAC, IR, ETH) oraz czujnik temperatury, a także interfejs obsługi pojemnościowych wyświetlaczy dotykowych, użytkownik otrzymuje zaawansowany układ pozwalający na budowę urządzeń bez konieczności wykorzystywania zewnętrznego mikrokontrolera.

ESP32 działa w standardach 802.11 b/g/n/e/i oraz ma sprzętową akcelerację dla kryptografii (AES 128/192/256, Hash (SHA-2), RSA oraz generator liczb losowych).

Zarówno ESP32, jak i ESP8266 zostały zaprojektowane w taki sposób, aby sprostać wymaganiom aplikacji low power, takich jak przenośne urządzenia bateryjne oraz wearables. Minimalne zużycie energii można osiągnąć za pomocą precyzyjnego ustawienia mocy wyjściowej nadajnika w.cz., a także poprzez wprowadzenie układu w jeden z trybów oszczędzania energii.

Dla ESP8266 oprócz całkowitego wyłączenia układu, do dyspozycji jest tryb standardowego działania oraz 2 tryby uśpienia - głęboki (deep sleep mode), gdzie pobór prądu wynosi 60 µA, gdy aktywne pozostają jedynie RTC oraz watchdog, a także tryb uśpienia (sleep mode) w stanie połączenie z punktem dostępowym, gdzie pobór wynosi 0,5-1 mA. W przypadku ESP32 dysponujemy dodatkowo trybem sleep mode, w którym funkcje transmisyjne są wyłączone, natomiast mikrokontroler układu cały czas działa.

Podsumowanie

Możliwości, jakie układy Espressif otwierają konstruktorom urządzeń elektronicznych, są wyjątkowo duże. A jeśli wziąć pod uwagę ceny tych rozwiązań, to całość oferty sprawia, że komunikacja Wi-Fi i BT ma szansę znaleźć się w urządzeniach, w których z uwagi na koszt technologii była wcześniej niedostępna.

Dzięki trybowi AP układy stanowią bardzo szybką w implementacji bramę dla urządzeń mobilnych, natomiast w trybie klienta umożliwiają przesyłanie danych przez sieć np. do chmury. Dzięki temu liczba aplikacji jest praktycznie nieograniczona: urządzenia automatyki domowej (smart light, smart plug), węzły centralne sieci czujników, rozwiązania monitoringu i zdalnego zarządzania w przemyśle, kamery IP, zasilane bateryjnie czujniki, przenośne urządzenia wykorzystujące lokalizację za pomocą Wi-Fi, wearables, urządzenia telemedyczne, urządzenia bezprzewodowego przesyłu audio i wiele, wiele innych. Powszechność i dostępność technologii powoli wypiera rozwiązania przewodowe, których koszt już w tym momencie jest wyższy.

Z całą pewnością mamy więc do czynienia z urządzeniami, które zmieniły zasady gry dla komunikacji Wi-Fi w aplikacjach IoT. To właśnie dzięki firmom takim jak Espressif i rozwiązaniom pokroju ESP8266 i ESP32 rynek IoT/IoE rośnie tak szybko, a liczba 40 mld urządzeń podłączonych do sieci w 2020 staje się realna.

Soyter Components
www.soyter.pl