Łącza bezprzewodowe poniżej 1 GHz dla przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT)

Niezawodna komunikacja dla IIoT może to być wyzwaniem dla systemów bezprzewodowych, zwłaszcza pracujących w zatłoczonym paśmie 2,4 GHz, w którym funkcjonują sieci Wi-Fi oraz Bluetooth. Użycie pasm nielicencjonowanych poniżej 1 GHz (433 MHz, 868 MHz lub 915 MHz) daje większy zasięg niż 2,4 GHz, ale zarazem niższe szybkości transmisji danych.

Nie jest to ograniczeniem w zastosowaniach przemysłowych, gdzie nie jest wymagana transmisja strumieniowa wideo, lecz przesyłanie danych z czujników oraz informacji diagnostycznych z urządzeń. Pozwala też projektantom uzyskać, kosztem szybkości transmisji danych i zasięgu, niższe zużycie energii, umożliwiające dłuższy czas pracy baterii urządzeń lub wręcz zasilanie przez pozyskiwanie energii z otoczenia (energy harvesting). Może to dać znaczące oszczędności przez redukcję kosztów eksploatacyjnych wymiany baterii - czas pracy ogniw przy dobrym projekcie może wynosić nawet do 20 lat.

Jednakże łącza te muszą być niezawodne, co zależy od zestawienia sprzętu nadajnika-odbiornika radiowego, mikrokontrolera oraz wbudowanych stosów protokołów. Dostępność szeregu opcji we wszystkich tych trzech obszarach daje twórcom systemów elastyczność w optymalizacji projektów dla konkretnych zastosowań przemysłowych.

Pasma poniżej 1 GHz

Rys. 1. EZR32LG330 jest pierwszym bezprzewodowym mikrokontrolerem Silicon Labs

Wąskopasmowe łącza w pasmach poniżej 1 GHz mogą mieć zasięg do 10 km dzięki mniejszemu tłumieniu sygnału przez ściany i budynki, co zmniejsza lub eliminuje potrzebę stosowania bram lub repeaterów w sieci, redukując w ten sposób koszty wdrożenia.

Użycie mniej zatłoczonych pasm radiowych oznacza też łatwiejszą transmisję i mniej powtórzeń pakietów, co zwiększa wydajność komunikacji i oszczędza ładunek w bateriach. Czułość radia jest odwrotnie proporcjonalna do szerokości pasma kanału, więc węższe pasmo zwiększa czułość odbiornika i pozwala na wydajną energetycznie pracę przy niższych szybkościach przesyłu danych.

Na przykład, jeśli przy 300 MHz stabilność częstotliwości generatorów kwarcowych nadajnika i odbiornika wynosi po 10 ppm, błąd dla każdego z nich wynosi 3 kHz. Aby aplikacja mogła skutecznie nadawać i odbierać, minimalna szerokość pasma kanału musi być dwa razy większa od błędu (6 kHz), co jest idealne dla rozwiązań wąskopasmowych. Ten sam scenariusz przy 2,4 GHz wymaga minimalnej szerokości pasma równej 48 kHz, co powoduje marnowanie pasma w zastosowaniach wąskopasmowych i wymaga znacząco wyższego zużycia energii.

Jednym z minusów może być fakt, że dla węzła IoT pracującego poniżej 1 GHz wymagana jest większa antena - na przykład, pasmo 433 MHz potrzebuje anteny 17-centymetrowej. Jednakże może to mieć mniejsze znaczenie w sieciach przemysłowych, gdzie rozmiary nie są tak krytycznym parametrem. Problem można też rozwiązać, stosując nowsze techniki, np. anteny fraktalne dla zastosowań o mniejszym zasięgu oraz wyższe pasma, na przykład 915 MHz, w którym wystarcza antena 8-centymetrowa.

Oferta układowa

Rys. 2. SimpleLink CC1310 zawiera trzy odrębne mikrokontrolery dla obwodów radiowych, czujników oraz stosów protokołów wyższego poziomu i aplikacji użytkownika - wszystkie konfigurowane przez system operacyjny czasu rzeczywistego

Pierwszy mikrokontroler "bezprzewodowy" firmy Silicon Labs (patrz rys. 1) łączy w sobie procesor ARM Cortex-M3, interfejs USB oraz transceiver na pasmo poniżej 1 GHz z optymalizacją zużycia energii dla projektów IoT. Rodzina zgodnych na poziomie styków urządzeń EZR32LG zawiera szereg skalowanych opcji z 64/128/256 KB pamięci Flash i obsługuje nadajniki-odbiorniki Silicon Labs EZRadio oraz EZRadioPRO, pokrywające zakres pasm częstotliwości od 142 do 1050 MHz. Urządzenia te przy zastosowaniu EZRadioPro mają czułość do -133 dBm, pozwalającą na maksymalizację zasięgu lub jego redukcję w celu minimalizacji zużycia energii.

Urządzenie obsługuje wszystkie ważne pasma częstotliwości i osiąga optymalne parametry w zakresie poziomu szumu fazowego, odporności na blokowanie oraz selektywności w zastosowaniach wąskopasmowych i w pasmach licencjonowanych, takich jak FCC Part 90 i Wireless M-Bus 169 MHz. Selektywność kanałów przyległych na poziomie 69 dB przy odstępie międzykanałowym 12,5 kHz oznacza minimalne zakłócenia międzykanałowe i skuteczne filtrowanie wszelkich innych zakłóceń elektrycznych, zapobiegające zakłócaniu łącza radiowego.

Kluczowym elementem EZR32LG jest akcelerator AES, zapewniający bezpieczeństwo węzła bezprzewodowego. Obsługuje on szyfrowanie i deszyfrowanie AES z kluczami 128- i 256-bitowymi. Zaszyfrowanie lub odszyfrowanie jednego 128-bitowego bloku danych zajmuje 52 cykle procesora dla kluczy 128-bitowych oraz 75 cykli dla kluczy 256-bitowych. Moduł AES jest urządzeniem podrzędnym AHB, co pozwala na wydajny dostęp do danych i rejestrów kluczy, więc wszystkie działania dostępu do zapisu w bloku AES muszą być operacjami 32-bitowymi.

Do łączenia z czujnikami i bezpośrednio z urządzeniami dostępnych jest 38 pinów wejścia-wyjścia ogólnego zastosowania (GPIO), podzielonych na porty, z których każdy ma maksymalnie 16 pinów. Wyprowadzenia te mogą być indywidualnie konfigurowane jako wyjścia lub wejścia. Dla poszczególnych pinów można też konfigurować indywidualnie bardziej zaawansowane ustawienia, takie jak: otwarty dren, filtrowanie i siła sterowania sygnału. Piny GPIO mogą też być zastępowane przez wyprowadzenia peryferii, takich jak timery, wyjścia modulatora szerokości impulsów lub interfejs USART.

GPIO obsługuje do 16 asynchronicznych zewnętrznych przerwań z pinów, które umożliwiają obsługę przerwań z dowolnego pinu układu. Projektanci mogą też wykorzystać rozwiązanie Peripheral Reflex System firmy Silicon Labs, w którym wartość wejściowa pinu może być przekierowana przez inne peryferie. Zapewnia to elastyczność przydzielania pinów, dzięki której zmiany w projektach płytek mogą być z łatwością wprowadzane na etapie projektowania lub pomiędzy kolejnymi generacjami produktu.

W układzie zintegrowanym możliwa jest też obsługa wyższych poziomów. Opracowany przez Texas Instruments sterownik SimpleLink CC1310 łączy nadajnikodbiornik radiowy z mikrokontrolerem zoptymalizowanym pod kątem wymagań systemu operacyjnego czasu rzeczywistego oraz ze specjalizowanymi, niezależnymi kontrolerami do zarządzania zasilaniem i dla czujników.

Pracujący poniżej 1 GHz transceiver ma własny MCU Cortex-M0 (rys. 2), który obsługuje krytyczne czasowo aspekty protokołów radiowych bez potrzeby angażowania głównego procesora, co pozostawia więcej zasobów dla aplikacji użytkownika. Może on obsługiwać wiele modulacji, pasm częstotliwości oraz akceleratorów, od 625 b/s dla dalekiego zasięgu i wysokiej odporności transmisji, aż do 4 Mb/s, z modulacją od wielopoziomowej FSK i MSK po modulację dwustanową OOK (on-off keying).

Taktowany 48 MHz mikrokontroler Cortex-M3 obsługuje następnie szereg warstw fizycznych i norm radiowych oraz system operacyjny czasu rzeczywistego, konfigurujący zarządzanie energią i zegarem.

Sensor Controller (sterownik czujników) jest niezależnym procesorem, który steruje szeregiem urządzeń peryferyjnych, dzięki czemu główny procesor nie musi zostać wybudzony, aby np. wykonać próbkowanie przetwornika A/C lub odpytać czujnik cyfrowy przez SPI. Oszczędza to zarówno energię, jak i czas potrzebny na wybudzenie.

Podsumowanie

Rozwiązania komunikacyjne pracujące poniżej 1 GHz mogą radykalnie wydłużyć czas życia baterii w węzłach przemysłowego Internetu Rzeczy. Gdy sieć zawiera tysiące węzłów, koszty eksploatacyjne wymiany baterii mogą być zaporowo wysokie, więc wydłużenie cyklu wymiany do dziesięciu a nawet dwudziestu lat może mieć decydujące znaczenie.

Mark Patrick
Mouser Electronics
pl.mouser.com