Rys. 2. Ocena wyników sprzedaży produktów ISM w pierwszych trzech miesiącach 2009 roku. Źródło wszystkich wykresów: redakcyjna ankieta

Aplikacje

Trudno wymienić wszystkie zastosowania, które korzystają z radiowej łączności, gdyż jest to produkt uniwersalny, ale można spróbować wskazać najpopularniejsze. Najprostsze i historycznie najstarsze to układy otwierania bram i drzwi, a więc radiowe piloty zdalnego sterowania, jakie znamy z codziennego życia.

Drugi ważny obszar tworzą systemy alarmowe, które łączność bezprzewodową wykorzystują do komunikacji z rozproszoną siecią czujników oraz wszelkiego układy zabezpieczeń. Automatyka budynkowa, sterowanie w przemyśle, a w szczególności akwizycja danych z czujników w obrębie zakładu to kolejny obszar, którego znaczenie szybko rośnie i który jest uznawany za bardzo perspektywiczny.

To samo dotyczy telemetrii, a więc zdalnych pomiarów, takich jak chociażby monitoring stanu pacjentów w medycynie lub stanu pracy urządzeń w fabrykach. W kolejce na swoją premierę rynkową czekają aplikacje elektronicznych mierników zużycia mediów (AMR), w których oprócz elektronicznego licznika kilowatów lub metrów sześciennych, automatyzacji podlega także odczyt. Ten obszar rynku jest na tyle perspektywiczny, że pewna grupa produktów wręcz wydaje się być projektowana po takie zastosowania.

Mikrokontroler o bardzo małym poborze mocy z interfejsem do wyświetlacza LCD i transceiverem radiowym pozwala na pomiar zużycia energii elektrycznej, gazu, wody, ścieków, zapewnia wysoki stopień ochrony przed nadużyciami i pozwala na rozliczanie sprzedaży na bieżąco, w miejsce dotychczasowego półrocznego odczytu. Lista korzyści jest na tyle duża, że dostawcy technologii bezprzewodowych, nawet jeśli nie są zadowoleni z dotychczasowego tempa rozwoju rynku, inwestują w rozbudowę oferty i kompetencje techniczne, licząc na silne odbicie w górę w nadchodzących latach.

Marcin Korus Inżynier aplikacyjny w JM Elektronik Co sprzedaje się lepiej w Polsce: podzespoły czy moduły do bezprzewodowej komunikacji? Od początku wprowadzenia do naszej oferty układów radiowych obserwujemy pewną dwutorowość rynku. Jego podział determinuje bezpośrednio liczba punktów bezprzewodowej transmisji, a pośrednio budżet, jaki klienci przeznaczają na dany projekt. Próbując liczbowo zdefiniować ten podział, zauważamy, że w projektach do kilku tysięcy urządzeń radiowych klienci zdecydowanie wybierają rozwiązania w postaci gotowych modułów. Natomiast w produkcji o wyższym potencjale firmy opracowują własne aplikacje radiowe oparte na scalonych układach radiowych. Jednym z czynników wpływających na taki podział jest cena, a kolejne to przede wszystkim gotowość firm do inwestycji w proces tworzenia własnego rozwiązania, co niesie ze sobą również wydłużenie czasu zwrotu poniesionych nakładów. Aplikacja radiowa charakteryzuje się pewną specyfiką, od konstruktorów wymaga znajomości i doświadczenia w zagadnieniach analogowych, zwłaszcza wysokich częstotliwości. Początkowe koszty pracy inżynierów, badań i certyfikacji skutkują jednak opracowaniem optymalnego dla danej aplikacji rozwiązania toru radiowego. W takich przypadkach inwestycja w rozwój własnej aplikacji zwraca się w niższej cenie komponentów. Czy gotowe moduły radiowe są przeznaczone dla klientów bez odpowiedniego zaplecza inżynierskiego i finansowego? Nie ma tutaj ostrych granic i reguł. Zdarza się, że specyfika danego projektu wymaga opracowania własnego układu radiowego mimo niewielkiej liczby produkowanych układów. Z drugiej strony gotowe moduły są często stosowane w projektach o dużym potencjale. Najczęściej moduły zyskują na znaczeniu, kiedy czas wprowadzenia produktu na rynek jest bardzo krótki lub kiedy jest to rozwinięcie istniejącej już aplikacji.

Nowości technologiczne

Tabela 2. Dane kontaktowe do uczestników raportu

Wiele elementów aplikacji bezprzewodowych korzysta z zasilania bateryjnego i dlatego ważnym czynnikiem wpływającym na tempo rozwoju rynku oraz nowe zastosowania jest niski pobór mocy. Oczywiście przeniesienie informacji przez eter musi wiązać się z wydatkiem energii, niemniej dobrze dopasowany protokół, złożona modulacja, dopasowana antena kierunkowa są w stanie znacznie ograniczyć wymagania energetyczne transmisji.

To samo dotyczy poboru prądu przez układy wewnętrzne transceivera, w stanie aktywnym i w głębokim uśpieniu oraz czasów przebywania w poszczególnym stanie w warunkach typowej pracy. Praca przez 10 lat bez konieczności wymiany baterii wymaga głębokiej optymalizacji wszystkich bloków i stanów pracy transceivera i z pewnością producenci mają tutaj jeszcze wiele możliwości poprawy.

Dla wielu miniaturowych sensorów i czujników bezprzewodowych bateria jest dzisiaj największym podzespołem w obudowie, decydującym o wymiarach zewnętrznych i co więcej, skutecznie opiera się miniaturyzacji. Dlatego w kolejnych generacjach układów producenci z pewnością będą starać się jeszcze bardziej obniżać sumaryczny pobór prądu, bo jest to prostsze do osiągnięcia.

Zasięg układów do komunikacji bezprzewodowej nie przekracza zwykle 100 metrów, co wystarcza do większości zastosowań. Niemniej na rynku dostępne są moduły, które charakteryzują się wielokrotnie większym zakresem pracy. Osiągnięto to, stosując antenę kierunkową, ograniczając szybkość transmisji oraz oczywiście poprawiając czułość odbiornika.

Protokoły

Z pewnością dobry protokół transmisyjny jest w stanie nie tylko ułatwić stworzenie nawet złożonej aplikacji, ale też może przesądzić o jej powodzeniu rynkowym. Gdy transmisja danych realizowana jest w systemie punkt-punkt między dwoma urządzeniami, znaczenie istnienia dobrego protokołu sieciowego jest z pewnością mniejsze niż w przypadku sieci bezprzewodowej o złożonej topologii.

Rys. 3. Najbardziej rozpoznawalni dystrybutorzy układów komunikacyjnych w kraju – wyniki głosowania

Dlatego część konstruktorów woli kupić bardziej złożony transceiver realizujący automatycznie funkcje kontroli i transmisji błędnych pakietów lub też obsługujący autoskalowanie szybkości transmisji, a więc zawierający najpotrzebniejsze funkcje w krzemie, niż korzystać z tych funkcji na drodze soft ware’owej.

Protokół transmisji danych jest natomiast praktycznie obowiązkową pozycją do zastosowań w przemyśle, sieciach rozproszonych czujników lub też systemów automatycznego odczytu liczników mediów. Przykładem mogą być zyskujące na popularności ZigBee, Wireless M-Bus czy 6LoWPAN.

Przegląd rynku

Układy monolityczne obejmują scalone układy radiowe wykonane w postaci odbiornika, nadajnika lub układu nadawczo-odbiorczego (transceivera). Samodzielne układy radiowe uzupełniają mikrokontrolery z wbudowanym transceiverem, jakie można znaleźć w ofertach Atmela, Teksasa, Nordica i szeregu innych firm. W niektórych przypadkach mikrokontroler nie ma dużych możliwości obliczeniowych ani rozbudowanych zasobów sprzętowych, tak że wydaje się on być dodatkiem do układu radiowego. Częściej jednak mikrokontroler to wydajna i rozbudowana jednostka, do której układ radiowy jest tylko dodatkiem funkcjonalnym uzupełniającym układy peryferyjne, tak że całość stanowi specjalizowany układ typu SoC.

Transceivery radiowe mogą pracować w trybie simpleksowym, półdupleksowym (z minimalnym czasem przełączania układu pomiędzy nadawaniem i odbiorem) oraz w pełnym dupleksie. Te ostatnie wersje są najbardziej złożone oraz, aby uniknąć stosowania w obwodach wyjściowych w.cz. dupleksera, bazują zwykle na podwójnych antenach. Jeśli chodzi o pasmo pracy, to wśród układów dostępnych na rynku można najczęściej wyróżnić wersje przeznaczone do pracy w konkretnym paśmie ISM, ale są też układy dwu- a nawet trójpasmowe.

Uzupełniają je wersje zdolne do transmisji w szerokim zakresie częstotliwości, na przykład od 50 MHz do 1 GHz, które można wykorzystać w mniej typowych aplikacjach. Układy radiowe bazują na modulacji szerokopasmowej wykorzystującej techniki rozpraszania widma, inne pracują w wąskich kanałach częstotliwości z wykorzystaniem mniej złożonych modulacji jak np. FSK. Typ używanej modulacji zależy w największym stopniu od wykorzystywanego pasma częstotliwości. Zwykle wersje z rozpraszaniem pracują w zakresie gigahercowym. Układy takie zapewniają najszybszą transmisję sięgającą nawet 1 Mbps.

Rys. 4. Najbardziej rozpoznawalne w kraju światowe marki w zakresie komunikacji w pasmach ISM

Wersje emitujące w węższym paśmie to natomiast domena zakresów UHF (433 i 868). Szybkość transmisji danych powiązana jest głównie z używaną częstotliwością pracy i modulacją, niemniej nie zawsze widać jako cel dążenie do maksymalizacji przepustowości. Pewna grupa układów projektowana jest z założenia do pracy z niską szybkością transmisji rzędu 2 kbps po to, aby ograniczyć maksymalnie pobór prądu ze źródła zasilania lub zapewnić maksymalny zasięg działania.

Inne układy zapewniają bardzo dużą szybkość przesyłania, ale za to jedynie w obszarze kilku metrów. W przypadku większości producentów oferta układów jest szeroka i pozwala na dobranie najlepiej pasującego układu do zastosowania, a ogromny obszar zastosowań powoduje, że raczej nie ma jednej uniwersalnej konstrukcji, tylko wiele specjalizowanych i ukierunkowanych na określoną kombinację podstawowych parametrów. Część transceiverów ma też z góry określone przeznaczenie, na przykład do budowy bezprzewodowych torów audio, zawierając często wykorzystywane bloki sprzętowe w takich konstrukcjach.

O ile moc nadajnika w przypadku korzystania z pasm ISM jest ograniczona do 5–25mW w zależności od częstotliwości, o tyle to jaka jest czułość odbiorników, zależy już od technologii półprzewodnikowej oraz rozwiązań układowych toru radiowego. Dla większości odbiorników nie przekracza ona –100 dBm (około 2μV), natomiast dla najlepszych rozwiązań sięga –120 dBm (0,2 μV/50Ω), a więc tyle, ile ma profesjonalny sprzęt radiokomunikacyjny.

Niewątpliwie czułość jest bardzo ważnym parametrem w zastosowaniach, gdy zależy nam na dużym zasięgu. Biorąc pod uwagę funkcje użytkowe, jakimi różnią się układy komunikacji bezprzewodowej, można zwrócić uwagę na możliwość regulacji mocy, wyboru i automatycznej zmiany kanału, opcje wewnętrznej kontroli poprawności danych i retransmisję błędnych pakietów bez konieczności obsługi takich zdarzeń z poziomu mikrokontrolera zarządzającego.

Dariusz Nowakowski Inżynier aplikacyjny w firmie Masters Na jakie cechy podzespołów i modułów ISM zwracają uwagę najczęściej klienci branżowi? Jakim czynnikiem jest tutaj cena? Wydaje się, że istotne są trzy główne czynniki: atrakcyjna cena, dobra jakość produktów i wsparcie techniczne także od strony dystrybucji, a nie tylko samego producenta. Poza trzema wyżej wymienionymi kryteriami, liczy się szeroka oferta obejmująca rozwiązania dla każdego z popularnych pasm ISM, zarówno w postaci gotowych modułów, jak i układów scalonych, rozwiązania dla prostej komunikacji typu punkt-punkt i z możliwością stworzenia sieci. W przypadku produkcji masowej i konieczności konkurowania z podobnymi produktami na rynku, cena staje się jednym z ważniejszych czynników. Jeżeli chodzi o kwestie techniczne, to zależy to od rodzaju aplikacji, zwykle pasmo 868 MHz i niższe wykorzystywane są w przypadku przepływności nieprzekraczającej 100kbit/s i konieczności uzyskania większego zasięgu lub pracy w budynku. Natomiast pasmo 2,4 GHz i wyższego używa się dla większych przepływności i odległości nieprzekraczających kilkudziesięciu metrów (wyjątkiem jest technologia ZigBee). Jakie nowości i trendy są warte zauważenia? Jest wiele standardowych i niestandardowych rozwiązań, każde ma swoje wady i zalety, natomiast widać wyraźny wzrost zainteresowania wersjami o niskim poborze mocy przeznaczonymi do zasilania z baterii, a także bardziej zaawansowanymi systemami umożliwiającymi zbudowanie sieci np. ZigBee. Wyłączając Bluetooh i WiFi, które służą przede wszystkim do transmisji dużej ilości danych, gdzie ich rozwój prowadzony jest pod wymagania rynku masowego i szeroko pojętej branży komputerowej oraz telefonów komórkowych, zmiany pozostałych prowadzone są przede wszystkim dwutorowo. Pierwszy to prosta komunikacja typu punkt-punkt, gdzie istotnym czynnikiem staje się niski pobór prądu, z możliwością pracy przez długi czas na baterii. Drugi to bardziej zaawansowane sieci typu MESH, gdzie protokół jest „inteligentny”.

Rys. 5. Ocena, w jakim obszarze rynku konkurencja na rynku jest największa

Na rynku są dostępne podzespoły, w których prędkość nadawania regulowana jest automatycznie, co jest przydatne w sytuacji obecności silnych przypadkowych zaburzeń, a nawet takie, które potrafią nasłuchiwać jednocześnie w kilku kanałach, czekając na określoną sekwencję danych. Wskaźnik siły odbieranego sygnału, często współpracujący z przetwornikiem A/C, bufor danych pozwalający odciążyć procesor też nie jest niczym wyjątkowym i pojawia się w wielu komponentach. Liczy się też miała liczba elementów zewnętrznych, która dla większości konstrukcji sprowadza się do rezonatora kwarcowego, kondensatorów blokujących zasilanie oraz elementów toru antenowego.

W zdecydowanej większości z układów radiowych zniknęły trymery i cewki o regulowanej indukcyjności za pomocą rdzenia ferrytowego, tak charakterystyczne dla starszego sprzętu radiokomunikacyjnego. Wynika to po części z wąskopasmowej natury łączności ISM oraz dużego wsparcia po stronie automatyki strojenia toru antenowego zawartego w niektórych rozwiązaniach, np. firmy Silicon Laboratories.

W torach pośredniej częstotliwości nie korzysta się z filtrów indukcyjnych. W ich miejsce stosuje się przemianę częstotliwości do niskich wartości pozwalających na filtrację w układach aktywnych i detektory kwadraturowe uwalniające od kłopotów z sygnałem lustrzanym. Na rynku nie ma jeszcze rozwiązań wykorzystujących ideę SDR (Soft ware Defined Radio), w których cała obróbka sygnału i demodulacja realizowana jest za pomocą procesora sygnałowego, ale zapewne w przyszłości, w miarę, jak będzie rosła złożoność modulacji i liczba pracujących nadajników w eterze, takie układy pojawią się na rynku.