Moduły Bluetooth w przemysłowych aplikacjach Internetu Rzeczy

Na rynku jest wiele rozwiązań tego typu, nierzadko ciekawych i obiecujących, niemniej nie zawsze są one łatwe w integracji, gdyż cały proces wymaga uwzględnienia wielu różnych wymagań technicznych. Przede wszystkim otoczenie, w którym ma działać, musi być dobrze rozeznane. Wiele wymagań zależy od temperatury, wilgotności czy wibracji. Urządzenia wykorzystujące Bluetooth muszą być dostosowane do działania także w ekstremalnych czasem warunkach, aby można było z nich korzystać długo i pewnie, np. w szerokim zakresie temperaturowym od -40 do +85°C.

Za przykład można wziąć zdalny monitoring zbiornika z wodą. Układ musi korzystać z czujników odczytujących dane i bezprzewodowo przesyłać je np. do smartfona za pośrednictwem modułu Bluetooth. Moduł ten musi więc zostać zainstalowany przy zbiorniku, a więc na dachu budynku lub na wieży wodnej, gdzie podlegają promieniowaniu słonecznemu, które może znacznie, zwłaszcza latem, podnosić temperaturę wody. Również moduł musi zatem znosić wysokie temperatury.

W razie pracy modułu w skrajnie niskiej temperaturze będzie on potrzebował zwiększonej mocy zasilania. Jeśli jest zasilany z baterii lub akumulatora, napięcie zasilania ulega zmianom w czasie, a także może być przerywane w trakcie zmiany baterii. Można temu zapobiegać, stosując, jeśli to możliwe, zasilanie z sieci elektrycznej albo solarne. Istnieją też rozwiązania Bluetooth o bardzo niskim napięciu zasilania, na przykład 1,7 V, zatem o niskim również zapotrzebowaniu na energię.

Wejścia i wyjścia

Rys. 1. Miniaturowe moduły Bluetooth skutecznie ułatwiają projektowanie z uwagi na ich małe rozmiary i masę. Pokazany moduł firmy Fujitsu MBH7BLZ07 ma wymiary: 11,5×7,9×1,7 mm

Z rosnącego zapotrzebowania na mobilność wynika dążność do tworzenia urządzeń coraz mniejszych. Dotyczy to szczególnie noszonych urządzeń IoT, w których integruje się układy SoC Bluetooth lub mikromoduły (rys. 1). Jednak zalety ich małych rozmiarów łączą się z kilkoma wadami. Małe moduły są wyposażone w mniejszą liczbę linii GPIO (General Purpose Input/Output, uniwersalne wejścia i wyjścia).

Znajomość ich liczby jest dla projektanta ważna, zarówno z uwagi na ich funkcjonalność i rodzaj, jak i rozmiary i masę modułu. Dla każdego z użytych czujników temperatury, wilgotności czy przyspieszenia jest potrzebne osobne GPIO, tak jak przełącznik czy port danych. Niektóre aplikacje wymagają ponadto wyjść dla LED lub sygnałów kontrolnych. Zatem ustalenie niezbędnej liczby GPIO jest potrzebne już na wstępie.

Przykładowy monitor zbiornika z wodą do detekcji podstawowych parametrów będzie potrzebował kilku czujników, poziomu wody, służącego do obliczania ilości wody w zbiorniku, temperatury wody, pozwalającego zapobiegać jej zamarzaniu w zimie oraz czujnika poziomu pH, informującego o ewentualnej zawartości w wodzie szkodliwych substancji. Każdy z tych czujników musi być połączony z modułem Bluetooth za pośrednictwem osobnego GPIO lub kilku.

Także monitor może potrzebować korzystających z GPIO wyjść, informujących o statusie LED. Istotne jest również określenie rodzajów wejść/wyjść, a także znajomość liczby interfejsów PWM, A/D, I²C, SPI czy UART, do których moduł ma zostać przystosowany. Wszystkie te połączenia są przewodowe, ale najważniejsze w module Bluetooth jest oczywiście wyprowadzenie bezprzewodowe.

Umiejscowienie anteny

Rys. 2. Właściwa i stabilna praca modułu Bluetooth wymaga, aby jego antena znajdowała się w odległości nie mniejszej niż 2 mm od jakichkolwiek przewodzących elementów

Typowy zasięg łączności Bluetooth wynosi około 30 m, zależy on od anteny i od otoczenia. Jeśli zbyt blisko anteny znajdą się elementy przewodzące, zakłócą one promieniowanie, co ogranicza zasięg (rys. 2). Przykładowy zbiornik wody jest zwykle metalowy i może zablokować łączność radiową, działając jak ekran. Antena wraz z modułem Bluetooth powinna być dla niezakłóconej łączności umieszczona w odległości nie mniejszej niż 20 mm od zbiornika.

Software i firmware

Po zapoznaniu się z wymaganiami sprzętowymi projektant musi rozważyć sposób korzystania z soft ware'u i firmware'u. Niektórzy z producentów modułów oferują moduły z własnym firmwarem, znacznie ułatwiającym opracowanie urządzenia. Funkcje kontrolne modułu są już z nim zintegrowane i mogą być uruchamiane prostymi poleceniami. Ułatwia to znacznie i obniża koszt opracowywania, wymaga natomiast użycia zewnętrznego mikrokontrolera do sterowania modułem.

W innym podejściu własne programy sterujące i kody aplikacyjne mogą być umieszczone w pamięci modułu i korzystać z jego zasobów dla potrzeb aplikacji (procesor, pamięć, linie I/O). Zawierają one podstawowe warstwy procedur komunikacyjnych, autoryzacyjnych i stos Bluetooth, na których można konstruować własne profile aplikacyjne. Dla przykładowego zbiornika z wodą można więc skorzystać z firmware'owego modułu zaprogramowanego aplikacją do smartfona. Użycie takiego modułu zapewni większą swobodę w rozwijaniu innych funkcji i nie wymaga użycia oddzielnego procesora.

Certyfikaty

Ważną zaletą modułów komunikacyjnych w porównaniu do rozwiązań SoC jest dostępność radiowego certyfikatu modułu. To dlatego, że sprzedaż modułów jest uwarunkowana posiadaniem krajowego certyfikatu łączności. Dlatego konieczna jest znajomość wymagań certyfikacyjnych każdego z potencjalnych rynków. Certyfikaty FCC są wymagane jedynie w USA i w Kanadzie, CE w całej Europie, a w większości krajów Azji obowiązują ich własne normy.

Uzyskanie certyfikatu dla urządzeń radiowych jest procesem długotrwałym i kosztownym, zwłaszcza gdy produkt ma trafić na rynek międzynarodowy. Użycie certyfikowanego modułu Bluetooth może obniżyć koszty i skrócić czas dotarcia na rynek. Renomowani producenci zapewniają, że ich stos protokołu modułu jest w pełni przetestowany oraz ma uregulowane kwestie opłat licencyjnych w zakresie oprogramowania firmware'u, np. na rzecz twórców standardu. (KKP)