Wdrożenie komunikacji bezprzewodowej nigdy nie było tak proste

Z biegiem czasu technologie bezprzewodowe szybko ewoluują, zwiększając dostępne możliwości wymiany informacji. Ten postęp doprowadził również do większej złożoności i trudniejszego wdrażania tego typu komunikacji, podnosząc w ten sposób barierę wejścia dla producentów elektroniki. Firmy chcące zintegrować funkcje bezprzewodowe ze swoimi produktami napotykają wiele wyzwań, zwłaszcza gdy nie mają wśród kadry pracowniczej specjalistów znających się na tych zagadnieniach.

Połączenie bezprzewodowe może być kłopotem

Dodanie funkcji bezprzewodowych do aplikacji wiąże się z problemami. Zagadnienie to można ogólnie podzielić na trzy kategorie: projektowanie obwodów wysokiej częstotliwości (RF), uzyskanie certyfikatów na zgodność z dyrektywami i przygotowanie oprogramowania.

Projekt części radiowej jest prawdopodobnie najbardziej złożonym aspektem w tym zagadnieniu. Wymaga specjalistycznej wiedzy i rozumienia zjawisk elektromagnetycznych, co czyni go trudnym zadaniem nawet dla doświadczonych projektantów. Projektowanie części RF poza schematem obejmuje płytkę drukowaną, które wspólnie muszą zapewnić odporność na zakłócenia i utrzymanie integralności sygnału. Nawet najmniejsze zmiany w projekcie zmieniają wartości reaktancji pasożytniczych i mogą znacząco wpływać na wydajność i parametry. Projektowanie obwodów radiowych wymaga ponadto uwzględnienia wielu zjawisk fizycznych, a w końcu przeprowadzenia szeroko zakrojonych testów. Do nich konieczne jest posiadanie specjalistycznej aparatury, co może być zarówno czasochłonne, jak i kosztowne.

 

Rys. 1. Moduł RNBD451

Ponadto układy radiowe muszą być zgodne z przepisami. Międzynarodowe organy normalizacyjne definiują przepisy, które systemy komunikacji bezprzewodowej muszą spełniać w różnych regionach. Takich organów jest wiele a dodatkowo wymagania zmieniają się w różnych rejonach świata. Na przykład Federalna Komisja Łączności (FCC) reguluje rynek w Stanach Zjednoczonych, brytyjska ocena zgodności to UKCA, a w Unii Europejskiej liczy się dyrektywa RED. Te instytucje określają procedury badań i limity, które musi spełnić system bezprzewodowy, zanim będzie mógł trafić do sprzedaży. W zależności od kraju i typu komunikacji bezprzewodowej proces certyfikacji może trwać od kilku miesięcy do prawie roku, przy koszcie sięgającym 20 000 dol.

Po zakończeniu i przebadaniu platformy sprzętowej, do zrobienia pozostaje oprogramowanie. Napisanie kodu obsługi protokołu bezprzewodowego wymaga dużej wiedzy i zrozumienia jego działania. Połączenie oprogramowania firmware ze sprzętem już jest złożone, a dodatkowo co chwilę pojawiają się nowe wersje i aktualizacje specyfikacji. Są one efektem pracy wielu grup deweloperów nad usuwaniem luk w zabezpieczeniach i skutkiem wprowadzania nowych funkcji. Stąd tworzenie oprogramowania dla systemów sieci bezprzewodowych nie jest zadaniem jednorazowym.

Rozważmy na przykład system inteligentnego domu. W jego ramach prawdopodobnie wymagane będzie w wielu komponentach połączenie protokołów, takich jak Bluetooth i Wi-Fi. W takiej sytuacji należy opracować oddzielny firmware dla każdego z nich i elementów systemu, zwracając uwagę na dobre współdziałanie. To znacznie zwiększa poziom trudności w tworzeniu oprogramowania dla systemu bezprzewodowego.

Można też w prosty sposób

Wyżej wymienione problemy stanowią istotne przeszkody na drodze do implementacji komunikacji bezprzewodowej i utrudniają wprowadzanie innowacji. Niemniej wyobraźmy sobie rozwiązanie, które całkowicie omija te kłopoty, czyli zapewnia łączność bez projektowania obwodów RF. Na dodatek takie, które przeszło już certyfikację i jest dostarczane z preinstalowanym oprogramowaniem firmware. Oczywiście chodzi o gotowe moduły bezprzewodowe typu plug-and-play.

Są one gotowe do użycia i mają dopracowaną w szczegółach część RF, dzięki czemu można je po prostu szybko zintegrować z płytką drukowaną aplikacji. Duża moc nadajnika, obwód dopasowujący impedancję anteny, anteny są do dyspozycji od ręki.

Jeśli chodzi o certyfikaty, to moduły dostępne w sprzedaży zostały przetestowane i zatwierdzone przez odpowiednie organy regulacyjne w wielu krajach, w tym w USA, Kanadzie, Wielkiej Brytanii, UE, Chinach, Tajwanie, Japonii i Korei. Wiele innych krajów spoza tej listy honoruje certyfikaty zagraniczne, co pozwala zaoszczędzić czas i pieniądze oraz przyspiesza wprowadzenie produktu na rynek.

 

Rys. 2. Nakładkowa płytka ewaluacyjna dla RNBD451

Co więcej, moduły bezprzewodowe typu plug-and-play mają fabrycznie zainstalowane oprogramowanie układowe. Programiści muszą podłączyć te komponenty do MCU przez UART i sterować nimi z użyciem terminala za pomocą poleceń tekstowych lub komend AT. Oprogramowanie modułów realizuje złożone funkcje protokołu i nie wymaga dodatkowej wiedzy ze strony programisty. Są one kompatybilne z Linuksem, dzięki czemu rozbudowa funkcjonalności jest niezależna od systemu operacyjnego hosta.

Plug-and-play

Rozważmy przykład, w którym do projektowanej aplikacji chcemy dodać Bluetooth LE. Do tego wystarczy sięgnąć po moduł taki jak RNBD451. Razem z dodatkową płytką testową pozwala on na stworzenie prototypu w ciągu kilku minut po podłączeniu do komputera za pomocą kabla USB- C. Dostępność funkcji rozgłoszeniowej od razu po uruchomieniu sprawia, że pozostaje tylko ururuchomić terminal na komputerze i można ustawiać działanie.

Aby przełączyć RNBD451 w tryb komend, wystarczy wysłać z terminala "$$$". Potem można sterować skanowaniem w poszukiwaniu innego sprzętu z Bluetooth LE, aktywować tryby oszczędzania energii itp. Załóżmy, że chcemy wyszukać wszystkie pobliskie urządzenia. Wystarczy z terminala wysłać komendę "F", a w odpowiedzi RNBD451 wyświetli wszystkie wykryte nadajniki Bluetooth LE. W razie potrzeby można dostosować interwał skanowania i okno przeszukiwania kanałów częstotliwości. Aby nawiązać połączenie, trzeba wysłać komendę "C", następnie "0" lub "1" w przypadku adresu publicznego lub prywatnego, a potem adres MAC żądanego urządzenia. Jak widzimy, jest to bardzo proste.

Moduły RNBD451 pozwalają na jednoczesną komunikację z wieloma urządzeniami Bluetooth (opcja multi-link) i wpierają wiele scenariuszy połączenia (multi-role). Mają dużą moc nadajnika +12 dBm i realizują obsługę kodowanego PHY, zapewniając duży zasięg. Pozwalają na zdalne sterowanie, umożliwiające transmisję poleceń za pośrednictwem podłączonego urządzenia. Tworzy to funkcjonalny tryb autonomiczny, a więc taki, który eliminuje konieczność wysyłania komend z hosta podpiętego przez UART. Co więcej, RNBD451 obsługuje specyficzną dla wersji 5.x, opcję "Advertising Extension", która rozszerza zakres konfiguracji danych rozgłoszeniowych, co ułatwia projektowanie beaconów Bluetooth LE.

Bezprzewodowość dla każdego

Koncepcja "plug and play" w modułach bezprzewodowych znacznie obniża próg wejścia, upraszczając w ten sposób implementację bezprzewodowości przy minimalnym wysiłku. Gotowe do użycia certyfikowane rozwiązanie, którym można zarządzać przez UART i polecenia AT, otwiera możliwości także projektantom, którym brakuje wiedzy i zasobów. Takie podejście zwiększa dostępność technologii bezprzewodowych w ramach różnych protokołów, wspierając innowacje.

RNBD451 - charakterystyka

• stos Bluetooth LE 5.2 • globalna certyfikacja (USA, Kanada, UE, Wielka Brytania, Chiny, Tajwan, Korea i Japonia)
• definiowalna funkcja beacona umożliwiająca tworzenie np. iBeacon i Eddystone • wsparcie dla PTA
• dostępny profil transparentny do przesyłania strumieniowego danych
• zdalna konfiguracja bezprzewodowa (OTA).
• aktualizacja firmware przez UART (DFU)
• profil client/server do OTA i DFU
• funkcje bezpieczeństwa
• multi-role, multilink
• 2M PHY i kodowany PHY
• Bluetooth LE Privacy 1.2 z maksymalnie ośmioma listami akceptacji
• zintegrowany POSC 16 MHz
• 8 GPIO
• 12-bitowy ADC SAR
• sześć 16-bitowych usług UUID GATT publicznych, cztery 128-bitowe usługi UUID GATT (prywatne), każda z maks. 8 atrybutami
• wsparcie dla ról advertiser, observer, central, peripheral
• obsługuje role klienta i serwera Bluetooth LE GATT.

 

Rys. 3. Schemat blokowy RNBD451

Shishir Malav
Product Manager – Microchip Technology