Důvodů pro výběr jedné nebo druhé varianty je mnoho. Je nutné důkladně analyzovat požadavky dané aplikace, zejména cenu, bezpečnost, spotřebu energie, interoperabilitu, dobu vývoje, odolnost vůči rušení, koexistenci, latenci nebo požadavky na certifikaci. Tento článek bude popisovat důležitá fakta, která je vzít v úvahu při volbě mezi standardním rozhraním Bluetooth a proprietárním RF protokolem. Představíme si modul Bluetooth 5 a čip od Silicon Labs s proprietálním protokolem.
Proprietární protokol RF pro a proti
Proprietární protokol je vhodný pro aplikace, která vyžadují bezpečnost, nízkou spotřebu a malý footprint. Bezpečnost je důležitá pro mnoho aplikací, od ovládání garážových vrat až po zařízení IoT. Proprietární protokol není snadné prolomit „hacknout“. Používá se v aplikacích bod-bod a obvykle pracuje v uzavřených systémech, které nejsou připojeny k jiným sítím, a tak zůstávají skryté před okolím. Dovoluje volně vytvářet vlastní pokročilé šifrovací algoritmy nebo vyladit existující algoritmy, aniž by musely spolupracovat s algoritmy jiných výrobců. Pouhá odlišnost od ostatních systémů je samo o sobě bezpečnostní výhodou.
Vlastní radiové řešení je robustní a není tak náchylné na rušení z Wi-Fi sítí, mikrovlnných trub, telefonů a dalších bezdrátových sítí. Díky tomu, že nejsme vázáni určitou normou, můžeme flexibilně využívat spektrum pomocí různých modulací. Například DSSS(Direct sequence spread spectrum) a FHSS(frequency hoppping spread spectrum). Dále jsme schopni si upravit kódovací schéma na základě kapacity přenosu. Tím můžeme docílit vyššího prostupnosti linky a nižší spotřeby energie. Tato flexibilita platí také pro strukturu datových paketů. Struktura paketů může být jednodušší, protože se obejdeme bez dat, která jsou nutná pro vzájemnou spolupráci zařízení se standartními protokoly (Bluetooth, Zigbee atd.)
Z pohledu hardware lze optimalizovat prostor a výkon pro splnění požadavků dané aplikace. Proprietární RF má mnoho výhod, ale existují i nějaké nevýhody. Například cena za čas vývoje. Náklady na vlastní návrh RF a potřebný čas na vývoj firmware a software je zpravidla delší, zejména pro nízkonákladovou produkci. Očekávaný objem produkce by měl být větší než 100 000 zařízení, aby se vyplatilo investovat do systému s vlastním návrhem.
Bluetooth se vždy přizpůsobí
Opakem proprietárního protokolu je Bluetooth. Původně navržen jako bezdrátová náhrada kabelu typu point-to-point pro HID a další zařízení. Brzy se rozšířilo na bezdrátové připojení audio zařízení pro přenos zvuku. Díky standardu Bluetooth Special Interest Group (SIG) se Bluetooth stalo dobře srozumitelným a hlavně spolehlivým. Zařízení podporující bluetooth dokáže spolupracovat s jiným zařízením s bluetooth bez ohledu na použitý hardware. Bluetooth se masově rozšířilo a výrobci začali nabízet mnoho čipů se zdrojovými kódy do různých procesorů pro komunikaci, což vedlo k nízkým nákladům při vývoji a rychlému uvedení bezdrátové aplikace na trh. Technologie bluetooth se v průběhu let několikrát přizpůsobila požadavkům dnešní doby.
Systém Bluetooth pracuje v nelicencovaném frekvenčním pásmu ISM (Industrial Scientific Medicine) na frekvenci 2,4 GHz. Šířka frekvenčního pásma pro Bluetooth zařízení v Evropě a ve většině ostatních zemích je 2400 - 2483,5 MHz. V tomto frekvenčním pásmu je k dispozici 79 rádiových kanálů. Šířka rádiového kanálu je 1 MHz, přičemž propustnost je 1 Mbit / s. To je základní rychlost Bluetooth (BR). Díky FHSS je přenos odolný vůči rušivým vlivům, a proto své uplatnění nachází i ve světě IoT. Pro dosažení vyšší přenosové rychlosti vznikla verze Bluetooth 2.0 s technologií EDR, která využívá π / 4-DQPSK (diferenciální kvadraturní fázové posunutí) a 8DPSK modulaci a tím se přenosová rychlost dostala na 2 a 3 Mbit / s.
V roce 2010 nastal zlom a s verzí Bluetooth 4.0 byla představena verze Bluetooth pro zařízení s nízkou spotřebou energie (BLE). Tato veze není zpětně kompatibilní s technologií Bluetooth Classic. Primárním cílem BLE je nízká spotřeba energie. Bluetooth Classic je založen na principu trvalého spojení, zatímco BLE zvolila připojení pouze v krátkých intervalech. Nízká spotřeba vystihuje požadavky pro IoT aplikace. Skupina Bluetooth SIG pokračovala ve vylepšování specifikací, aby vyhovovala aktuálním potřebám. Další informace o vývoji naleznete v Bluetooth 4.1, 4.2 and 5 Compatible Bluetooth Low Energy SoCs and Tools Meet IoT Challenges (Part 1).
Nejnovější verze Bluetooth 5 zdvojnásobuje rychlost dat BLE na 2 Mbit / s a zvyšuje dosah připojení při rychlosti 128 kbit / s o 4 až 50 m pomocí silnější korekce chyb (FEC). Vyšší přenosová rychlost umožňuje přenos více paketů za daný časový úsek. Spotřeba energie se tím sníží, protože procesor nebo celé zařízení může zůstat v režimu nízké spotřeby nebo v pohotovostním režimu po delší dobu.
Dlouhý dosah umožňuje větší flexibilitu. Můžeme volit kompromis mezi přenosovou rychlostí a dosahem. Čím je přenosová rychlost nižší, tím je dosah větší. Toho můžeme využít u některých aplikací, které nejsou náročné na objem přenesených dat, ale potřebují přenést data na velkou vzdálenost. Typickým příkladem jsou tzv. Beacons. V překladu to jsou majáčky nebo senzory přiblížení. Beacons jsou malá zařízení s technologií Bluetooth BLE, které vysílají svůj identifikátor do okolních mobilních zařízení pomocí broadcastu. Díky tomu lze předat informaci zařízení, které je v dosahu. Tuto funkci lze použít i na přesné sledování uvnitř budovy i mimo něj. Zda sledovaný subjekt vstoupil do určené oblasti nebo ji opustil. SIG optimalizoval tzv. režijní data tak, aby se posílalo co nejvíce "skutečných" dat, aby se dále snížila spotřeba energie.
To, co začalo jako jednoduchá technologie pro náhradu kabelů se změnilo v něco mnohem užitečnějšího. Výsledkem je, že vývojáři jsou nyní schopni aplikovat rychlé a snadné řešení pomocí Bluetooth, než aby prošli časově i finančně náročným vývojem vlastního rozhraní RF.
Připravte se na Bluetooth
Jelikož tlak na vývoj aplikace v krátkém čase zvyšuje, bluetooth se stává častější volbou. Většina konstrukcí je navržena tak, že není problém implementovat Bluetooth modul. Je to dáno také tím, že Bluetooth moduly prošli v poslední době miniaturizací. Vývojáři se tak mohou plně věnovat psaním zdrojového kódu. Jedním z modulů je BMD-330 Bluetooth 5 od společnosti Rigado (obrázek 1). Tento modul je zajímavý tím, že má integrovanou anténu přímo na desce. Výpočet antény a umístění je jedním z nejnáročnějších prací v RF designu. Správný návrh pomáhá zajistit optimální spojení signálu a tím snížení spotřeby celého zařízení.
Obrázek 1: BMD-330 Bluetooth 5 je dodáván s integrovanou anténou a příslušnými obvody, které zjednodušují a urychlují implementaci. (Zdroj obrázku: Rigado)
Modul je kompletní řešení se všemi potřebnými certifikáty, vlastním DC-DC převodníkem, inteligentním power managementem a s rozměry pouhých 9,8 x 14,0 x 1,9 mm. Jak již bylo řečeno anténa je integrována přímo na čipu, a tak se musí vhodně umístit na zemní plochu, aby účinně vyzařovala. Modul by měl být umístěn na okraji desky s anténou otočenou směrem ven.
Obrázek 2: Doporučné umístění modulu BDM 330 (Zdroj obrázku Rigado)
Při montáži modulu do skříně je nutné volit umístění tak, aby v blízkosti antény nebyl nějaký kov, jinak to bude mít vliv na výkon. Anténa je navržena a naladěna pro provoz ve volném prostranství. Může dojít ke snížení výkonu při zalití do epoxidu nebo použitím laků s kovovými částicemi na povrch plastové obalu. Se vším se musí počítat a provést důkladnou analýzu pro konkrétní aplikaci. Modul je založen na systému nRF52810 (SoC) od společnosti Nordic Semiconductor (obrázek 3). Využívá procesor Arm Cortex-M4 s frekvencí 64 MHz s flash pamětí 192 Kb a 24 Kbit paměti RAM.
Obrázek 3: Modul BMD-330 je postaven na SoC nRF52810 od společnosti Nordic Semiconductor, který obsahuje procesor Arm Cortex-M4 a 2,4 GHz RF (Zdroj obrázku: Rigado)
Modul nemá implementován žádný výrobní firmware. Firmware se načte pomocí speciálního sériového rozhraní (SWD). Nordic Semiconductor poskytuje širokou škálu protokolových stacků nazývaných SoftDevices. Jedná se o předkompilované, předem nalinkované binární soubory, které lze stáhnout z webu. BMD-330 se systémovým čipem nRF52810 SoC podporuje SoftDevice S132 (BLE Central & Peripheral) a paměťovou optimalizaci S112 (BLE Peripheral) SoftDevice.
Klíčové vlastnosti BMD-330 jsou: vysílací výkon +4 dBm a citlivost přijímače -96 dBm (režim BLE). Rozběhne se již při napájení 3 V a v režimu vysílání má spotřebu 7,0 mA při +4 dBm a 4,6 mA při 0 dBm. V režimu příjmu je spotřeba 4,6 mA při rychlosti 1 Mbit / s a 5,8 mA při 2 Mbit / s. Tyto hodnoty jsou uvedeny pro režim s DC-DC konvertor. Pokud je konvertor zakázán, dojde ke zvýšení spotřeby.
Vlastní RF versus Bluetooth
Kromě vlastního RF a Bleutooth existují ještě další bezdrátové protokoly a to Ant, Thread nebo Zigbee. Každý z nich má své výhody a nevýhody a je nutné jejich použití zvážit pro konkrétní druh aplikace. Pro realizaci vlastního řešení jsou dostupné různé čipy, pro ty co se chtějí odlišit od ostatních. Nabízí určitý prostor pro vlastní kreativitu a svou odlišností zaručují určitou bezpečnost. Navíc výrobci nabízí širokou škálu softwareové podpory a cena čipů stále klesá. Proto se proprietální řešení těší stále větší oblibě. Dobrou volbou je čip EFR32FG14 Flex Gecko od společnosti Silicon Labs, která patří do kategorie SoC.
Obrázek 4: Schéma Silicon Labs 'EFR32FG14 Flex Gecko poskytuje pevnou hardwarovou platformu pro vývoj proprietárního řešení. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)
Základem EFR32FG14 je jádro Arm Cortex-M4 stejně jako BMD-330, ale běží maximálně na 40 MHz místo 64 MHz. Nižší frekvence je lepší pro zařízení s nízkou spotřebou – vhodné pro IoT aplikace. Má až 256 kbitů Flash paměti a 32 Kbit RAM. Pokud si obrázek 4 prohlídnete podrobně, zjistíte že čip dokáže pracovat v pásmu 2,4 GHz i sub-GHz (866MHz, 915 MHz atd.) Čip obsahuje podpůrné obvody pro přizpůsobení antény. K dispozici je také řada flexibilních vstupů/výstupů a bezpečnostních prvků, včetně 12-kanálového periferního systému, který umožňuje obsluhovat až 32 GPIO. Dále nabízí hardwareový Crypto Accelerator a True Random Number Generator. Výkonové zesilovače pro provoz v režimu 2,4 a Sub-GHz jsou také integrovány do čipu. Vývojová deska SLWRB4250A je určena pro řadu EFR32FG (obrázek 5). Zahrnuje SoC, Headers konektory, krystaly a obvody pro přizpůsobení antény a také odpovídající software.
Obrázek 4: Vývojová deska SLWRB4250A Flex Gecko poskytuje hardware potřebný pro experimentování s vlastním bezdrátovým rozhraním. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)
Závěr
Existuje mnoho důvodů, proč jít cestou proprientální RF, ale také mnoho důvodů, proč si zvolit standardní technologii jako je například Bluetooth. Každý z nich má své uplatnění. Vždy se musí zvážit požadavky, které mají být splněny pro konkrétní aplikaci. Náklady, čas vývoje, výkon, velikost, bezpečnost a mnoha dalších faktorů. Výrobci a dodavatelé přichází s hotovým hardware a silnou podporou software pro obě varianty.
