Slovní spojení komunikace M2M (Machine to Machine) je vzhledem k miniaturizaci a vzniku energeticky účinných prvků, a vzhledem k potřebě větší a větší propustnosti, nahrazen termínem internet věcí (IoT) (Internet of Things). Wi-Fi moduly řady ATWINC15x0 od společnosti Microchip Technology úspěšně zapadají do koncepce IoT. Jedná se o síťové řadiče, které pracují podle standardu IEEE802.11 b/g/n a které přenášejí data bezdrátově na frekvenci 2,4 GHz.
Koncepce síťových řadičů
Síťové řadiče, včetně zařízení řady ATWINC15x0 spolupracují s externím mikrořadičem, který je primárně odpovědný za spuštění aktuální aplikace. Mikroradič, který je nadřazeným prvkem (Master), komunikuje se síťovým řadičem při použití některého z běžně používaných rozhraní (v tomto případě SPI). Hlavní funkcí síťového řadiče (modulu) je řízení spodních vrstev modelu sítě OSI, to znamená konverze přenášených dat do podoby vhodné pro přenos přes bezdrátové sítě (v tomto případě síť Wi-Fi). Proto mají moduly řady ATWINC15x0 implementovanou podporu protokolu TCP/IP (stack) a také podporu fyzické vrstvy (link control). Tímto způsobem je celý výpočetní výkon mikrořadiče využit pro řízení aktuální aplikace. To umožňuje připojení k Wi-Fi sítím i těch zařízení, která mají relativně jednoduchý mikrořadič (např. 16-bitový). Blokové schéma takového modelu spolupráce je znázorněno na obr.1.
Obr.1 Koncepce síťových řadičů
Legenda:
Network Controller síťový řadič
Network Stack síťový protokol stack
Link Control řízení na úrovni fyzické vrstvy
MCU mikrořadič
Application aplikace
Hardwarová konstrukce modulu ATWINC15x0
V modulech řady ATWINC15x0 je podpora protokolu TCP/IP stack a podpora pro datové vrstvy MAC (Media Access Control) realizována pomocí 32-bitového procesoru APS3, francouzské společnosti Cortus.
Kromě toho řadič obsahuje:
- integrovaný zesilovač výkonu (Power Amplifier)
- integrovaný nízkošumový zesilovač (Low Noise Amplifier)
- integrovaný přepínač režimů (Transmit/Receive Switch).
- integrovaný obvod řízení výkonu.
Modul má v závislosti na verzi také integrovanou anténu v podobě plošného spoje na desce, nebo konektor U.FL pro připojení externí antény. Modul je určen pro SMD montáž a jeho rozměry jsou 21,7 x 14,7 x 2,1 mm. Blokové schéma modulu ATWINC15x0 a jeho fotografie jsou ukázány na obr. 2 a 3.
Legenda:
Printed 2.4 GHz Antenna anténa 2,4 GHz na plošném spoji
or anebo
u.FL 2.4 GHz External Antenna Connector konektor u.FL pro externí anténu 2,4 GHz
Klíčové vlastnosti síťových řadičů ATWINC15x0 jsou shrnuty v následující tabulce:
Nízká spotřeba energie a krátký čas buzení
Rozsah napájecího napětí modulů řady ATWINC15x0 je 3 ÷ 4,2V stejnosměrného napětí (DC). V aktivním stavu je spotřeba proudu 172 mA (vysílač) a 70 mA (přijímač), přičemž je třeba poznamenat, že modul je schopen uskutečnit spojení s přístupovým bodem v čase pouze 150ms, které uplynou od času vybuzení! Tato krátká doba dokonale zapadá do koncepce zařízení internetu věcí, protože moduly mohou zůstat většinu času ve stavu spánku (sleep), v němž je spotřeba jen 390μA.
Výše uvedená skutečnost vyústila do využití modulů Microchip Technology v Amazon Dash Button - tlačítku, které pomáhá rychle nakupovat v největším internetovém obchodě na světě. Je to tlačítko připojené k Wi-Fi, které je určeno k zakoupení jednoho konkrétního produktu. Jeho stiskem se automaticky objedná předem definované množství daného produktu a jeho následné dodání "ke dveřím" objednavatele.
Bezpečnost a integrita dat
Síťové řadiče ATWINC15x0 nabízejí také pokročilé mechanismy v souvislosti se zajištěním bezpečnosti a integrity dat, které přenášejí. Pokud jde o bezpečnostní opatření používané na nejvyšších vrstvách modelu OSI (aplikační vrstva), moduly podporují nejnovější verzi (v1.2) protokolu TLS (Transport Layer Security).TLS je rozšíření dřívějšího protokolu SSL a jeho použití se dá zjistit, když se v internetovém okně prohlížeče zobrazí vedle adresního řádku symbol zámku. Tento protokol zaručuje důvěrnost a integritu přenosu dat a autentizaci na serveru i na straně klienta. Je pozoruhodné, že je založen na asymetrickém šifrování a na certifikátech X.509.
Asymetrické šifrování (nazývané šifrování pomocí veřejného klíče), je metoda, při které se pro šifrování a dešifrování používají různé klíče. V případě modulů ATWINC15x0, je jejich délka 128 a 256 bitů. Samotný šifrovací klíč neumožňuje dešifrovat přijatou zprávu, protože neexistuje jednoduchý způsob k určení dešifrovacího klíče na základě šifrovacího klíče. Šifrovací klíč je veřejně dostupný (odtud název veřejný klíč), ale informace ním zakódované může přečíst pouze vlastník dešifrovacího klíče (známého jako soukromý klíč), který není nikomu jinému zpřístupněn. Moduly ATWINC15x0 nabízejí softwarovou podporu pro snadnou integraci s kryptografickým integrovaným obvodem ATTEC508A, který se používá pro bezpečné uložení klíčů.
Pokud jde o zajištění bezpečnosti přenášených informací ve spodních vrstvách modelu OSI (připojovací a fyzická vrstva), moduly řady ATWINC15x0 podporují standardy WEP/WPA/WPA a WPS.
Použitá řešení můžete vidět na následujícím diagramu:
Legenda:
Layer 1: Physical Vrstva 1: fyzická
Layer 2: Link Vrstva 2: připojovací
Layer 3: Network Vrstva 3: síťová
Layer 4: Transport Vrstva 4: transportní
Layer 5: Session Vrstva 5: relační
Layer 6: Presentation Vrstva 6: prezentační
Layer 7: Application Vrstva 7: aplikační
Stack TCP/IP v modulech ATWINC15x0
TCP/IP stack implementovaný v modulech ATWINC15x0 podporuje až 4 simultánní relace výměny dat založené na protokolu TCP (Transmission Control Protocol) a až 7 relací založených na protokolu UDP (User Datagram Protocol) v režimu klient/server. Síťový řadič řady ATWINC15x0 může také pracovat jako přístupový terminál AP-Soft (Soft Access Point), který podporuje jedinou relaci. Je také možné aktualizovat firmware modulu "za běhu", tedy bez přerušení normálního provozu. Vlastnosti TCP/IP stack implementované v modulech řady ATWINC15x0 jsou shrnuty v následující tabulce.
Vývojové nástroje
K dispozici jsou i vývojové nástroje určené pro síťové řadiče řady ATWINC15x0. Prvním z nich je rozšiřující deska ATWINC XPRO se zásuvkou XPRO, která umožňuje připojení k vývojovým deskám SAM Xplained. Kromě modulu ATWINC1510 obsahuje kryptografický integrovaný obvod ATECC108A. Druhým je sada ATWINC1500-XSTK, která obsahuje desku popsanou výše a také desky ATSAMD21-XPRO a další vývojovou desku ATIO1-XPRO, která mimo jiné obsahuje světelný snímač a snímač teploty a zásuvku pro paměťové karty microSD. Výrobce poskytl 35 vzorových aplikací (programů), které představují možné využití této sady. K dispozici je také rozšiřující deska AC164156 vybavená konektorem Pictail Plus, který umožňuje spolupráci s vývojovými deskami určenými pro mikrořadiče PIC, jakož i rozšiřující deska Wi-Fi-7 ClickBoardTM (MICROE-2046), vyrobená společností MikroElectronika a osazena konektorem MicroBUS.
ATWINC1500-XPRO ATWINC1500-XSTK
AC164156 Wi-Fi 7 Click (MIKROE- 2046)
Kompatibilita
Provedené testy prokázaly kompatibilitu modulů ATWINC15x0 s 357 přístupovými body typu Access Point od různých výrobců. Tyto síťové řadiče mají osvědčení o shodě vydané společností Wi-Fi Alliance (WFA Certification) a splňují požadavky FCC (USA), CE/ETSI (Evropa), IC (Kanada) a Anatel (Brazílie).
Moduly ATWINC15x0 mají softwarovou podporu v prostředí ATMEL Studio 7 a v prostředí MPLAB Harmony.
Shrnutí
Moduly ATWINC15x0 poskytují nejvyšší možnou úroveň zabezpečení přenášených dat. Tyto moduly jsou plně certifikovány, což nepochybně zjednodušuje a urychluje získání certifikátů pro zařízení, ve kterých se uplatňují. A co je důležité, jejich spotřeba energie je velmi nízká. Síťové řadiče ATWINC15x0 a vývojové desky, které jsou pro ně určeny, jsou k dispozici ve společnosti Transfer Multisort Elektronik (www.tme.eu), která je oficiálním distributorem pro Microchip Technology.
