Low Power System-on-chip (SoC) řešení podporuje více protokolů napříč různými radiofrekvenčními pásmy, a to vše na jednom místě. Tento článek stručně představí problémy spojené s komunikací na různých RF pásmech a jednotlivé řešení od NXP, Texas Instruments, Silicon Labs a Analog Devices.
Není to tak dávno, kdy si výrobce koncového zařízení vybral jeden druh bezdrátové komunikace a ten používal po celou dobu životnosti dané produktové řady. V domácí automatizaci se jeden výrobce chytrého osvětlení rozhodne používat Zigbee, druhý Z-Wave a třet Wifi. Tato situace je ale pro koncového uživatele matoucí. Vznik víceprotokolových, vícepásmových transceiverů a mikrokontrolerů SoC usnadňuje systémovým a síťovým architektům práci.
Typické vlastnosti SoC pro Internet věcí
Typický SoC pro IoT je založen na bezdrátové fyzické vrstvě IEEE 802.15.4 (LR-WPAN), obsahuje procesor a koprocesor Arm, určitý stupeň šifrování, například AES-128 a generátor skutečných náhodných čísel (TRNG). Nesmí chybět obvody pro správu napájení a senzorů, několik hodinových obvodů a časovačů a nespočet vstupů a výstupů (obrázek 1).
Obrázek 1: Blokové schéma SimpleLink SoC ze CC26xx série od Texas Instruments. Hlavní procesor je ARM Cortex-M3, podporován koprocesorem ARM Cortex-M0. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Ve zmíněném SoC je také zahrnuta technologie Bluetooth Low Energy (verze 4) a Bluetooth 5 (verze 5.1). Ve verzi 5.1 je obsažena podpora mesh sítí, díky které se technologie Bluetooth dostala do internetu věcí. Nicméně, ne všechny SoC podporují verzi 5.1, a proto je důležité si tuto skutečnost zjistit.
Některý SoC podporuje IPv6 prostřednictvím 6LoWPANs. Jedná se o otevřený standard definovaný Internet Engineering Task Force (IETF) na základě 802.15.4 PHY. 6LoWPAN obsahuje IP (IPHC) nutné pro provádění IPv6, standardní TCP / UDP na vrstvě 802.15.4 PHY a podporu MAC. Je schopen pracovat na frekvenci 900 MHz i nižších, ale i na frekvenci 2,45 GHz.
Uplink k internetu je řešen prostřednictvím Edge routeru IPv6, na kterém je rovněž připojeno více počítačů a serverů (obrázek 2). Síť 6LoWPAN je připojen k síti IPv6 routeru pomocí vlastní EDGE router.
Obrázek 2: Síť IPv6 se sítí 6LoWPAN mesh. Uplink k internetu je řešen pomocí přístupového bodu, který působí jako router. K Edge routeru IPv6, ke kterému může být připojeno více počítačů a serverů. Síť 6LoWPAN je připojen k síti IPv6 pomocí Edge routeru. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Jedna z výhod 6LoWPAN je jeho schopnost poskytnout doručení paketů typu end-to-end kdekoli pomocí standardních internetových protokolů, jako jsou MQTT, CoAP a HTTP. SimpleLink SoC je schopen běžet také na frekvenčních pásmech pod 1 GHz. 6LoWPAN sítě jsou schopny překonat vzdálenost až 6 kilometrů na frekvenci 900 MHz pomocí transceiveru s výstupním výkonem +12 dBm.
Nižší frekvence jsou obzvláště vhodné pro použití v interiéru, protože lépe pronikají stěnami. Správně nakonfigurovaná brána (někdy se nazývá bridge) je 6LoWPAN interoperabilní s jakoukoli jinou IP sítí, jako je Ethernet, Wi-Fi nebo dokonce mobilní datovou sítí.
Základní protokoly
V tuto chvíli žádný SoC nepodporuje všechny bezdrátové protokoly používané v rámci IoT. Zdaleka nejoblíbenější a nejpoužívanější protokol pro průmyslový internet věcí spolu s 6LoWPAN a Bluetooth je Zgbee. To znamená, že jakýkoli SoC, který podporuje standard 802.15.4, by měl být schopen fungovat se Zigbee, LPWAN, Thread a případně proprietárními protokoly.
Wi-Fi obvykle není součástí multiprotokolových SoC kvůli relativně vysoké spotřebě energie. Jeho primární použití v IoT je pro páteřní připojení a přístup k internetu. Wi-Fi je však zásadní v aplikacích určených pro města, jelikož signál wifi je téměř všude. Toho se využívá v inteligentním veřejném osvětlení a dohledu nad infrastrukturou.
Pro tyto aplikace jsou SoC vybaveny rozhraním Wi-Fi přímo na čipu již několik let a jejich využití stále roste. Jedním z nich je síťový procesor CC3100R11MRGCR od Texas Instruments, který obsahuje webový server a TCP / IP stack. V kombinaci s mikrokontrolérem od TI nebo jakéhokoli jiného výrobce tvoří kompletní řešení Wi-Fi.
K dispozici je několik SoC, které kombinují Wi-Fi a Bluetooth, protože oba protokoly jsou populární a velice rozšířené. Například kombinovaný modul WiFi a Bluetooth WL1831MODGBMOCR od Texas Instruments, který patří do rodiny WiLink 8. Z hlediska Wi-Fi zahrnuje IEEE 802.11b / g / n standard s maximální datovou rychlostí 100 Mbits/s spolu s Wi-Fi Direct. Jeho schopnost 2 x 2 MIMO poskytuje 1,4krát větší dosah než zařízení používající jednu anténu a v režimu Wi-Fi spotřebovává méně než 800 µA.
Co se týče Bluetooth, tak zde je nutné zmínit kompatibilitu s Bluetooth 4.2 Secure Connection, podporu rozhraní hostitelského řadiče pro Bluetooth přes UART a zvukový procesor podporující subpásmový kodek pro Bluetooth Advanced Audio Distribution Profile (A2DP). Tento modul je umístěn do pouzdra o velikosti 13,3 × 13,4 × 2 mm, kde jsou také integrovány RF výkonové zesilovače a přepínače, filtry a další pasivní součásti, stejně jako správa napájení a 4bitové hostitelské rozhraní SDIO.
Multiprotkolový SoC Mighty Gecko EFR32MG13P733F512GM48-D od společnosti Silicon Labs obsahuje jak mikroprocesor, tak i transceiver. Pracuje na klíčových frekvencích mezi 169 MHz a 2,45 GHz. Díky tomu je kompatibilní s Bluetooth Low Energy a Bluetooth 5.1, Zigbee, Thread a dokonce i 802.15g, který je určen pro velmi velké sítě, které mohou mít miliony pevných koncových bodů v široce rozptýlené oblasti. Některé moduly v rodině Mighty Gecko pracující pod 1 GHz podporují celou řadu modulačních schémat, jako je OOK, FSK, OQPSK a modulace DSSS.
Platforma SimpleLink od společnosti Texas Instruments zahrnuje hardware podporující Bluetooth Low Energy a 5.1, Thread, W-Fi, Zigbee a „sub 1 GHz“ jako je 6LoWPAN, ale i kabelové standardy včetně Ethernetu, CAN a USB. V závislosti na modulu jsou podporovány dva nebo tři bezdrátové protokoly.
Například bezdrátový MCU CC2650F128RHBR SimpleLink obsahuje podporu pro Bluetooth, Zigbee, 6LoWPAN a dálkového ovládání Zigbee Radio Frequency for Consumer Electronics (RF4CE). Druhý protokol je zdokonalením IEEE 802.15.4 a má síťové a aplikační vrstvy k vytvoření interoperabilních řešení od různých dodavatelů. CC2650 používá jako hostitelský procesor 32bitový Arm Cortex-M3, který je propojen s řadičem pro správu napájení. Tento řadič funguje autonomně, i když je celý systém v režimu spánku. Řadič Bluetooth a 802.15.4 MAC používají samostatný procesor Arm Cortex-M0.
MKW40Z160VHT4 SoC od NXP Semiconductors podporuje Bluetooth Low Energy a 802.15.4 pro ZigBee a Thread. Pracuje na frekvencích mezi 2,36 GHz a 2,48 GHz a používá linkové vrstvy hardware ARM Cortex-M0 + CPU, Bluetooth a 802.15.4.
LTC5800IWR-IPMA # PBF SoC od Analog Devices podporuje protokoly na bázi 802.15.4 a protokol s názvem SmartMesh, který má zajímavou historii. Byl vyvinut Krisem Pisterem, profesorem elektrotechniky a počítačových věd na Kalifornské univerzitě v Berkeley koncem 90. let z financování projektu DARPA Smart Dust. Cílem programu bylo vytvořit malé, vysoce spolehlivé rádiové rozhraní, které by bylo možné napájet z baterie. Klíčovými zákazníky měli být plynovody s rozsáhlou infrastrukturou, které často fungují v nepříznivých podmínkách.
Pro komercializaci této technologie společnost Pister založila společnost Dust Networks, aby vytvořila síť bezdrátových senzorů s názvem SmartMesh. V roce 2011 společnost koupila Linear Technology, kterou v roce 2017 získala společnost Analog Devices, kde SmartMesh žije a nyní také v IIoT.
SmartMesh obsahuje samoformujících síť uzlů (tzv. Motes), které shromažďují a přenášejí data. Správce sítě, který koordinuje výkon a zabezpečení a vyměňuje si data s hostitelskou aplikací (obrázek 3). Protože spolehlivost byla jedním ze základních požadavků programu DARPA, SmartMesh si udržela tuto vlastnost a dosahuje provozuschopnost 99% i při provozu v drsných podmínkách. Jeho komunikační protokol používá rozprostřené spektrum, které se nazývá time-slotted channel hopping (TSCH) a je schopna synchronizovat všechny pohyby v síti během několika mikrosekund.
Obrázek 3: V síti SmartMesh se každý uzel chová jako router, takže nové uzly mohou vznikat na libovolném místě. Tato technologie podporuje až 50.000 uzlů. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Všechny uzly (Motes) v síti jsou synchronizovány s frekvenci kratší než 1 ms a životnost baterie jednotlivých zařízení v síti může dosáhnout více než 10 let. Pro vytvoření kompletního bezdrátového uzlu je zapotřebí pouze napájení (baterie), krystal a anténa. Při použití všesměrové 2 dBi antény má LTC5800-IPM typický dosah 300 m venku a 100 m v budově.
Závěr
Na trhu je velké množství bezdrátových protokolů a je těžké vybrat to správné řešení, protože existují i starší systémy, které mohou potřebovat podporu. IoT SoC, které podporují více bezdrátových protokolů krátkého dosahu napříč RF pásmy, mohou výrazně zjednodušit nasazení sítí tím, že nabídnou ohromnou flexibilitu.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Barry Manz.
