MCU i komponenty bezprzewodowe Sub-GHz dla IoT

Utworzono: listopad 15, 2021
Zaktualizowano: lipiec 1, 2024

W ostatnich latach użycie urządzeń IoT znacznie wzrosło, z dużą częścią tego wzrostu zachodzącą w tle w obszarach takich jak produkcja przemysłowa, infrastruktura, automatyka domowa, inteligentne liczniki i elektronika noszona. W przestrzeni konsumenckiej, urządzenia IoT głównie łączą się z sieciami wewnętrznymi o krótkim zasięgu, zazwyczaj przez WiFi lub Bluetooth. Dzisiaj więcej urządzeń integruje się na długie dystanse za pomocą protokołów niskiej częstotliwości lub przyjmuje hybrydowe podejście z protokołami wysokiej i niskiej częstotliwości na tym samym urządzeniu. Połączenie tego wszystkiego wiąże się z fuzją wielu protokołów bezprzewodowych wraz z cyfrowym przetwarzaniem i wbudowaną aplikacją.

Dlaczego nadal skupiamy się na bezprzewodowej komunikacji sub-GHz w tych systemach, szczególnie gdy mamy już wiele użytecznych protokołów takich jak Bluetooth, WiFi, komórkowe i inne opcje pasma ISM 2,4 GHz? Bezprzewodowa komunikacja sub-GHz ma swoje zalety, i jest znacznie więcej wsparcia od dostawców usług IoT dla tych produktów. To wszystko oznacza, że znacznie łatwiej jest zarówno zbudować prywatną architekturę sieci, jak i połączyć ją z usługami w chmurze przez stację bazową, lub uzyskać dostęp do usług w chmurze przez istniejącego operatora sieci bezprzewodowej. W USA, główni operatorzy telekomunikacyjni oferują teraz usługi IoT w swoich sieciach, i możesz skonfigurować własną platformę usług w chmurze, która łączy się z twoim sprzętem IoT za pomocą głównych dostawców usług w chmurze.

Pod koniec dnia, jeśli nie możesz umieścić protokołu sub-GHz na swojej płytce, nie możesz wykorzystać go do korzystania z dalekosiężnej, niskoenergetycznej komunikacji bezprzewodowej i usług, które te protokoły umożliwiają. W tym artykule przyjrzymy się niektórym głównym aspektom niskoenergetycznej, dalekosiężnej łączności bezprzewodowej w szeroko rozpoznanym paśmie sub-GHz.

Wybór opcji bezprzewodowej sub-GHz

Budowanie produktów IoT z łącznością bezprzewodową sub-GHz wymaga wybrania chipsetu, który może obsługiwać te częstotliwości i który implementuje pożądany protokół bezprzewodowy dla twojej sieci IoT. Wczesne MCU używane w urządzeniach IoT nie zawierały tych funkcji, zamiast tego wymagając dedykowanego modułu lub emulacji w aplikacji urządzenia. Dzisiaj istnieje kilka chipsetów i w pełni zintegrowanych MCU, które obsługują wiele protokołów sub-GHz. Niektóre z tych produktów będą również obsługiwać pasmo ISM o wyższej częstotliwości w zakresie 2,4 GHz, a możliwe nawet WiFi do 5 GHz. Możesz przeczytać więcej o podstawach wyboru protokołu IoT tutaj.

Mieszanka różnych standardów i protokołów zadecyduje, które częstotliwości będą dostępne w twoim projekcie, co będzie głównym czynnikiem wpływającym na zużycie energii. Przy wyborze protokołu sieci przewodowej lub bezprzewodowej, zazwyczaj głównym kryterium jest szybkość transmisji danych. W bezprzewodowej komunikacji sub-GHz głównymi zaletami są niskie zużycie energii tych protokołów i długi zasięg dostępny na tych częstotliwościach. Dlatego dopasowanie czasu pracy urządzenia i wymagań dotyczących zasięgu komunikacji do aplikacji jest zwykle ważniejsze dla urządzeń końcowych w sieci.

Wyrównywanie zasięgu i mocy

TRANSLATE:

Protokoły o wysokiej i niskiej częstotliwości różnią się pod dwoma głównymi względami, które określają ich idealne obszary zastosowań: tłumieniem i zużyciem energii. Niższe częstotliwości ogólnie odpowiadają mniejszemu zużyciu energii i większemu zasięgowi, więc protokoły poniżej 1 GHz są idealne dla tych zastosowań IoT. Transmisja na niskich częstotliwościach ma również mniej problemów z przeszkodami takimi jak wzgórza, budynki itp., więc ta zdolność do dalekiego zasięgu eliminuje potrzebę stosowania przekaźników i stacji bazowych. W przeciwieństwie do tego, w przypadku nadchodzącej fali wdrożeń 5G, konieczne będzie zaimplementowanie mini stacji bazowych do dostarczania usług do użytkowników końcowych.

Prostym sposobem na rozpoczęcie szacowania wymagań mocy nadajnika dla danej odległości i częstotliwości transmisji (właściwie długości fali) jest użycie wzoru na straty ścieżki Friisa. Ten wzór ilustruje kompromis między częstotliwością transmisji (a właściwie długością fali) a zasięgiem:

Gdzie:

Pr = Odbierana moc
Pt = Moc nadawana
Dt = Kierunkowość nadajnika
Dr = Kierunkowość odbiornika
d = Odległość między antenami nadajnika i odbiornika
λ = Długość fali transmisji

Skutecznie, jeśli znasz czułość odbiornika (określoną w dBm), możesz określić wymaganą moc nadajnika dla danej długości fali i odległości transmisji w linii prostej. Ogólnie rzecz biorąc, podwojenie zasięgu transmisji wymaga zwiększenia budżetu mocy dla twojego łącza bezprzewodowego o 6 dB. Ponadto, możemy zauważyć, że podwojenie częstotliwości redukuje odbieraną moc o 6 dB. Należy zauważyć, że są to wszystko idealizowane czynniki zależne od transmisji w linii prostej między dwoma antenami. Urządzenie wdrożone w rzeczywistym scenariuszu doświadczy strat wynikających z absorpcji, propagacji wielodrogowej i odbić, a nawet pogody. Dlatego upewnij się, że uwzględnisz realistyczny margines bezpieczeństwa dla twojego systemu, aby uwzględnić możliwość ograniczonego zasięgu.

Ważne specyfikacje dla chipsetów poniżej 1 GHz

Podczas gdy zasięg i częstotliwość transmisji są głównymi czynnikami branymi pod uwagę przy projektowaniu urządzeń IoT poniżej 1 GHz, istnieje kilka innych specyfikacji, które powinny być rozważane w tych projektach.

Zużycie energii

Produkty bezprzewodowe poniżej 1 GHz (i każdy inny produkt bezprzewodowy) nie będą miały określonej specyfikacji zasięgu, a jeśli będą, będzie to tylko szacunek. Będą miały wartość mocy wyjściowej dla danego prądu określoną jako wartość EIRP (równoważna moc promieniowania izotropowego, w jednostkach dBm). Antena o kierunkowości/wzmocnieniu większym niż 1 może być używana do kierowanego transferu i mogłaby być użyta do zmniejszenia zużycia energii wymaganego do transmisji danych. Całkowite zużycie energii systemu można dalej zmniejszyć, stosując system o niższym prądzie w stanie gotowości, trybach niskiego zużycia energii i timerach wybudzania. Biorąc pod uwagę wszystkie te czynniki, zużycie energii można zminimalizować, a urządzenia można zaprojektować tak, aby miały całkowity użyteczny czas życia ponad 10 lat na baterii typu moneta.

Czułość odbiornika

Jak wspomniano powyżej, czułość odbiornika i częstotliwość transmisji będą określać zasięg systemu. Kanały o większej przepustowości będą wymagać bardziej czułego odbiornika, co może ograniczyć zasięg w twoim łączu sub-GHz. Kompensacja tego może wymagać zwiększenia mocy transmisji, ograniczenia zasięgu, użycia niższej szybkości transmisji danych lub ewentualnie przejścia na inny protokół dla twojej aplikacji. Zysk/kierunkowość anteny również odgrywa tutaj rolę i może kompensować niższą czułość, zapewniając kierunkową transmisję między urządzeniami w sieci.

Rozważania dotyczące modulacji i koegzystencji

Tak jak niektóre części protokołów pasma ISM mogą doświadczać wyzwań związanych z koegzystencją, tak pasma sub-GHz mogą doświadczać zakłóceń między kanałami. Protokoły sub-GHz zwykle używają schematów modulacji kluczowania (FSK, ASK, OOK itp.). W niektórych przypadkach używane są mechanizmy rozpraszania widma, aby zwiększyć przepustowość kanału, albo przez kodowanie danych na wyższą szybkość bitową, albo za pomocą schematu takiego jak rozpraszanie widma z przeskakiwaniem częstotliwości (FHSS). Przykład pokazujący zwiększenie szybkości transmisji danych w celu zwiększenia przepustowości dla danej średniej mocy transmisji jest pokazany poniżej.

Koncepcja transmisji z rozpraszaniem widma. Poprzez rozprzestrzenienie transmitowanych danych (niebieski) na kodowanie o wyższej szybkości bitowej (czerwony), odbiornik może wytrzymać potencjalne źródła zakłóceń.

(Tekst alternatywny: Transmisja z rozpraszaniem widma)

Sygnały z rozpraszaniem widma są mniej podatne na zakłócenia, ale obwody nadawcze i odbiorcze w urządzeniach końcowych muszą mieć większą przepustowość, aby pomieścić to rozpraszanie mocy przez przepustowość kanału. Implementacja FHSS będzie wymagać dodatkowych testów, aby zapewnić zgodność z EMC i będzie wymagać kompatybilnych urządzeń z wystarczającą czułością odbiornika na obu końcach. W niektórych urządzeniach dedykowany moduł nadawczo-odbiorczy może być najlepszym wyborem, aby zapewnić wystarczającą czułość do odbioru sygnałów z rozpraszaniem widma.

Opcje radia i transceivera sub GHz

Podsumowując, istnieją dwa podstawowe sposoby, w jakie możesz zintegrować radia sub-GHz z nowym produktem i wprowadzić go do sieci IoT o dużym zasięgu:

Użyj procesora, który zawiera zintegrowane możliwości bezprzewodowe sub-GHz na chipie
Użyj zewnętrznego transceivera sub-GHz, który jest kompatybilny z kontrolerem hosta twojego systemu
Dodaj moduł bezprzewodowy, który zawiera wszystkie wymagane peryferia i

W zależności od potrzeb twojego systemu, obie opcje są wykonalne, ponieważ istnieje wiele komponentów wpisujących się w obie kategorie. Pierwsze dwie opcje będą wymagały nieco więcej wysiłku, jeśli nigdy nie projektowałeś takich rzeczy jak filtry, linie zasilające, anteny czy urządzenia RF ogólnie. Jednakże, istnieją wysoce zintegrowane linie produktów od wielu dostawców, które obsługują wiele pasm sub-GHz; poniżej pokazano kilka doskonałych opcji.

Microchip, ATSAMR30M18A-I

Moduł bezprzewodowy ATSAMR30M18A-I firmy Microchip działa jako MCU, który zawiera radio zgodne z IEEE 802.15.4 z zintegrowaną anteną. Ten moduł SMD z ząbkowanymi krawędziami zawiera MCU ARM Cortex-M0+ z zintegrowaną pamięcią Flash 256 KB, a także zintegrowany nadajnik-odbiornik dla pasma ISM 700/800/900MHz. Jako łatwy w użyciu SiP, zawiera również niektóre standardowe funkcje, których użytkownicy oczekują w MCU, takie jak 12-bitowy ADC 350 ksps, I2C działający do 3,4 MHz, interfejs USB 2.0 i 16 GPIO. Wymaga zewnętrznej anteny; poniższa tabela zawiera listę zatwierdzonych anten, chociaż można użyć innych anten, jeśli mają one podobne specyfikacje i przejdą testy.

NXP Semiconductor, OL2385AHN

OL2385AHN firmy NXP Semiconductor to wielopasmowy nadajnik-odbiornik RF z wbudowanym rdzeniem MCU, który obsługuje wiele pasm sub-1 GHz (160 do 960 MHz). To urządzenie to wysoce zintegrowany nadajnik-odbiornik z czterema wybieranymi zakresami częstotliwości, który obsługuje wiele schematów modulacji (400 kbps/200 kbps FSK, ASK i OOK). Na płytce kontroler hosta może łączyć się z tym urządzeniem za pośrednictwem protokołu SPI, UART lub UART kompatybilnego z LIN. Niektóre z głównych obszarów zastosowań tego komponentu to LPWAN dla produktów inteligentnej infrastruktury, technologie inteligentnego domu, komunikacja M2M i sieci sensorów.

Diagram blokowy nadajnika radiowego NXP OL2385AHN. [Źródło: (Alt text: Projekt Sub-GHz)

Texas Instruments, SimpleLink Wireless MCUs (CC13xx i CC430F51xx)

Seria SimpleLink wireless MCUs od Texas Instruments jest jedną z moich ulubionych do rozwijania nowych produktów IoT działających w pasmach sub-1 GHz. Niektóre komponenty w tej linii produktów obsługują również wiele pasm ISM, WiFi, Bluetooth i inne między 1 a 2 GHz. Ta linia produktów zawiera niektóre MCU, które są kwalifikowane do produktów motoryzacyjnych. Różne produkty w linii SimpleLink obsługują te protokoły sub-1 GHz:

IEEE 802.15.4
Wireless M-Bus (tryb T, S, C, N)
6LoWPAN
Wi-SUN NWP
Amazon Sidewalk
MIOTY
ZigBee

Jeśli używasz innych produktów z portfolio TI, łatwo rozwiniesz aplikację z pomocą SDK TI dla tych produktów i urządzeń peryferyjnych dla twojej platformy IoT. Te MCU mogą również łączyć się z innymi peryferyjnymi ASIC za pomocą standardowych interfejsów cyfrowych, dając projektantom dużą elastyczność w budowaniu nowych platform IoT.

Przyszłość IoT w paśmie Sub GHz

Wszyscy nadal skupiają się na WiFi, Bluetooth i 5G, ponieważ są one wszechobecne w przestrzeni konsumenckiej, ale technologie poniżej 1 GHz nie znikną i będą nadal stanowić niskoenergetyczny trzon sieci IoT. Długie zasięgi, niskie zużycie energii i łatwość implementacji są zbyt dobre, by z nich rezygnować, i nie ma sensu przyczyniać się do dalszego zatłoczenia pasm ISM czy sieci komórkowych w aplikacjach o niskiej stałej przepustowości danych. Niektóre z komponentów, których projektanci systemów potrzebują w wielu aplikacjach poniżej 1 GHz, wpisują się w następujące kategorie:

Jeśli opracowujesz niestandardowe rozwiązanie, które może obsługiwać różne możliwe częstotliwości lub protokoły, takie jak radio definiowane programowo, będziesz potrzebować dodatkowych komponentów do zbudowania swojego front-endu RF:

Kiedy potrzebujesz znaleźć komponenty do swojego kolejnego projektu systemu bezprzewodowego poniżej 1 GHz, użyj zaawansowanych funkcji wyszukiwania i filtracji w Octopart. Korzystając z wyszukiwarki elektroniki Octopart, masz dostęp do aktualnych danych o cenach dystrybutorów, zapasach części i specyfikacjach części, a wszystko to jest swobodnie dostępne w przyjaznym dla użytkownika interfejsie. Zobacz naszą stronę z układami scalonymi, aby znaleźć potrzebne komponenty.

Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.