Silicon Labs – un câștigător în războiul metodelor de conectare a dispozitivelor IoT – disponibil în România prin Comet Electronics

7 IULIE 2017

În spatele unei comenzi efectuate pe un site al unui magazin de cumpărături online, miliarde de tranzistori comută și mii de linii de coduri se sincronizează pentru a realiza această sarcină aparent simplă. Mai important, procesele între dispozitivele terminale se desfășoară în ciuda aglomerării undelor, a creșterii solicitărilor de date instantanee, a cerinței de a avea mai multă lățime de bandă, crescând în același timp durata de viață a bateriei și a produselor. Bineînțeles, în final, așteptările noastre sunt ca sistemul să funcționeze.

Acest lucru se traduce prin provocări pentru ingineri de a crea soluții de conectivitate pentru o serie de situații foarte dificile, toate în limitele unor termene reduse de devoltare de proiecte și limitări fizice (cea mai mică dimensiune a porții tranzistorului este acum de 1 nm). Unele dintre principalele cerințe includ:

Rază mai mare a legăturilor RF (link-uri) în circuite integrate wireless mai mici și mai ieftine
Conectivitate mai bună cu erori reduse de biți și pachete
Rate mai mari de transfer a datelor
Consum redus de energie
Cazuri speciale de utilizare care necesită soluții integrate, dar diverse

Având în vedere rolul esențial al rețelelor wireless pentru IoT, unele dintre cele mai importante tehnologii de conectivitate de astăzi includ Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee și Thread, precum și protocoale de proprietate în banda sub-GHz. Să aruncăm o privire asupra fiecărui protocol și să vedem cum își atinge performanțele unice prin intermediul hardware-ului și al ingineriei software.

Wi-Fi 802,11 b / g / n
Prima tehnologie de interes este Wi-Fi, care face parte din specificațiile IEEE 802.11 pentru rețele locale. În primul rând, această tehnologie rezolvă nevoia noastră de a avea rețele IP (Internet Protocol) cu o lățime de bandă mai mare atât acasă cât și la serviciu. Ca multe dintre tehnologiile wireless IoT, Wi-Fi funcționează în banda de frecvență de 2.4GHz. De asemenea, aceasta și-a extins recent suportul pentru banda de 5GHz pentru a face față provocărilor legate de obținerea unor viteze de transfer de date mai ridicate și de interferențele cu alte tehnologii licențiate în banda de 2.4GHz.
Punctele principale de discuție legate de tehnologia Wi-Fi includ rețelele IP, lățimea de bandă și putere. Datorită specificațiilor tipice acestor rețele, precum lărgime de bandă mare, consum înalt de putere și software complex, costurile pentru punctele de acces Wi-Fi tind să fie mai mari decât în cazul altor tehnologii IoT. Aceasta necesită componente RF mai mari, mai sofisticate și resurse de calcul mai complexe pentru controlul rețelei. Cu toate acestea, veți obține mai multe beneficii, motiv pentru care rețelele Wi-Fi au nevoie de viteze de transfer a datelor de peste 10 Mbps și acces direct la Internet. În viitor, putem aștepta ca Wi-Fi să continue să evolueze cu IoT, ceea ce va însemna probabil viteze mai mari, consum redus de energie și soluții hardware/software combinate pentru coexistență în benzile de 2.4GHz (Bluetooth și 802.15.4) și 5GHz (celular).

Bluetooth
Bluetooth este un alt protocol popular și omni­prezent care a evoluat de mai multe ori de la lansarea primei sale versiuni în 2002. Dezvoltat inițial ca un protocol pentru căștile mobile și streaming-ul datelor vocale/audio, acesta a evoluat într-o tehnologie wireless puternică și eficientă din punct de vedere energetic, (Bluetooth 4.2) fiind cea mai populară pentru aplicațiile IoT cu noduri terminale.
Optimizată pentru rețelele personale cu rază scurtă de acțiune, tehnologia Bluetooth funcționează în banda de 2.4GHz. Printre caracteristicile sale cele mai avansate se numără utilizarea modulației cu spectru larg de dispersie a frecvenței (până la 1600 salturi (hopuri) pe secundă), dimensiunile și costurile mai mici în comparație cu alte tehnologii (pastila de siliciu mai mică), arhitectura ce permite reducerea consumului de energie, precum și flexibilitatea pentru menținerea compatibilității cu diferite variante Bluetooth. În 2017 și în anii următori, anticipăm continuarea progresului Bluetooth. SIG Bluetooth a dezvăluit deja specificația 5.0, care va extinde în mod eficient gama RF, va crește lățimea de bandă până la 2 Mbps și va îmbunătăți comunicația cu pachete de date. Evoluția Bluetooth va permite, dezvoltarea unor aplicații foarte interesante, precum transferuri de date partiționate în timp cu ajutorul unor balize pentru a comanda alte dispozitive IoT de pe o platformă Bluetooth.

ZigBee
Standardizată în 2004 de către alianța zigbee, această tehnologie operează pe specificațiile IEEE 802.15.4 și oferă un consum redus de energie în comparație cu tehnologiile Bluetooth și Wi-Fi. Datorită topologiei rețelei (mesh) și a scalabilității dovedite pentru a sprijini cu ușurință rețelele cu 250 sau mai multe noduri, aceasta este utilizată pe scară largă în rețelele de automatizare a locuințelor precum și în cele industriale.
Combinația dintre capacitatea redusă de alimentare și scalabilitatea “auto-vindecătoare” este ceea ce face ca rețeaua ZigBee să fie unică. Adoptarea mode­lului 802.15.4 MAC/PHY cu dimensiuni scurte ale pachetelor de date, schema de modulare DFSS cu 16 canale și mecanismele stratului MAC pentru gestionarea defecțiunilor mesajului, recomandă rețeaua zigbee pentru aplicațiile cu consum redus de energie. De asemenea, puterea de ieșire a transmițătorului poate fi configurată pentru a economisi energie, în special în rețelele concentrate, unde în apropiere se află noduri de rutare alimentate de la baterii pentru a ajuta la transmiterea mesajelor. Această metodă optimizată pentru manipularea funcțiilor de rutare a ochiului de rețea menține resursele de memorie relativ scăzute, cu mai puțin de 160kB Flash și, de obicei, 32KB de memorie RAM necesară. Acest lucru permite folosirea de siliciu cu costuri mai mici și, în cele din urmă, soluții economice pentru dezvoltatorii de aplicații și pentru consumatorii finali.
Alianța zigbee a specificat, de asemenea, profile de aplicație pentru a simplifica dezvoltarea produselor standard cum ar fi becurile și senzorii de prezență. În timpul CES 2017, am aflat că acest nivel comun de aplicații zigbee pentru IoT este numit acum “dotdot” și că ZigBee 3.0 (lansat în 2016) va începe să înlocuiască ZigBee Pro.

Thread
Thread este cea mai recentă tehnologie wireless destinată IoT, oferind rețele IP de tip mesh și secu­ritate avansată. Grupul Thread, fondat în 2014, a lansat specificația Thread în iulie 2015 și a conti­nuat să o dezvolte. Thread-ul se bazează pe folosirea standardelor existente, inclusiv IEEE 802.15.4 și adaugă specificații de design speciale pentru nivelurile de rețea și transport de date. Similar cu ZigBee, Thread operează în banda de frecvență de 2.4GHz și formează o rețea robustă, cu auto-vindecare de până la 250 de noduri
Ce este extraordinar la Thread este combinația de proiectare hardware și software pentru a sprijini consumul redus de energie, scalabilitatea la costuri reduse, dimensiunea rețelei, securitatea și adresarea pe Internet. Similar cu ZigBee, Thread elimină o parte din complexitatea procesării comunicației cu nodurile vecine prin folosirea de “lookup tables” în memoria statică, menținând totodată resursele de transport/rutare relativ scăzute pentru a funcționa pe dispozitive cu costuri reduse (mai puțin de 185kB flash și 32KB de memorie RAM necesară).
Realizarea acestui lucru se datorează în mare parte software-ului, motiv pentru care soluțiile Thread și furnizorii de stive se mândresc cu dezvoltarea și furnizarea de soluții robuste pentru a fi implementate pe pastila de siliciu gazdă – tipic, un microcontroler wireless sau un SoC. Pe măsură ce memoria flash a devenit mai ieftină, iar circuitele integrate au încorporat mai multă memorie, cerințele de memo­rie reduse/medii ale stivei Thread au permis integrarea pe cip a mai multor componente RF, cum ar fi rețelele inductive de potrivire, eliberând dezvoltatorii de complexitatea ingineriei wireless.

Rețele proprietare sub-GHz
Pentru aplicațiile cu rate scăzute de transfer de date, cum ar fi senzoristica industrială, rețelele sub-GHz care funcționează la frecvențe mai mici de 1GHz oferă beneficii față de complexele rețele de 2.4GHz. Distanța de funcționare este aria principală în care strălucesc rețelele sub-GHz. Transmisiile cu bandă îngustă pot funcționa neîntrerupt pe distanța unui kilometru sau mai mult, transmițând date către hub-uri depărtate, fără a fi nevoie de implementări complexe de software de tip ”mesh” pentru a trece de la nod la nod. Banda sub-GHz este, de asemenea, mai puțin aglomerată decât ISM 2.4GHz, însă, în anumite regiuni există puține canale sub-GHz disponibile, iar această caracteristică de frecvență împiedică dezvoltatorii să producă o soluție globală cu o singură arhitectură. Un alt dezavantaj este legat de faptul că reglemen­tările referitoare la undele sub-GHz diferă în funcție de țară și de restricțiile privind ciclul de funcționare, acestea putând limita efectiv timpul de transmisie al aplicației. În general, rețelele sub-GHz câștigă în distanța comunicației, dar pierd la standardizarea protocoalelor în fața rețelelor de 2.4GHz menționate anterior.

Studiu comparativ
La prima vedere, IoT poate părea un pic asemănător cu “Game of Thrones”, unde ecosistemele IoT se luptă între ele (Google Home vs. Amazon Echo vs. Apple HomeKit, 802.11/ac Wi-Fi (5GHz) vs. rețeaua celulară (LTE)), iar gama de opțiuni de protocoale wireless disponibile pentru implementare poate creea confuzii. În timp ce rămâne de văzut care ecosisteme și soluții vor fi câștigătoare în lupta pentru IoT, piața se concentrează în jurul protocoalelor Wi-Fi, Bluetooth și ZigBee/Thread, fiecare oferind caracteristici specifice de rețea.
Ca urmare a eforturilor combinate de hardware și software, am văzut o creștere rapidă a microcontrolerelor wireless și a sistemelor SoC, capabile să suporte mai multe protocoale wireless. Aceste dispozitive multiprotocol deschid noi capabilități IoT, cum ar fi conectarea simplificată a dispozitivelor la noduri Bluetooth în timp ce sunt deja conectate în alte rețele. SoC-urile multiprotocol permit, de asemenea, actualizări de tip “over-the-air” pentru dispozitive și oferă un mijloc simplu de a lucra cu protocoalele de proprietate deja existente.
SoC-urile avansate multi-bandă, multiprotocol (disponibile la diverși furnizori) oferă acum o mai mare flexibilitate și opțiuni de dezvoltare pentru clienții care doresc să adauge conectivitate wireless în timp ce se simplifică proiectarea nodurilor lor finale.
Wireless Geko – pregătit pentru orice tip de conectivitate IoT
SoC-urile multiprotocol, multi-bandă de la Silicon Labs oferite prin Comet Electronics sunt proiectate să suporte frecvențele sub-GHz proprietare, precum și protocoalele bazate pe standarde în banda de 2.4GHz – toate aflate într-un dispozitiv extrem de integrat. Arhitectura dispozitivului include un transceiver wireless cu două căi radio: unul pentru sub-GHz și unul pentru transmisii de 2.4GHz. Această arhitectură radio creează o abordare extrem de optimizată, consistentă și economică a designului multi-protocol, multi-bandă SoC. Stive diferite de protocoale pot împărți modemul pentru a implementa diferite standarde de comunicații. Modemul este, de asemenea, multiplexat între componentele RF pentru a recepționa și a transmite pachete de date. Această arhitectură comună este, de asemenea, potrivită pentru dezvoltarea de software deoarece oferă o interfață comună pentru funcțiile radio, permițând dezvoltatorilor să creeze un strat de configurație radio care să poată fi partajat între stive de protocoale diferite.
Asigurați-vă că dispozitivele dvs. sunt pregătite pentru ceea ce urmează. Actualizarea sau adăugarea unui protocol se face fără efort. Gecko Wireless EFR32 simplifică conectivitatea acum și în viitor.
Noul Wireless Gecko are mai multă memorie și oferă caracteristici, inclusiv actualizări de software ”over-the-air” pentru a sprijini îmbunătățirile aplicațiilor și necesitățile în materie de evoluție de protocol.
Profitați de un software multiprotocol și de SoC wireless cu microcontroler ARM® Cortex®-M4 integrat pentru a introduce tehnologia Bluetooth® cu ener­gie redusă (BLE), zigbee®, Thread și conectivitate wireless proprietară pentru a ajunge mai rapid la producție.
Prin intermediul Comet Electronics aveți acces direct la cele mai noi soluții oferite de Silicon Labs.

 

Autor: Alex Koepsel, IoT Product Manager, Silicon Labs

Traducere și adaptare în limba Română: Ing. Ciprian Varga, Director Tehnic, Comet Electronics

 

Pentru detalii tehnice şi comerciale, contactaţi:

Ing. Ciprian Varga, Director Tehnic

 

Comet_new_logoComet Electronics   |    www.comet.srl.ro   |   office@comet.srl.ro
Str. Sfânta Treime Nr. 47, Bucureşti, Sector 2
Tel.: 021 243 2090   |   Fax: 021 243 4090

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *