ZigBee și WLAN
Cu scopul de a controla jaluzelele, aerul condiționat și iluminarea, nu numai prin telefonul inteligent, ci și prin asistenți virtuali privați (VPA – Virtual Private Assistant) precum Alexa, Siri, Google Assistant, Bixby sau Cortana, dar și alte dispozitive precum detectoare de fum, ceasuri deșteptătoare sau camere de supraveghere, toate dispozitivele interconectate formează un sistem care este uzual conectat prin interfețe la un furnizor de cloud.
Utilizând aceste interfețe, un ceas deșteptător cu radio poate, printr-o rețea WiFi, recepționa muzică de la Internet pentru a vă trezi dimineața și poate trimite un semnal către Alexa, pentru a crește gradual iluminarea dormitorului.
Comunicația dintre VPA și sursa de lumină are loc uzual printr-un gateway ZigBee WLAN sau direct prin WiFi. Avantajul acestei soluții este acela că becurile WiFi nu necesită un alt dispozitiv pentru comunicație ci se conectează direct la router-ul WiFi al casei. Dezavantajele sunt reprezentate de un nivel relativ ridicat de consum energetic în modul de așteptare și de un trafic de date adițional în rețeaua WLAN. În gospodăriile foarte inteligente, acest lucru poate conduce la situația în care viteza de transfer de date să nu mai fie suficientă.
Ca rezultat, unii furnizori utilizează protocolul ZigBee Light-Link. Acesta consumă mai puțină energie decât conexiunea WiFi și nu încarcă suplimentar rețeaua WiFi cu transfer de date. Cu toate acestea însă, prin comparație cu tehnologiile wireless, precum ANT sau Bluetooth 5, consumul energetic este încă destul de ridicat. Suplimentar, o rețea ZigBee ocupă 5MHz în banda de frecvență de 2.4GHz și lățime de 80MHz. Aceasta poate face față fie la trei rețele WiFi sau 16 rețele ZigBee în paralel, precum și la o combinație a amândurora, cum ar fi de exemplu două rețele WiFi și 5 rețele ZigBee. Prea multe rețele conduc la suprapuneri de frecvență și, de aici, o scădere a performanței; în scurt timp rețeaua poate să se oprească complet.
Thread
Protocolul de tip thread și-a găsit calea către cât mai multe aplicații casnice inteligente. De vreme ce el suportă IPv6 (Internet protocol version 6), oferă numeroase avantaje față de o adresare particulară, locală. Creierele din spatele protocolului formează Thread Group, o organizație non-profit printre ai cărei membri se numără mari companii de inginerie.
Sunt disponibile câteva alianțe pentru profiluri de aplicații, incluzând alianța ZigBee, cu soluția sa dotdot. Aceasta este un fel de limbaj universal pentru Internet. Dacă ceasul deșteptător cu radio este capabil de a controla dispozitive de la diferiți furnizori – de exemplu pentru a porni televizorul la un program matinal – este recomandabil să se integreze protocolul thread de la început, pentru a garanta o interoperabilitate viitoare, cel puțin în legătură cu cerințele hardware.
Bluetooth
Cu Bluetooth 5, Grupul Bluetooth Special Interest a lansat, de asemenea, moduri de operare care sunt de interes pentru aplicațiile de case inteligente: de exemplu modul de 2Mbps permite transmisia de semnale video de la camera unei mașini robotizate de tuns iarba sau a unui sistem de monitorizare a ușii. Modurile de 500kbps și 125kbps permit puteri de transmisie crescute și o codificare mai lungă a biților individuali, asigurând astfel că semnalele wireless pot fi transmise pe câteva sute de metri și prin câțiva pereți. Prin contrast cu tehnologiile bazate pe IEEE802.15.4, precum ZigBee și Thread, Bluetooth 5 este deja disponibil în telefoanele inteligente moderne și este, de asemenea, potrivit, pentru conectarea directă a telefoanelor inteligente.
Suplimentar pentru Bluetooth 5 este și protocolul Bluetooth Mesh 1.0 bazat pe Bluetooth 4.0 ca nivel intermediar de a suporta rețele mari cu numeroase dispozitive. Acest protocol Bluetooth este, de asemenea, suportat de telefoanele inteligente, are un consum energetic relativ redus și o întârziere foarte mică mulțumită structurii de rețea de tip inundare (flooded), în loc de rețea bazată pe rutare.
ANT și EnOcean
Dacă doriți să fiți cu un pas înainte, ceasul deșteptător cu radio nu numai că va porni muzica și iluminarea în dormitor, dar va face acest lucru în momentul ideal. El determină acest lucru cu ajutorul unui ceas inteligent sau unui dispozitiv purtabil de tip fitness, care are grijă de faza somnului utilizatorului prin detecția pulsului și a mișcării. Pentru ca ceasul deșteptător să aibă acces la aceste dispozitive, el are nevoie de un protocol ANT. Odată dezvoltat pe asemenea dispozitive, mai sunt doar câteva excepții care au nevoie de Bluetooth. Motivul este acela că ANT este cea mai recentă și economică tehnologie wireless pentru senzorii aflați în imediata vecinătate – și de aceea este soluția perfectă pentru toate aplicațiile care pot fi operate pentru luni și ani, cu baterii de tip buton sau cu dispozitive mici, similare, de stocare energetică, fără a necesita încărcare sau schimbarea bateriilor.
Însă standardul EnOcean sub-GHz este și mai eficient energetic. Protocolul nu este la fel de eficient ca ANT, dar mulțumită extensiei patentate de recuperare energetică pentru energia cinetică la utilizarea comutatoarelor, a energiei solare sau a diferenței energiei termice, tehnologia wireless EnOcean face posibilă realizarea întregii sarcini fără un sistem separat de stocare energetică. Comutatoarele EnOcean pot fi, de asemenea, găsite, de exemplu, în casele prefabricate Weber. Un comutator de lumină existent poate fi utilizat și pentru a spune ceasului deșteptător cu radio că sunteți pe punctul de a merge la culcare și este nevoie pentru a se porni un cronometru de somn.
NFC
Totuși, chiar dacă un dispozitiv este echipat cu toate aceste tehnologii wireless, el nu este foarte prietenos cu utilizatorii finali. Aceștia trebuie să stabilească toate conexiunile cu dispozitivele și sistemele lor. NFC (Near Field Communication) oferă o mână de ajutor în sensul că utilizatorii finali au nevoie de un telefon inteligent cu care trebuie să atingă – numai odată – fiecare dispozitiv pe care îl dorește conectat pentru a realiza rețelele dorite.
Totul într-un singur modul
Dezvoltatorii trebuie să facă față sarcinii de a integra toate aceste standarde wireless în aplicație. Cu sistemul pe cip (SoC) nRF52840 de la Nordic Semiconductor, acest lucru este cu adevărat simplu: soluția de tip all-in-one oferă nu numai un microcontroler puternic cu unități wireless pentru ZigBee, Thread, Bluetooth 5, Bluetooth Mesh, ANT și NFC, precum și un port USB. Suplimentar, există convertoare A/D pentru evaluarea altor senzori, transmisie criptată a datelor și zone de protecție a memoriei. Soluția SoC propusă este puțin mai scumpă decât o soluție pură ZigBee.
În inima nRF52840 se află un procesor ARM®Cortex™ M4F pe 32-Biți, rulând la 64MHz. Memoria sa pe cip (1MB Flash și 256kB RAM) oferă suficient spațiu pentru multiple protocoale wireless simultane. Sistemul oferă, de asemenea, măsurare de mare rezoluție RSSI și funcții, precum EasyDMA, care reduc sarcina pe procesor și permit acces direct la memorie. Pentru a reduce cerințele de putere, toate componentele periferice dispun de ceas și de management energetic pentru a se asigura oprirea lor atunci când nu sunt în uz. Coprocesorul criptografic ARM® Crypto Cell-310 oferă un înalt grad de securitate. Acesta suportă un generator de numere aleatoare și numeroase servicii criptografice asimetrice, simetrice și amestecate. Mai mult, coprocesorul accelerează operațiile, salvează timp de procesare CPU și reduce consumul energetic. nRF52840 este compatibil în transmisie cu seriile de produse nRF24, nRF51 și nRF52 de la Nordic Semiconductor.
Cei care simt acum lipsa marelui avantaj adus de EnOcean, pot utiliza un modul bazat pe nRF52, care este compatibil cu modulele de recuperare energetică EnOcean. Acesta este disponibil la Rutronik, alături de alte soluții pentru tehnologii wireless. Experții wireless asigură suport clienților la alegerea soluției ideale pentru aplicațiile lor individuale.
Autor: Bernd Hantsche, Director Embedded & Wireless
Rutronik | https://www.rutronik.com
