reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© franz pfluegl dreamstime.com Technologie | 09 listopada 2017

Bezprzewodowe technologie ultraniskiego poboru mocy (ULP) (Część I)

Omówienie zalet Bluetooth Low Energy (BLE), ANT, ZigBee, RF4CE, NFC, Nike+ i Wi-Fi a także technologii podczerwieni, która promowana jest przez Infrared Data Association (IrDA). Część I.
Dzisiejszy rozwój technologii w niemal wszystkich gałęziach przemysłu ściśle związany jest z rozwojem Internetu Rzeczy (IoT), w którym różne czujniki zbierają dane i bezprzewodowo przekazują je do kolejnych urządzeń. Przykłady produktów końcowych są bardzo zróżnicowane, począwszy od smartfonów, poprzez urządzenia ubieralne mierzące podstawowe parametry zdrowotne, kontrolujące aktywność i kondycję człowieka, aż po automatykę domową, inteligentne liczniki i sterowniki urządzeń przemysłowych. Wszystkie one posiadają ograniczenia, które obejmują kluczowe wymagania stawiane dzisiejszym urządzeniom: ultra-niski pobór mocy, niewielki rozmiar i niską cenę.

Wymóg ultra-niskiego poboru mocy wynika głównie z konieczności stosowania urządzeń służących do pracy przez długi czas a zasilanych z baterii lub technologii przechwytywania energii. Oprócz oczywistych zalet niskiego kosztu chipsetu, całkowity koszt produktu jest w dużym stopniu uzależniony od zastosowanego źródła zasilania. Na przykład, jeżeli centrum handlowe ma bezprzewodowy beacon w każdym sklepie, a baterie wymagają regularnej wymiany, może się szybko okazać, że koszty konserwacji wkrótce przeważają nad korzyściami z wdrożenia takiej technologii.

Obecnie projektanci mają wiele możliwości w wyborze technologii bezprzewodowej o niskim poborze mocy, wliczając w to technologie radiowe, takie jak Bluetooth Low Energy (BLE), ANT, ZigBee, RF4CE, NFC, Nike+ i Wi-Fi, a także technologię podczerwieni, która promowana jest przez Infrared Data Association (IrDA). Ten szeroki wybór niestety sprawia, że proces selekcji jest bardzo utrudniony. Każda technologia zapewnia kompromis pomiędzy zużyciem energii, przepustowością i zasięgiem. Niektóre opierają się na otwartych standardach, podczas gdy inne pozostają ciągle zamknięte. Aby jeszcze bardziej skomplikować sprawy, wciąż pojawiają się nowe interfejsy i protokoły bezprzewodowe, które zaspokajają potrzeby IoT. Jednym z nich jest na przykład Bluetooth Low Energy.

Poniżej przeanalizowano zalety i wady różnych technologii bezprzewodowych o niskim poborze mocy i pozostawiono czytelnikowi decyzję, która z przedstawionych technologii jest najbardziej odpowiednia dla docelowego produktu.

Bluetooth Low Energy

Technologia Bluetooth Low Energy rozpoczęła życie jako projekt w Nokia Research Center pod nazwą Wibree. W 2007 roku została przejęta przez Bluetooth Special Interest Group (SIG), która wprowadziła tę technologię w 2010 roku jako ultra-niskoprądową formę Bluetooth nadając jej wersję 4.0. Technologia rozszerzyła ekosystem standardu Bluetooth na aplikacje posiadające baterie o małej pojemności, takie jak na przykład urządzenia ubieralne (wearables). Wyposażona w minimalny prąd zasilania, rzędu mikroamperów uzupełnia "klasyczny" Bluetooth popularny w smartfonach, zestawach słuchawkowych i bezprzewodowych klawiaturach czy myszkach. BLE działa w paśmie częstotliwości ISM (Industrial, Scientific, Medical) 2,4 GHz i nadaje się do przesyłania danych ze zintegrowanych czujników bezprzewodowych lub innych urządzeń peryferyjnych, w których można w pełni wykorzystać asynchroniczną komunikację. Te urządzenia wysyłają bardzo niewielkie ilości danych, rzędu kilku bajtów. Ich cykl pracy – częstotliwości nadawania – może wynosić od kilku razy na sekundę, do jednego razu na minutę lub nawet dłużej.

Projektujesz elektronikę? Zarezerwuj 4 października 2018 na największą w Polsce konferencję dedykowaną projektantom, Evertiq Expo Kraków 2018. Przeszło 50 producentów i dystrybutorów komponentów do Twojej dyspozycji, ciekawe wykłady i świetna, twórcza atmosfera. Jesteś zaproszony, wstęp wolny: kliknij po szczegóły.

© Evertiq
Od technologii Bluetooth v4.0, specyfikacja Bluetooth (Bluetooth Core Specification) definiuje dwa typy chipów: układ Bluetooth o niskim poborze mocy oraz układ Bluetooth ze zmodyfikowanym stosem i podstawowym trybem transmisji danych Basic Rate (BR)/Enhanced Data Rate (EDR) w połączeniu z Low Energy (LE) PHY ("BR / EDR + LE"), tak aby był zgodny ze wszystkimi wersjami i odmianami chipów tego standardu. Układy Bluetooth LE mogą współpracować z innymi układami Bluetooth o niskim poborze energii oraz układami Bluetooth zgodnymi z Bluetooth v4.0 lub nowszymi. W wielu zastosowaniach konsumenckich, układ Bluetooth o niskim poborze mocy działa w połączeniu ze standardowym układem Bluetooth. Dzięki ulepszeniom wprowadzonym w wersjach 4.1, 4.2 i 5, układy Bluetooth LE coraz częściej wykorzystywane są jako samodzielnie działające urządzenia.

Niedawno wprowadzona specyfikacja Bluetooth 5 zwiększyła szybkość transmisji danych w technologii Bluetooth Low Energy z 1Mbit/s do 2Mbit/s oraz poprawiła 4-krotnie zasięg w porównaniu z poprzednią wersją. Należy pamiętać, że maksymalna przepustowość i zasięg nie mogą być osiągnięte jednocześnie, to klasyczny kompromis. Bluetooth SIG przyjął ostatnio także Bluetooth mesh 1.0, który pozwala na konfigurację technologii w topologii sieci mesh.

Co na to ANT?

ANT podobnie jak technologia Bluetooth Low Energy, jest protokołem bezprzewodowym o bardzo niskim poborze mocy, który działa w paśmie ISM 2,4 GHz. Przeznaczony jest do urządzeń zasilanych z baterii, od których wymaga się działania na poziomie miesięcy lub nawet lat. Protokół wprowadzono w 2004 roku przez firmę Dynastream Innovations, kanadyjską firmę będącą obecnie częścią Garmin International. Firma Nordic Semiconductor jako pierwsza zaimplementowała ten interfejs w układzie radiowym nRF51422 SoC. Podobne układy w swojej ofercie posiada również firma Texas Instruments: CC2570 i CC2571. Pomimo, że firma Dynastream Innovations sama nie jest producentem układów scalonych, to jednak oferuje szereg w pełni przetestowanych modułów RF, na których uruchomienie protokołu ANT wymaga jedynie niewielkiego wkładu projektowego.

Chociaż ANT jest zamkniętym protokołem RF, interoperacyjność wspierana jest poprzez system zarządzania siecią ANT+. System ANT+ ułatwia współdziałanie pomiędzy urządzeniami należącymi do stowarzyszenia ANT+ Alliance oraz gromadzenie, automatyczne przesyłanie i śledzenie danych z różnych czujników. Oprócz firmy Garmin do ANT+ Alliance należą teraz takie firmy jak Samsung, Sony, Adidas, Tacx, Motorola, Timex czy Pioneer. Interoperacyjność zapewniają profile urządzeń. Każde urządzenie ANT+, które zaimplementuje określony profil urządzenia, współdziała z innym urządzeniem ANT+ realizującym ten sam profil urządzenia. Nowe produkty muszą przejść test zgodności ANT+ w celu sprawdzenia interoperacyjności. Certyfikacją zarządza stowarzyszenie ANT+ Alliance. ANT i ANT+ pierwotnie stworzono dla segmentu sportowego i fitness, ale ostatnio produkt znalazł również zastosowanie w systemach automatyki domowej i przemysłowej. Protokół podlega ciągłemu rozwojowi, a najnowszym rozwinięciem jest protokół ANT BLAZE, ukierunkowany na obsługę sieci mesh, zawierające aplikacje IoT o dużej liczbie węzłów, w rozległych środowiskach.

A co z ZigBee?

ZigBee to protokół transmisji danych w sieciach bezprzewodowych, który wykorzystuje dwie najniższe warstwy: fizyczną PHY i warstwę kontroli dostępu MAC (Media Access Control) w oparciu o standard IEEE 802.15.4. Technologia została zaprojektowana dla sieci o topologii mesh, znajdując zastosowanie w aplikacjach inteligentnego oświetlenia i sektorach automatyki przemysłowej i domowej. ZigBee zapewnia transmisję bezprzewodową w pasmach ISM 2,4 GHz, jak również 784 MHz w Chinach, 868 MHz w Europie i 915 MHz w USA i Australii. Szybkość transmisji danych wynosi od 20Kb/s (zakres 868 MHz) do 250Kb/s (pasmo 2,4 GHz). Najnowsza wersja ZigBee PRO 2017 umożliwiać będzie jednoczesne działanie w pasmach częstotliwości ISM 2,4 GHz i 800 – 900 MHz.

Kontynuacja artykułu w poniedziałek, 13 listopada!

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy DigiKey

Komentarze

Zauważ proszę, że komentarze krytyczne są jak najbardziej pożądane, zachęcamy do ich zamieszczania i dalszej dyskusji. Jednak komentarze obraźliwe, rasistowskie czy homofobiczne nie są przez nas akceptowane. Tego typu komentarze będą przez nas usuwane.
reklama
reklama
Załaduj więcej newsów
November 14 2017 20:30 V8.8.9-1