Kiedyś tworzenie produktów było prostsze. Urządzenia stanowiły samodzielną całość i zazwyczaj były pozbawione inteligencji oraz łączności. Wraz z dynamicznym rozwojem Internetu Przedmiotów (IoT) ten stan uległ zmianie. Każde urządzenie, jakie można sobie wyobrazić – od czujników dymu i stężenia CO2 aż do kawiarek i lodówek włącznie – może się łączyć z Internetem. To zmusza projektantów systemów, którzy nie zawsze są obeznani z niuansami komunikacji radiowej, do zintegrowania jakiejś technologii łączności bezprzewodowej w swym projekcie.

Stanowi to wyzwanie zarówno pod względem sprzętu, jak i oprogramowania. Zespoły projektantów mają do podjęcia trudną decyzję – budować własny moduł radiowy, aby opracować autorski produkt i postarać się ograniczyć koszty produkcji, czy też kupić i wykorzystać gotowy moduł radiowy.

W przypadku decyzji o zakupie modułu do wyboru są trzy najpopularniejsze protokoły bezprzewodowe – Wi-Fi, Bluetooth oraz ZigBee. Są one umieszczane w praktycznie każdym urządzeniu, jakie można sobie wyobrazić. O ile zapewniają one wysokie parametry, to integracja tych modułów również wymaga dużej wiedzy o towarzyszącym im oprogramowaniu oraz charakterystyce komunikacji radiowej, której to wiedzy wielu projektantów nie posiada.

Samodzielna konstrukcja czy kupno?

Choć inżynierowie mogą się skłaniać ku konstrukcji własnego modułu radiowego, istnieje wiele czynników, które należy uwzględnić przed przystąpieniem do pracy.

Projektowanie modułu radiowego od zera zabiera dużo czasu – niezależnie od tego, czy będzie to Wi-Fi, Bluetooth Low Energy (BLE), ZigBee, czy inny standardowy protokół. Dalsze opóźnienia mogą nastąpić, jeśli organy certyfikujące moduły radiowe będą potrzebować długiego czasu na testy i wydanie opinii. Zajętość kluczowych zasobów, które przez ten długi okres można by wykorzystać w innych zadaniach, stwarza duże ryzyko dla małego biznesu lub start-upów.

Opracowanie modułu radiowego od zera nie tylko wnosi potencjalne opóźnienia do cyklu projektowego, ale też generuje dodatkowe koszty związane z uzyskaniem certyfikatu. Wykorzystanie certyfikowanego modułu radiowego sprawia, że ten koszt można pominąć. Z drugiej strony, sama certyfikacja modułu jest kosztem inwestycyjnym poniesionym producenta, ponadto po uzyskaniu certyfikatu musi on utrzymywać wsparcie produktu i zapewniać jego stałą zgodność z regulacjami.

Projektowanie nowego modułu ma sens w przypadku urządzeń, które będą produkowane w dużych ilościach lub też posłużą do stworzenia wielu produktów pochodnych wykorzystujących ten sam moduł. Produkcja własnego modułu może kosztować około 5-10 USD, natomiast kupno certyfikowanego modułu to już wydatek rzędu 15-40 USD w zależności od modelu. W przypadku produktów tworzonych w małym nakładzie, które muszą zostać szybko wprowadzone na rynek, wybór gotowego certyfikowanego modułu ma sens. W przypadku projektów przeznaczonych do produkcji masowej, których cykl projektowy można rozciągnąć w czasie, stworzenie własnego modułu jest bardziej opłacalne pod względem finansowym.

Tym niemniej są argumenty przemawiające za wyborem certyfikowanych modułów nawet w przypadku produkcji masowej. Na przykład moduł Digi XBEE SX (obrazek 1.) w małych ilościach kosztuje 35 dolarów. Oceniając tylko koszt warstwy sprzętowej, zespół projektantów może dojść do wniosku, że jest on zbyt wysoki i podjąć próbę zaprojektowania własnego – to jednak duży błąd.

Moduł Digi XBEE SX dostarcza też stos protokołów ZigBee i bogaty zestaw narzędzi projektowych, jak również oprogramowanie, którego opracowanie mogło kosztować setki tysięcy dolarów. Po uwzględnieniu kosztów opracowania stosu programowego – zwłaszcza takiego, który działa bez zarzutu – konstrukcja tego rodzaju modułu okazuje się być znacznie bardziej wymagającym przedsięwzięciem.

Rys. 1. Moduły dalekiego zasięgu, takie jak Digi XBEE SX, mogą być konkurencyjne cenowo również przy produkcji małej liczby egzemplarzy. Ten zapewnia możliwość komunikacji na odległość od 15 do 100 km (Źródło: Digi International)

Proste projektowanie dzięki certyfikowanym modułom

Gotowe certyfikowane moduły pozwalają zespołowi projektantów zmniejszyć całkowity koszt opracowania projektu i szybciej wprowadzić produkt na rynek. Choć rozwiązania tego typu są powszechnie dostępne, zapewniają one także wystarczające możliwości do implementacji specjalistycznych i niszowych funkcji. Jednocześnie stanowią prosty interfejs, który pozwala wykorzystać pełne możliwości protokołu. Certyfikowane moduły z pewnością upraszczają proces projektowania i czas wprowadzenia produktu na rynek – ale różnią się między sobą, i to w znaczącym stopniu.

Najważniejszą cechą, którą należy sprawdzić podczas wyboru modułu bezprzewodowego, jest skalowalność oferowanych możliwości. W miarę ewolucji produktów może się okazać, że początkowy wybór modułu o zbyt małej funkcjonalności ogranicza cały projekt, gdy pojawia się potrzeba rozszerzenia możliwości i wzrasta jego złożoność. Dobrym przykładem skalowalnych rozwiązań są moduły ZigBee Digi XBEE. Dzięki nim projektanci mogą uzyskać zasięg transmisji od kilkudziesięciu metrów nawet do 100 kilometrów bardzo małym nakładem pracy.

Inną cechą, na którą projektanci powinni zwracać szczególną uwagę, jest rozmiar układu. Niektóre certyfikowane moduły mogą być dość duże w stosunku do rozwiązań zintegrowanych lub autorskich. Ponieważ wielu projektantów ma zamiar tworzyć cienkie, zgrabne i atrakcyjne wizualnie urządzenia, powinni oni unikać dużych i topornych modułów zajmujących wiele miejsca. Układ CC2564MODNCMOET firmy Texas Instruments (obrazek 2.) jest bardzo wąski i atrakcyjny dzięki małym rozmiarom 7,1 x 7,1 x 1,4 mm. Zapewnia zgodność z certyfikatami FCC oraz CE.

Rys. 2. Układ CC256MODN firmy Texas Instruments jest uniwersalnym modułem interfejsu hosta (HCI) zgodnym z Bluetooth 4.1. Ma on wszystkie certyfikaty i zapewnia obsługę Bluetooth LE. (Źródło: Texas Instruments)

Gdy certyfikowany moduł został już wybrany, trzeba też zapewnić poprawność jego montażu na płytce PCB. Przykładowo, moduły zawierające wbudowaną antenę nie mogą mieć żadnych warstw masy czy powierzchni metalowych pod sobą ani w odległości podanej przez producenta. Nieprzestrzeganie tych wymagań może spowodować zmianę impedancji anteny, co spowoduje jej odstrojenie i utrudni lub nawet zupełnie uniemożliwi komunikację. Ponieważ także inne elementy metalowe mogą wpłynąć na pracę anteny, trzeba ponadto zapewnić odpowiednie wykonanie obudowy urządzenia.

Również narzędzia projektowe i stosy oprogramowania wymagają poświęcenia dużej uwagi, aby zapewnić poprawne działanie modułu. Niektóre moduły wymagają skomplikowanej konfiguracji zewnętrznego oprogramowania w celu uruchomienia i konfiguracji. Jeśli stosy oprogramowania nie zostały dostarczone przez producenta, zespół projektowy może stanąć w obliczu zadania napisania tysięcy linii kodu, zanim certyfikowany moduł będzie w stanie pracować poprawnie. W takim wypadku należy wymagać od producenta, aby dostarczył przynajmniej przykładowe kody mikrokontrolera z dobrą warstwą abstrakcji sprzętowej w celu zapewnienia kompatybilności.

Warto wybrać moduły, które będą wymagały co najwyżej skonfigurowania podstawowych cech przed uruchomieniem – aby w krótkim czasie były już w stanie wysyłać i odbierać dane przesyłane za pośrednictwem szeregowego interfejsu.

Rozwiązania hybrydowe łączą zalety obu podejść

Na szczęście, poza konstrukcją własnego rozwiązania bezprzewodowego lub kupnem modułu, projektanci mają jeszcze trzecią możliwość – rozwiązanie hybrydowe. Zalety obu podejść daje platforma łączności bezprzewodowej IoT, taka jak Silicon Labs Gecko (obrazek 3.) lub też mikrokontroler ze zintegrowanymi układami wejściowymi do komunikacji bezprzewodowej. W obu przypadkach istnieje kilka parametrów, które zespół projektantów musi sprawdzić, aby zapewnić sukces.

Fot. 3. Zestaw projektowy Silicon Labs Blue Gecko Wireless IoT Platform natychmiast po rozpakowaniu jest gotowy do wykonywania połączeń . Zawiera mikrokontroler, moduł łączności Bluetooth oraz stosy oprogramowania (Źródło: Silicon Labs)

Po pierwsze, platforma lub mikrokontroler wykorzystywane w urządzeniu bezprzewodowym muszą być energooszczędne. O ile urządzenia IoT mogą być zasilane zarówno z baterii, jak i z sieci energetycznej, to wprowadzenie na rynek urządzeń liczonych w miliardach bez uwzględnienia poboru mocy nie jest dopuszczalne. Wybór energooszczędnych mikrokontrolerów, takich jak STM32L0 firmy STMicroelectronics czy NXP Kinetis-L81, pozwala zapewnić niskie zużycie mocy głównego kontrolera sterującego produktem. Wymienione mikrokontrolery obsługują bogaty zestaw przygotowanych sterowników oraz narzędzi projektowych, które pozwalają szybko uruchomić urządzenie bezprzewodowe.

Istnieją również mikrokontrolery wprost przeznaczone do realizacji urządzeń bezprzewodowych. Bezpośrednie wbudowanie bezprzewodowego układu nadawczo-odbiorczego pozwala zaoszczędzić czas i pieniądze dzięki mniejszej liczbie elementów i przyspieszeniu procesu certyfikacji. Przykładowym układem tego typu jest EFR32FG1P132F64GM32-C0 firmy Silicon Labs, który zawiera wbudowany układ nadawczo-odbiorczy Bluetooth. Ten mikrokontroler został zaprojektowany z myślą o niskim zużyciu energii i zapewnia biblioteki oprogramowania pozwalające na obsługę stosu Bluetooth.

Zintegrowane rozwiązania stanowią dla projektantów rozwiązanie pośrednie między zbudowaniem modułu od podstaw a kupnem gotowego, certyfikowanego modułu. Dostępne są również certyfikowane projekty referencyjne – wzorowanie się na nich może pozwolić znacząco skrócić czas projektowania i uzyskania certyfikatu. Są jednak pewne problemy, o których projektanci powinni pamiętać. Mikrokontrolery z wbudowanym układem nadawczo-odbiorczym muszą poświęcić część swojej mocy obliczeniowej na obsługę stosu łączności bezprzewodowej, co powoduje pewne obniżenie dostępnej wydajności. Programiści muszą się zatem upewnić, że uwzględnią to podczas tworzenie kodu i nie przeciążą procesora, co mogłoby doprowadzić do niespełnienia wymagań narzucanych przez pracę w czasie rzeczywistym.

Inną potencjalną trudnością jest zewnętrzna antena wymagana przez zintegrowane układy nadawczo-odbiorcze. Projektanci muszą postępować dokładnie z zaleceniami zawartymi w projekcie referencyjnym – w przypadku niepoprawnego zaprojektowania linii transmisyjnej istnieje ryzyko opóźnienia projektu o całe miesiące. W większości przypadków dostawca układu chętnie sprawdza przygotowane projekty, udziela wskazówek i rad, aby zapewnić sprawny przebieg tego procesu.

Podsumowanie

Decyzja o zakupie, konstrukcji lub integracji układów zapewniających komunikację bezprzewodową to trudny wybór. Przez długi czas projektanci uwzględniali tylko koszt opracowania warstwy sprzętowej i koszt produkcji związany ze starszymi technologiami łączności bezprzewodowej. To podejście stwarza problemy w obliczu dzisiejszych technologii komunikacji, które nie są już prostymi układami sprzętowymi, lecz wymagają złożonych stosów oprogramowania i narzędzi, aby zapewnić poprawne działanie modułu. Choć konstrukcja własnego modułu może się wydawać atrakcyjna na początku procesu projektowego, wiąże się z nią ryzyko i wiele ukrytych trudności. W takiej sytuacji wykorzystanie gotowego, certyfikowanego modułu lub wykorzystanie zintegrowanego rozwiązania jest znacznie mniej ryzykowną opcją.