Zaloguj się
Wszystkie
23 czerwca 2025
14
Inżynierowie projektujący urządzenia IoT, systemy łączności bezprzewodowej, a także innego rodzaju rozwiązania, w których konieczne jest zaimplementowanie komunikacji radiowej, mają dziś do dyspozycji bogaty wachlarz specjalizowanych, scalonych układów RF typu SoC (ang. System-on-Chip) i gotowych modułów komunikacyjnych. Pozwalają one szybko dodać do projektu funkcjonalność łączności bezprzewodowej, bez konieczności projektowania całego toru radiowego od zera.
Mało tego – w przypadku zastosowania modułu z wbudowaną anteną konstruktor PCB jest nawet zwolniony z przeliczania impedancji choćby jednej tylko ścieżki, gdyż do modułu wystarczy jedynie podłączyć zasilanie, zapewnić kilka niezbędnych elementów peryferyjnych i – oczywiście – wyprowadzić niezbędne interfejsy szeregowe, linie GPIO itp. Prosto, szybko i na temat – tak wygląda dziś projektowanie elektroniki.
Modularne podejście ma liczne zalety – skraca czas rozwoju produktu, upraszcza integrację nowych funkcji i redukuje ryzyko popełnienia (często kosztownych w skutkach, zwłaszcza gdy trzeba np. powtórzyć drogie badania EMC) błędów konstrukcyjnych. W efekcie, podobnie jak w przypadku innych komponentów OEM, na rynku dostępne są różnorodne moduły RF obsługujące wszystkie popularne standardy komunikacji: od sieci osobistych (o zasięgu porównywalnym ze skalą człowieka, czyli PAN, od ang. Personal Area Network), aż po systemy dalekiego zasięgu, obsługujące łączność z sieciami komórkowymi czy też satelitami.
Niniejszy artykuł prezentuje przegląd najważniejszych technologii radiowych – Bluetooth, Wi-Fi, GSM/LTE, NB-IoT, GNSS, LoRa czy ZigBee. W przypadku każdej z wymienionych technologii omawiamy najważniejsze zalety oraz podajemy dwa praktyczne przykłady: gotowego modułu oraz układu SoC realizującego niemal wszystkie zadania związane z obsługą funkcjonalności radiowych danego typu.
Bluetooth
Bluetooth to obecnie najpopularniejszy standard komunikacji krótkiego zasięgu, pracujący w nielicencjonowanym paśmie ISM 2,4 GHz. Technologia ta początkowo służyła do łączenia urządzeń peryferyjnych z komputerami i telefonami oraz prowadzenia prostej wymiany danych lub np. transmisji audio (tzw. Bluetooth Classic). Wprowadzenie nowego standardu Bluetooth Low Energy (BLE) znacząco obniżyło pobór mocy urządzeń implementujących połączenie radiowe, co umożliwiło budowę lekkich i kompaktowych urządzeń, zasilanych bateryjnie lub za pomocą miniaturowych akumulatorów – do tej grupy można zaliczyć nie tylko czujniki IoT, ale także m.in. elektronikę noszoną (ang. wearable devices), nowoczesne urządzenia medyczne i wiele innych. Coraz nowsze wersje standardu Bluetooth LE implementują kolejne ulepszenia, nowe tryby pracy, zróżnicowany zasięg i prędkość transmisji – a to wszystko przekłada się na funkcjonalność docelowych urządzeń.
Jako przykład popularnej rodziny modułów Bluetooth LE można wymienić serię NINA-B30 marki u-blox. Poszczególne wersje różnią się rodzajem anteny, a co za tym idzie – także wymiarami PCB. Najmniejszy model (NINA-B301) ma wymiary 10,0×11,6 mm, zaś dwa pozostałe (NINA-B302 i NINA-B306) mają już wymiary 10,0×15,0 mm i są wyposażone w – odpowiednio – metalową antenę typu PIFA lub zintegrowaną antenę PCB, opracowaną de facto na licencji wykupionej od firmy Abracon. Więcej informacji na temat tej interesującej technologii, określanej mianem Niche antennas, można znaleźć na stronie internetowej Abracon, pod adresem: https://t.ly/GK7j6
Warto dodać, że firma u-blox opracowała także bliźniaczą rodzinę modułów o nazwie NINA-B31, która różni się od serii B30 obecnością fabrycznie zainstalowanego oprogramowania u-connectXpress, mającego na celu przyspieszenie prac nad implementacją łączności radiowej w docelowym urządzeniu. Seria B30 jest natomiast określana jako OpenCPU – to do konstruktora urządzenia należy bowiem samodzielne zaimplementowanie oprogramowania obsługującego zarówno łączność radiową, jak i – w przypadku, gdy docelowa aplikacja nie przewiduje zastosowania nadrzędnego mikrokontrolera – także wszystkie pozostałe funkcje produktu.
Obydwie serie bazują na tym samym układzie SoC – popularnym nRF52840 marki Nordic Semiconductor. Układ ten integruje w swojej strukturze wydajny mikrokontroler z 64-megahercowym rdzeniem ARM Cortex-M4 i wbudowanym transceiverem 2,4 GHz zgodnym z Bluetooth 5.4. Do dyspozycji projektanta jest także wewnętrzny blok tagu NFC-A (do którego obsługi konieczne jest oczywiście podłączenie stosownej anteny). Ważną zaletą układów z serii nRF52 jest bardzo niski pobór prądu – SoC pobiera jedynie 52 μA/MHz podczas wykonywania programu z pamięci Flash, zaś w trybach obniżonego poboru mocy (bez podtrzymania zawartości pamięci RAM) wartość ta spada do 1,5 μA, a nawet 0,4 μA.
Wi-Fi
Wi-Fi to w istocie popularna nazwa całej rodziny standardów IEEE 802.11, opisujących zarówno warstwę fizyczną, jak i podwarstwę odpowiedzialną za adresowanie MAC bezprzewodowych urządzeń sieciowych. Stanowi niezastąpioną technologię lokalnych sieci radiowych (WLAN), zapewniającą wysoką przepustowość danych, niezbędną przede wszystkim w celu zapewnienia dostępu do szerokopasmowego Internetu. Obecnie moduły Wi-Fi działają nie tylko w podstawowym paśmie 2,4 GHz, ale także w zapewniającym lepszą przepustowość spektrum 5 GHz.
Wciąż nierozwiązaną wadą klasycznego Wi-Fi – w kontekście energooszczędnych urządzeń i systemów wbudowanych – jest dość wysoki pobór mocy (aktywny nadajnik/odbiornik pobiera nawet kilkaset mA), co utrudnia zasilanie bateryjne lub akumulatorowe. Dlatego też Wi-Fi nadal pozostaje stosowane głównie w projektach wymagających szybkiej transmisji danych i/lub bezpośredniej integracji z Internetem (np. kamery do monitoringu, urządzenia RTV obsługujące usługi streamingowe czy też – oczywiście – smartfony, tablety i wszelkiej maści komputery).
Sztandarowym przykładem rodziny modułów Wi-Fi jest niezwykle popularna seria ESP32. W chwili pisania niniejszego artykułu firma Espressif oferuje 39 modeli układów SoC, z czego 24 bazują na procesorze jednordzeniowym, a pozostałe 15 – na dwurdzeniowym. Układy różnią się szeregiem parametrów, wśród których warto wymienić:
- pamięć RAM: od 160 kB do 768 kB,
- pamięć ROM: od 0 (brak wbudowanej) do 576 kB,
- częstotliwość taktowania: od 96 MHz do 400 MHz.
Co ciekawe, wbrew pozorom nie wszystkie układy z rodziny ESP32 obsługują Wi-Fi – modele ESP32-H2FH2, ESP32-H2FH4, ESP32-H2FH2S, ESP32-H2FH4S pracują tylko z protokołem Bluetooth, zaś ESP32-P4NRW16 oraz ESP32-P4NRW32 to w istocie bardzo wydajne mikrokontrolery, pozbawione jednak jakichkolwiek wbudowanych transceiverów radiowych.
Jednym z ciekawszych układów SoC z oferty Espressif jest obecnie ESP32-PICO. Układ obsługuje Wi-Fi 802.11b/g/n, Bluetooth v4.2 BR/EDR oraz Bluetooth LE i – co ciekawe – integruje w sobie nawet oscylator kwarcowy, niezbędne kondensatory, pamięć SPI Flash/PSRAM, a nawet obwód dopasowania impedancji w torze antenowym. W strukturze krzemowej znalazł się – oprócz wydajnego, 240-megahercowego, dwurdzeniowego procesora Xtensa LX6 – także obszerny zestaw bloków peryferyjnych, w tym szereg interfejsów komunikacyjnych (SPI, I²C, I²S, SDIO, UART, TWAI, Ethernet), przetworniki ADC i DAC, timery, interfejs czujników pojemnościowych oraz sprzętowy akcelerator kryptograficzny, wspierający szyfrowanie SHA, RSA, AES i zawierający generator liczb losowych. W niewielkiej obudowie LGA o wymiarach 7×7 mm znalazło się też 448 kB pamięci ROM, 520 kB SRAM oraz 16 kB dodatkowej pamięci SRAM współpracującej z RTC.
Układ ESP32-PICO może być wygodnie zastosowany w docelowym projekcie dzięki modułowi ESP32-PICO-V3-ZERO o wymiarach 16×23 mm, udostępniającym wszystkie niezbędne linie GPIO w formie wygodnej do lutowania w standardowych procesach rozpływowych z montażem automatycznym, a nawet – przy odrobinie wprawy – przy użyciu pozycjonowania ręcznego i gorącego powietrza lub podczerwieni.
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
