“يعد الاتصال مكونًا أساسيًا لإنترنت الأشياء ويمكّن ويدعم اتجاهات مثل المدن الذكية والصناعة 4.0 والأتمتة المنزلية والقيادة الذاتية. تعد التكنولوجيا اللاسلكية الآن شكلًا شائعًا من أشكال التوصيل البيني ، وعلى الرغم من أنه قد يكون من الصعب القول بأن هناك اتصالات لاسلكية أكثر من الاتصالات السلكية ، إلا أنه من الصعب إنكار أنها الطريقة المفضلة لتوصيل أجهزة جديدة. هذا مهم بشكل خاص في إنترنت الأشياء الأوسع ، حيث ستكون العديد من نقاط النهاية عبارة عن مستشعرات صغيرة أو مشغلات موجودة عن بعد نسبيًا ، أو أجهزة مستخدمة للتنقل (مثل المركبات) أو محمولة (مثل الأجهزة اللوحية).
“
يعد الاتصال مكونًا أساسيًا لإنترنت الأشياء ويمكّن ويدعم اتجاهات مثل المدن الذكية والصناعة 4.0 والأتمتة المنزلية والقيادة الذاتية. تعد التكنولوجيا اللاسلكية الآن شكلًا شائعًا من أشكال التوصيل البيني ، وعلى الرغم من أنه قد يكون من الصعب القول بأن هناك اتصالات لاسلكية أكثر من الاتصالات السلكية ، إلا أنه من الصعب إنكار أنها الطريقة المفضلة لتوصيل أجهزة جديدة. هذا مهم بشكل خاص في إنترنت الأشياء الأوسع ، حيث ستكون العديد من نقاط النهاية عبارة عن مستشعرات صغيرة أو مشغلات موجودة عن بعد نسبيًا ، أو أجهزة مستخدمة للتنقل (مثل المركبات) أو محمولة (مثل الأجهزة اللوحية).
بالإضافة إلى الراحة ، هناك ميزة أخرى للاتصال اللاسلكي وهي النطاق ؛ في معظم الحالات ، يكون الاتصال اللاسلكي منطقيًا إذا كانت المسافة بين نقطة وصول الشبكة والجهاز أكثر من 3 أمتار. أيضًا ، إذا كان عدد الأجهزة مرتفعًا ، كما هو الحال في المكتب الذكي ، فقد يكون هناك المئات من نقاط النهاية ، بما في ذلك مستشعرات القرب على الأبواب والنوافذ ، أو الإضاءة التي يتم التحكم فيها عن بُعد ، يكون الوصول اللاسلكي أمرًا منطقيًا. إن العدد النظري للأجهزة التي يمكن لنقطة الوصول دعمها محدود حقًا بعدد عناوين IP التي يمكن أن توفرها ، ولكن التنفيذ الفعلي لمئات منافذ Ethernet سيستهلك الكثير من المساحة والطاقة.
اختر البروتوكول اللاسلكي المناسب
نظرًا لسهولة الاتصال اللاسلكي وتعدد استخداماته وأدائه ، إلى جانب فرصة السوق (نتوقع توصيل عشرات المليارات من الأجهزة بإنترنت الأشياء خلال هذا العقد) ، فليس من المستغرب أن تتوفر العديد من البروتوكولات اللاسلكية الآن.
اليوم ، تكتسب تقنية Bluetooth شعبية كبيرة بفضل وفورات الحجم من انتشار الأجهزة الشخصية مثل الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وسماعات الرأس والأجهزة الطرفية للكمبيوتر. تردد تشغيل اتصال Bluetooth هو 2.4 جيجا هرتز ، وعادة ما يكون نطاق اتصال Bluetooth بين 20 و 30 مترًا ، حسب البيئة. التقنيات الأخرى التي تعمل في نفس النطاق محدودة بالمثل ، لكنها تغلبت على هذه المشكلة من خلال اعتماد هيكل شبكة شبكية ، مع المنافسة بين البروتوكولات المختلفة في النطاق 2.4 جيجا هرتز حيث تتنافس جميعها على احتمالات التصميم في مساحة إنترنت الأشياء.
قبل فترة طويلة من احتمال 2.4 جيجا هرتز ، كانت الاتصالات اللاسلكية في التطبيقات الصناعية تميل إلى استخدام الترددات في نطاق MHz ، والتي أعيدت تسميتها لاحقًا بروتوكولات sub-1GHz (Sub-GHz) لتعكس ظهور بروتوكولات 2.4 جيجا هرتز. كان نطاق GHz الفرعي أقل توحيدًا في الماضي ، وهناك حرية تنظيمية لتنفيذ مخططات الملكية ، لذلك لا يزال شائعًا. ومع ذلك ، لمواجهة تحديات إنترنت الأشياء ، فقد تطورت أيضًا مع المزيد والمزيد من المخططات الموحدة لدعم قابلية التشغيل البيني ؛ إنه البروتوكول المفضل لإنترنت الأشياء والعديد من القطاعات.
تطوير من أجل إنترنت الأشياء
إن إنترنت الأشياء كبير وغير محدود ، مما يدل على أن النطاق مهم للغاية. بينما يمكن تحقيق ذلك باستخدام شبكات المنطقة الشخصية (PANs) استنادًا إلى طبولوجيا الشبكة ، فإنها لا تزال تتطلب مكررات أو عقدًا قريبة نسبيًا لنشر البيانات عبر مسافات طويلة. لهذا السبب ، يتحول المطورون إلى شبكات واسعة النطاق (WAN). أكثر شبكات WAN اللاسلكية شيوعًا المستخدمة اليوم هي شبكات الهاتف المحمول ، ومع ذلك ، فإن جلب نفس التكنولوجيا إلى إنترنت الأشياء لا يزال يمثل تحديات ؛ بالإضافة إلى تكلفة الوصول إلى الشبكة ، سيتم قياس عمر بطارية نقطة النهاية بالأيام وليس شهور أو حتى سنوات.
الحل العملي لهذه المشكلة هو شبكة المنطقة الواسعة منخفضة الطاقة (LPWAN). توفر التكنولوجيا التي تم تطويرها لدعم LPWAN النطاق الذي يمكن تحقيقه عند ترددات الموجة الحاملة المنخفضة ، ولكن المقايضة الحقيقية الوحيدة لعمر البطارية الذي تتطلبه نقاط نهاية إنترنت الأشياء تكون في الحمولة. يستفيد LPWAN من حقيقة أن نقاط النهاية في إنترنت الأشياء تحتاج عادةً فقط إلى نقل كميات صغيرة من البيانات بشكل غير متكرر نسبيًا ، مما يعني أن الطاقة المستخدمة لكل إرسال يتم الاحتفاظ بها عند الحد الأدنى المطلق.
تحاكي طوبولوجيا الشبكة المستخدمة بواسطة LPWAN شبكة المحمول لأنها تستخدم عادةً شبكة نجمية من المحطات الأساسية ، بدلاً من شبكة متداخلة من أجهزة إعادة الإرسال. يمكن أن تكون الشبكة مفتوحة أو خاصة ، حسب التطبيق. تتضمن أمثلة البروتوكولات الحالية ناقل القياس اللاسلكي (المستخدم على نطاق واسع لقراءة العدادات الذكية) و KNX (المستخدم في أنظمة التشغيل الآلي للمنزل) و Sigfox (في الواقع بروتوكول و LPWAN عالمي يركز على توصيل مستشعرات إنترنت الأشياء).
حل شريحة واحدة لاتصال LPWAN
تغطي التقنيات اللاسلكية لتطبيقات LPWAN نطاق تردد واسع ، من 27 ميجاهرتز إلى 1050 ميجاهرتز. لتحقيق تصميم واحد يمكنه معالجة العديد من تطبيقات إنترنت الأشياء المختلفة باستخدام بروتوكولات LPWAN المختلفة ، يجب أن تكون أجهزة الإرسال والاستقبال قادرة على العمل عبر النطاق بأكمله. بالإضافة إلى ذلك ، يتطلب البروتوكول الذي يتم تشغيله في البرامج الثابتة متحكمًا دقيقًا.
يؤدي الجمع بين هذين العنصرين الوظيفيين في جهاز واحد إلى إنشاء حل مرن يكون أكثر فعالية من حيث التكلفة وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة من الحل المكون من شريحتين. نظرًا لأن هذا محدد إلى حد كبير بالبرمجيات ، فإنه يوفر للمصنعين منصة قابلة للتكيف بسهولة لتلبية احتياجات مجموعة واسعة من التطبيقات باستخدام بروتوكولات لاسلكية مختلفة.
إن الحاجة إلى الحد من كمية البيانات التي يتم تبادلها لاسلكيًا عبر العديد من نقاط نهاية إنترنت الأشياء التي تعمل عبر LPWAN تضع مزيدًا من التركيز على معالجة الحافة ؛ وتمكين نقاط النهاية من معالجة البيانات محليًا واتخاذ الإجراءات دون إشراك النظام الأساسي السحابي. لدعم ذلك ، يجب أن يكون أداء المعالجة لأي مخطط متوازنًا جيدًا بين القوة والأداء. نواة ARM CORTEX-M0 مناسبة تمامًا لمجال التطبيق هذا ، حيث إنها توفر أداء بنية 32 بت ، ولكن مع استهلاك طاقة منخفض رائد في الصناعة. ARM CORTEX-M0 + هي البنية التي اختارها ON Semiconductor لوحدة التحكم الدقيقة RF منخفضة الطاقة AXM0F243. يوضح الشكل 1 مخطط كتلة الجهاز ، والذي يدمج النظام الفرعي الأساسي ARM ووظائف التردد اللاسلكي المطلوبة لإنشاء جهاز LPWAN لإنترنت الأشياء.
الشكل 1: مخطط الكتلة الوظيفية لـ AXM0F243
يتوافق جهاز الإرسال والاستقبال المدمج ضيق النطاق مع مجموعة من مخططات التشكيل ، بما في ذلك مفتاح إزاحة التردد (FSK) ، ومفتاح إزاحة التردد الأدنى (التردد) (MSK) ، و 4-FSK ، و Gaussian FSK و MSK ، بالإضافة إلى مفتاح إزاحة السعة (ASK) و Phase Shift Keying (PSK). نظرًا لأنه معرّف برمجيًا بشكل أساسي ، فهو يدعم العديد من بروتوكولات LPWAN ، بما في ذلك Wireless Metering Bus و Sigfox والمزيد.
يمكن أن يعمل جهاز الإرسال والاستقبال مع تصحيح الخطأ الأمامي (FEC) أو بدونه لإعطاء مدى من حساسية الاستقبال لمعدل بيانات معين عبر نطاقات التردد باستخدام أي تقنية تشكيل مدعومة. يوضح الجدول 1 أمثلة على حساسية المستقبل عند 868 MHz مع FEC وبدونه.
الجدول 1
يدعم AXM0F243 الترددات الحاملة بين 27 ميجاهرتز و 1050 ميجاهرتز ، ومعدلات البيانات من 100 بت / ثانية إلى 125 كيلو بت / ثانية ، ويستخدم مُزج ترددات الترددات الراديوية مع وقت استقرار فائق السرعة وقياس VCO التلقائي مع وضع تعزيز عرض النطاق الترددي.المسافة مغلقة بسرعة مما يساهم في انخفاض استهلاك الطاقة للجهاز. كما أنه يدعم VCOs الخارجية ، وكذلك مضخمات الطاقة الخارجية.
تدعم وحدة التحكم في الراديو تنوع الهوائي من خلال التحكم في مفتاح RX / TX ، كما أن استقبال الحزم مؤتمت بالكامل ويمكن أن يعمل بدون متحكم على الرقاقة ، مما يقلل بشكل أكبر من إجمالي استهلاك الطاقة.
ملحقات للأغراض العامة
بالإضافة إلى وحدة التحكم الدقيقة المدمجة وجهاز الإرسال والاستقبال RF ، يتميز AXM0F243 بأجهزة طرفية رقمية وتناظرية قابلة للبرمجة وذات وظيفة ثابتة. تتكون الكتلة التناظرية من مضخمين عمليين ، و 12 بت SAR ADC ، ومقارنات منخفضة الطاقة ، و DACs الحالية. يقوم ناقلان مخصصان بتوصيل الكتل التناظرية باستخدام مفاتيح تناظرية يمكن التحكم فيها بواسطة البرامج الثابتة ، مما يسمح بتوجيه أي دبوس إدخال / إخراج إلى أي كتلة تمثيلية. يتم تنفيذ الكتلة الرقمية القابلة للبرمجة باستخدام LUT (جدول البحث) المتصل بشبكة تبديل ، على غرار CPLD الخاص بـ FPGA ، مما يسمح بتطبيق سلسلة من الوظائف المنطقية المحددة بواسطة البرامج الثابتة على أي إشارة موجهة من منفذ GPIO. تشمل الوظائف الثابتة كتلة مؤقت / عداد / PWM ، وهي كتلة اتصال تسلسلي تعمل في أوضاع I2C و SPI و UART.
لخص
يغطي إنترنت الأشياء العديد من الأسواق الرأسية ، بما في ذلك أتمتة المنازل والمباني ، وقراءة العدادات ، ومراقبة المستشعر / المشغل. الاتصال اللاسلكي هو أساس إنترنت الأشياء ، ويبرز LPWAN كمحفز رئيسي للعديد من التطبيقات الموجودة في إنترنت الأشياء اليوم.
من خلال اختيار حل شريحة واحدة مرن وقابل للبرمجة ، يمكن للمطورين مواجهة تحديات إنترنت الأشياء بشكل أفضل بطريقة فعالة من حيث التكلفة وموفرة للطاقة.