כיצד לספק קישוריות אלחוטית עבור IoT?

מפתחי מוצרים מוטבעים רבים מוצאים שבנוסף להפעלת התכנון שלהם, כל תכנון IoT ידרוש תמיד קישוריות אלחוטית כדי להעביר נתוני חיישן ליישום מבוסס-ענן. מול דרישה זו מהנדסים יכולים או לתכנן את המקמ”ש האלחוטי העצמאי שלהם או להחליט לכלול מודול אלחוט מאושר-מראש לתוך התכנון שלהם.
אולם הבחירה הראשונה כאשר שוקלים כיצד תכנון ה-IoT שלכם יתקשר היא באיזה תקן פרוטוקול להשתמש. קיימות טכנולוגיות תקשורת רבות זמינות, כאשר התקנים המקובלים הם Wi-Fi, Bluetooth ו-ZigBee. המתכנן צריך להתחיל ולחקור כמה נתונים הוא יצטרך להעביר ובאיזה תחום הוא יצטרך לשלוח אותם בצורה אופיינית. עבור מרבית היישומים יש תמיד פשרות בין תחום, קצב נתונים ואופן השימוש. אופן השימוש עשוי להאיר מספר שיקולים כגון התדר איתו דרוש להעביר את הנתונים ותקציב ספק הכוח הזמין; שיקול-מפתח כאשר משתמשים בהתקן מוזן על-ידי סוללה. לדוגמה, לשם בקרה על התקן או קבלה של מספר נתוני חיישן רק מספר פעמים ביממה, (Bluetooth Low Energy) עשוי להיות די מושך. בתיאוריה כל טלפון חכם יכול לתמוך בשיטת תקשורת זו ולכן, הבקרה או התקן העיבוד של אכסון הנתונים עשוי להיות זמין בנקל. אולם, אם כמות גדולה יותר של נתונים, כמו מספר מגה-בייטים דרושה לשידור אזי המתכנן ישקול בצורה מיטבית שימוש ב-Bluetooth Classic או Wi-Fi.
יש להביא בחשבון גם את שיקול התחום. BLE יכולים אופיינית לתקשר לאורך 30 מטרים בקו ראייה אולם אם יש להעביר את הנתונים דרך בניין יש לשקול חלופה דוגמת הטכנולוגיה המתפתחת של BLE Mesh, ZigBee או sub 1 GHz. במקרה של רשתות מבוססות-סריג, התחום נוצר על-ידי הנתונים החוזרים לאורך הסריג ולכן דרושה הנוכחות של צמתים לאורך הנתיב שיש לכסות. אולם דבר זה עשוי לעורר אתגרים כאשר אנחנו מבקשים להציב חיישן בקצה אחד של הבניין ולגשת למידע שלו בקצה השני. לטכנולוגיות תקשורת בתחום ISM Sub 1GHz יש מגרעת של אי-שימוש בתדרים אחידים ברחבי העולם והדורשים בכך מגווני מוצרים שונים או התאמות עבור האזורים השונים. בנוסף, פרוטוקולי התקשורת שמשתמשים בהם אינם תקניים ויוצרים לכן אף יותר אי-התאמות בין התקנים המשתמשים בטכנולוגיות אלו. עבור מספר גדל של תכנוני IoT רואים את Wi-Fi כשיטת תקשורת טובה ממספר סיבות. ראשית, התשתית הופכת ליותר ויותר זמינה, שנית, קצבי הנתונים הם הרבה יותר גבוהים ויש לציין שהיא תספק לרוב חיבור ישיר לשירותים מבוססי-ענן.
לאחר שפרוטוקול התקשורת נבחר, המהנדס ייזום את בחירת הרכיבים עבור התכנון שלו. השאלה הבאה הוא לרוב האם עליו להשתמש במודול או לעשות תכנון דיסקרטי. ישנם שני מצבים בהם המודול הוא לרוב התשובה ההגיונית: כאשר הזמן לשיווק ו/או הגודל קובע. מודול הוא רכיב מוכן ונבדק במלואו ובעזרת רמת שילוב גבוהה העקבה היא הרבה יותר קטנה מאשר כשמשתמשים בתכנון דיסקרטי. זוהי הסיבה מדוע היצרנים המובילים של טלפונים חכמים בוחרים במודולים עבור התכנונים שלהם.
בשוק בו המחיר הוא רגיש ביותר, לעתים קרובות השיקול העיקרי הוא מחיר הרכיבים. כאן המהנדס צריך להיות ער לשינויים החשובים של המחיר לעומת העלות. כאשר משווים את מחיר הרכיבים בין פתרון של קישוריות דיסקרטית ומודול, המודול עולה לרוב מעט יותר יקר. ברור שיש להביא בחשבון את עלויות ההרכבה בנוסף לעלויות הפיתוח, הבדיקה והאשרור. המהנדס חייב לחשוב תמיד שמודול הוא רכיב יחיד שנבדק במלואו בקו הייצור, מוכן להצבה על המעגל המודפס וברוב המקרים הוא מאושרר מראש לגופי אשרור אלחוטי רבים. מודולים בעלי קושחה משולבת-מראש זמינים כדי לפשט את התפקיד של שילוב התוכנה. לאנשי רכש יהיו פחות רכיבים בודדים כדי לנהל את שרשרת ההספקה לשם הבטחה של הייצור החלק. ההנהלה תעריך ללא ספק את העובדה שלא דרושים מקורות נוספים לפיתוח כגון ציוד בדיקה יקר ולפחות בתיאוריה לא דרוש גם מהנדס תכנון תקשורת אלחוטית. מודולים גם מונעים את העלויות המוחבאות הכרוכות למשל בתכנון המחודש של כרטיס RF בשל בעיות EMI הנגרמות בשל מערך עקיבה כושל.
לאחר שהחליט לאמץ את גישת המודול לשם מימוש קישוריות Wi-Fi, המהנדס יכול לבחור בין מספר מוצרים רצויים בשוק. לדוגמה ה-Type YD (part number LBWB1ZZYDZ) של Murata. ראה איור 1.
מודול קומפקטי תואם FCC/IC ו-CE בעל ממדים של 33 x 18 x 2.5 ממ’ משלב מקמ”ש אלחוטי Broadcom BCM43362, מיקרו-בקר STM32 ARM Cortex-M3 ואנטנה. ניתן לתמוך בארכיטקטורות תוכנה יחידות. תוך שימוש בפרוטוקול Simple Network Interface Controller (SNIC) של Murata, המבוסס על פיתרון WICED של Broadcom, הוא מציע גישה לחבילת קושחה/תוכנה בנויה-מראש המקלה על שילוב המארח, בקרת אלחוט וציוד היקפי ומבטלת את הצורך בתכנות הקושחה. המודול, הפועל כמו קופסה שחורה, ניתן לבקרה על-ידי כל MCU דרך הממשקים של UART או SPI.
איור 2 מציג כיצד מבצעים החלפת מסרים בין יישום הלקוח ומודול Wi-Fi מסוג YD. איור 3 מראה חלק מהוראות הפיקוד שניתן להפיק דרך ממשק ה-UART או SPI כדי לגלות נקודות גישה של Wi-Fi, להציב תקשורת ולהעביר נתונים.
יש גם לציין שבנוסף לשימוש במודול בתור ממשק תקשורת, מהנדס יכול לבצע את פיתוח היישום המלא על ה-Cortex-M3 ARM הפנימי של המודול. זה יהיה אידיאלי עבור מספר יישומים הכרוכים בחיבור מספר קטן של חיישנים לדוגמה אל יישום-ענן ללא הצורך ב-MCU של יישום מארח. יש מספר פינים GPIO ללא שימוש הזמינים על המודול כדי לאפשר זאת בנוסף ל-ADCs של ה-MCU. מצויד בערכת פיתוח תוכנה WICED של Broadcom המהנדס יכול לפתח יישום כזה. ניתן לאחר-מכן להוריד את הקושחה הסופית אל המודול כך שהיא תהפוך לליבת ההתקן.
בחירה של מודול אלחוטי מאושר-מראש במקום לפתח פתרון דיסקרטי יחסוך כמויות משמעותיות של משאב ועלות של התכנון וגם יבטיח שאתה יכול לשווק את המוצר שלך במהירות האפשרית.