В статье описано как сориентироваться среди множества вариантов беспроводных решений на рынке и выбрать из них наиболее подходящий для конкретного приложения
Автор: Джейсон Толлефсон (Jason Tollefson), старший менеджер по продуктовому маркетингу (Sr. Product Marketing Manager)
Когда вам необходимо выполнить определенное действие, например, повестить картину или подтянуть ножку стула, вы используете для этого специальные инструменты: достаточно сложно вбить гвоздь пилой или отрегулировать ножку напильником, такой подход приведет к плачевному или, как минимум, нерациональному результату. То же мы можем сказать и о беспроводных сетях: каждая технология имеет свои преимущества, которые хорошо сочетаются с определенными задачами и редко одно и то же решение может быть применимо во множестве областей. Итак, давайте откроем наш ящик с инструментами и более подробно рассмотрим особенности наиболее популярных на сегодняшний день беспроводных технологий: Bluetooth® Low Energy, Wi-Fi ™, LoRa® и IEEE 802.15.4 ™.
ВЫБОР ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ РАБОТЫ
Bluetooth Low Energy
Благодаря тому, что Bluetooth-модули встроены в большинство смартфонов, мы довольно хорошо знакомы с данной технологией. Мы используем Bluetooth для подключения и сообщения с внешними динамиками, дверными замками, тренажерами и другим оборудованием. Распространенность стандарта Bluetooth Low Energy (BLE) определяется его преимуществами: функциональная совместимость со множеством устройств, низкое энергопотребление, простой пользовательский интерфейс, дальность связи до 30-100 метров. Все это делает технологию популярной и доступной на многих продуктах, с которыми пользователь может в той или иной мере взаимодействовать с помощью смартфона.
Wi-Fi
Если бы существовала одна универсальная беспроводная технология, это был бы Wi-Fi. Мы видим сети Wi-Fi повсюду: бесплатный Wi-Fi в отелях, аэропортах, кафе, а теперь и в автомобилях, которые мы покупаем. Wi-Fi завоевала популярность благодаря высокой скорости передачи данных и безопасности, и отлично подходит для отправки и получения любых форматов данных. Компания Home Telecom отмечает, что скорость при использовании стандарта 802.11n (стандарт для сетей Wi-Fi) на устройствах с одной антенной составляет примерно 25-50 Мбит/с при работе в реальных условиях применения. При сравнении с 2 Мбит/с, максимально доступными в Bluetooth Low Energy 5, преимущество Wi-Fi становится очевидным.
Стоит, однако, отметить, что, несмотря на то, что Wi-Fi использует достаточно хороший диапазон частот, большинство пользователей придерживаются версии, что он действительно хорош, но не идеален и именно в данном направлении Wi-Fi имеет возможности для улучшения. Компания Lifewire заявляет, что при использовании стандарта сети 802.11n с частотой 2,4 ГГц в помещении, дальность распространения сигнала составляет примерно 46 метров. Это неплохой результат, но, когда вы переключитесь на сеть с частотой 5 ГГц с целью увеличения скорости, дальность будет снижена до 15 метров.
Lora
Выход на рынок технологии LoRa сопровождался большой шумихой и в какой-то мере эта шумиха была оправдана. Термин «Long Range», от которого происходит название сети, дословно переводится как «большая дальность» и он определенно соответствует своему названию. Устройства в сети LoRa могут сообщаться друг с другом на расстоянии до 10 километров, что делает данную технологию королем дальности связи для устройств Интернета вещей (IoT). Еще одним преимуществом технологии LoRa является ее низкое энергопотребление, что делает ее прекрасным решением для использования в датчиках с питанием от батареи или аккумулятора.
Однако, в отличие от Wi-Fi и BLE, LoRa требует наличия специальной сетевой инфраструктуры, подобной архитектуре сотовой связи, используемой в мобильных телефонах. Вы можете самостоятельно настроить собственные шлюзы и организовать сеть на их основе или заключить договор с провайдером и производить передачу данных через их сеть. Другим недостатком технологии является ее пропускная способность, которая для сетей LoRa измеряется в килобитах в секунду, что намного ниже, чем у Wi-Fi или Bluetooth, но тем не менее достаточно для сообщения с беспроводными датчиками и отправки/получения простых команд управления.
IEEE 802.15.4
Стандарт IEEE 802.15.4 является основой для протоколов Zigbee® и MiWi ™. Данный стандарт поддерживает частоты 2,4 ГГц и частоты ниже 1 ГГц (Sub- ГГц диапазон), каждая из которых имеет свои преимущества. Данный стандарт позволяет образовывать «ячеистые сети» и был разработан в первую очередь для решения проблем энергопотребления, надежности, стабильности и диапазона работы в сетях, построенных на базе устройств с питанием от аккумулятора или батареи.
Ячеистые сети, построенные на базе стандарта 802.15.4 могут самостоятельно восстанавливаться при повреждении или создании помех внешними факторами, такими как кратковременные помехи (например, движение человека), изменения в окружающей среде, разряд батареи и так далее. Функция самовосстановления значительно повышает надежность сети и, следовательно, надежность установленной связи.
Другим преимуществом стандарта 802.15.4 является то, что узлы в ячеистых сетях, построенных на его основе меньше подвержены эффекту старения, так как могут находиться в режиме сна длительное время и просыпаться только при получении определенной команды. Таким образом, в отличие от узлов сетевых технологий, таких как Ethernet или Wi-Fi, которые «устаревают», сети 802.15.4 способны достаточно долгое время сохранять свою работоспособность.
Пропускная способность для сетей стандарта IEEE 802.15.4 варьируется от 100 Кбит/с до 1 Мбит/с в зависимости от конфигурации и выбранного протокола приемо-передачи. Данный тип сетей, как правило, носит характер частного применения и практически не взаимодействует с существующей внешней инфраструктурой.
В таблице 1 приведено сравнение основных атрибутов рассмотренных сетевых технологий.
Таблица 1. Основные атрибуты сетевых технологий
После того как мы определили сильные и слабые стороны каждой беспроводной технологии, следующим шагом является выбор способа взаимодействия и работы с ними. Компания Microchip Technology предлагает четыре способа взаимодействия с модулем беспроводной связи: UART, SPI, SDIO или Standalone (автономное устройство). Первые три используются в связке с хостом: микроконтроллер (MCU), микропроцессор или программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС, англ. FPGA). Автономное устройство (Standalone) – это устройство, дословный перевод названия которого «все в одном», говорит сам за себя: автономное устройство, объединяющее в себе микроконтроллер и модуль приемо-передачи на одной плате или в одном корпусе. Для упрощения работы с интерфейсами связи, компания Microchip создала драйверы и интерпретаторы ASCII. При использовании конфигурации автономного устройства, беспроводной протокол может объединиться и взаимодействовать с вашим собственным кодом позволяя тем самым создать компактное и индивидуальное решение, заточенное для конкретных задач.
В таблице 2 показаны типы доступных интерфейсов для работы с беспроводными технологиями.
Таблица 2. Интерфейсы, доступные для работы с беспроводными технологиями
Заключение
В независимости от того, какую беспроводную технологию вы решите использовать (Bluetooth Low Energy, Wi-Fi, IEEE 802.15.4 или LoRa) и на какие задачи ориентировано ваше приложение (элегантный дизайн для смартфона или высокую пропускную способность и т.д.), выбор наиболее оптимального варианта сети и технологии ее построения является ключевым. Применение правильного инструмента для выполнения задачи помогает сэкономить время проектирования, ускорить выход устройства на рынок и увеличить конечную прибыль.