Najprv spoločnosť Raspberry Pi predstavila Raspberry Pi Pico, ktorý si okamžite našiel mnoho priaznivcov. Teraz sa tá istá doska dočkala zásadného vylepšenia v podobe bezdrôtového pripojenia.

Vôbec prvé kremíkové riešenie Raspberry Pi, RP2040, bolo predstavené v januári 2021. Nedávno spoločnosť vydala novú dosku RP2040, ktorá obsahuje funkciu Wi-Fi. Pozrime sa, ako môže táto nová doska pomôcť konštruktérom vytvárať úhľadnejšie produkty s rýchlejším časom uvedenia na trh.

Najdôležitejšie vlastnosti dosky RP2040

Prvé kremíkové riešenie Raspberry Pi, mikrokontrolér RP2040, obsahuje dve jadrá Arm Cortex M0+ pracujúce na frekvencii 133 MHz a vrátane 264 KB pamäte RAM na čipe. Zariadenie podporuje aj až 16 MB pamäte Flash mimo čipu prostredníctvom vyhradenej zbernice QSPI.

Raspberry Pi Pico

Kľúčovou výhodou RP2040 oproti podobným produktom sú programovateľné I/O (PIO) periférie, ktoré možno použiť na implementáciu rôznych digitálnych komunikačných protokolov, ako aj menej bežných protokolov, napríklad protokolu WS2812 LED. Spoločnosť tiež vydala Raspberry Pi Pico, mikrokontrolérovú dosku za 4 doláre, ktorá využíva MCU RP2040. 

Zjavný nedostatok - a dve potenciálne riešenia

Raspberry Pi Pico je lacná rozbočovacia doska pre RP2040. Spája RP2040 s 2 MB pamäte Flash a napájacím čipom, ktorý podporuje vstupné napätie od 1,8 do 5,5 V. Hlavným nedostatkom tejto lacnej dosky je však to, že neposkytuje bezdrôtové pripojenie. Hoci aplikácie internetu vecí využívajú technológie káblového aj bezdrôtového pripojenia, zvyčajne sa uprednostňujú bezdrôtové riešenia, pretože zjednodušujú nasadenie a konfiguráciu. Na pridanie bezdrôtovej konektivity do zariadenia IoT môžeme použiť buď bezdrôtový SoC, alebo bezdrôtový modul.  

Prvá možnosť: Použitie bezdrôtových SoC

Hoci na pridanie bezdrôtového pripojenia do zariadenia IoT možno použiť bezdrôtový SoC (napríklad sieťový procesor CC3100 Wi-Fi od spoločnosti Texas Instruments), návrhy založené na SoC si vyžadujú čas, peniaze a inžinierske znalosti.

Bloková schéma CC3100

Pri vytváraní vlastnej RF dosky môže výkon obvodu ovplyvniť mnoho faktorov vrátane usporiadania dosky a materiálu, typu antény, tvaru anténnej stopy, dĺžky stopy, typu súčiastky a dodávateľa súčiastky. Dokonca aj umiestnenie skrutiek a batérií na doske môže spôsobiť neznáme nepriaznivé účinky. Vyrovnávacia sieť je potrebná aj na zabezpečenie toho, aby sa signál pri prechode medzi anténou a SoC neutlmil.

Tieto zložitosti VF návrhu sú dôvodom, prečo sú skúsení VF inžinieri drahí. Okrem toho si návrh RF vyžaduje drahé laboratórne vybavenie a nástroje. Vzhľadom na všetky tieto prekážky sa vlastná RF implementácia nezdá byť rozumným riešením na pridanie bezdrôtového pripojenia do lacnej dosky, ako je Raspberry Pi Pico.

Druhá možnosť: Používanie bezdrôtových modulov

Alternatívnym riešením je použitie bezdrôtového modulu. Rôzni výrobcovia čipov, ako napríklad Espressif Systems a Silicon Labs, vydali množstvo možností takýchto modulov. V prípade bezdrôtového modulu je väčšina návrhu už hotová. DPS je plne charakterizovaná a optimalizovaná na výkon RF. Rozloženie antén, tienenie, časovacie komponenty (kryštály), ako aj regulačné schválenia a certifikácie noriem sú dokončené výrobcom modulu. To výrazne zjednodušuje proces návrhu projektu.

Raspberry Pi Pico W zabudované bezdrôtové pripojenie

Hoci bezdrôtové moduly sprístupňujú inžinierom a výrobcom bezdrôtové pripojenie, stále si vyžadujú ďalšiu dosku. Aby sa tento problém vyriešil, Raspberry Pi nedávno predstavil novú verziu dosky Pico, ktorá obsahuje bezdrôtový SoC CYW43439 od spoločnosti Infineon (datasheet).

Nová doska Raspberry Pi Pico W stojí 6 dolárov. Rádiové obvody sú zapuzdrené v kovovom kryte, aby sa znížili náklady na zhodu koncových produktov zákazníkov. CYW43439 obsahuje obvody IEEE 802.11 b/g/n MAC, základné pásmo a rádiové obvody. Bezdrôtový SoC tiež integruje výkonový zosilňovač (PA), ktorý spĺňa požiadavky na výstupný výkon väčšiny vreckových systémov, ako aj nízkošumový zosilňovač (LNA) na zlepšenie citlivosti prijímača.

Okrem uvedených štandardov Wi-Fi podporuje CYW43439 aj Bluetooth Classic a Bluetooth Low Energy. Hoci pripojenie Bluetooth nie je v súčasnosti na doske Pico W aktivované, Raspberry Pi môže túto funkciu zahrnúť v budúcich verziách.

Ostatné dosky s čipom RP2040

Od vydania RP2040 v januári 2021 vyrobili rôzni výrobcovia množstvo dosiek RP2040 tretích strán. Každá z týchto dosiek tretích strán sa snaží poskytnúť vylepšenie pôvodnej dosky Raspberry Pi Pico, ktorá je najlacnejšou možnosťou. Z týchto dosiek existujú aj riešenia, ktoré sú vybavené zabudovaným bezdrôtovým pripojením. Jedným z príkladov je Nano RP2040 Connect od spoločnosti Arduino. Funkčná bloková schéma tejto dosky je uvedená nižšie.

Bloková schéma zariadenia Nano RP2040 Connect.

Nano RP2040 Connect využíva modul u-blox Nina W102 na zabezpečenie pripojenia Wi-Fi a Bluetooth. bezdrôtový modul u-blox podporuje štandardy IEEE 802.11 b/g/n a Bluetooth 4.2. Modul obsahuje aj integrovanú planárnu anténu s invertovaným F (PIFA). Modul Nano RP2040 Connect je vybavený niektorými ďalšími komponentmi, napríklad 6-osovou IMU a všesmerovým digitálnym mikrofónom. Cena dosky je približne 30 USD, čo je oveľa viac ako cena dosky Pico W.

Záverečné myšlienky: Klady a zápory Wi-Fi

V aplikáciách internetu vecí sa bežne používa niekoľko rôznych bezdrôtových protokolov, napríklad Wi-Fi, Bluetooth LE, Zigbee a Z-Wave. Pri posudzovaní bezdrôtových riešení pre aplikácie internetu vecí platí, že "jedna veľkosť nie je vhodná pre všetkých". Aké sú však výhody a nevýhody Wi-Fi - najmä v prípade dosky Pico W a niektorých ďalších projektov RP2040 na internete?

Wi-Fi má jednu výnimočnú vlastnosť: je natívne založená na protokole IP. Je to preto, že Wi-Fi bolo od prvého dňa vytvorené na pripojenie k internetu ako bezdrôtová náhrada káblového štandardu Ethernet. Vzhľadom na to je Wi-Fi najlepšou voľbou, keď chceme, aby sa zariadenie IoT natívne pripájalo na internet.

Zariadenia, ktoré používajú protokoly ako Bluetooth a Zigbee, sa nemôžu priamo pripojiť na internet na účely cloudového alebo vzdialeného prístupu. V týchto prípadoch je potrebný rozbočovač alebo bránové zariadenie na konverziu informácií z formátu Bluetooth/Zigbee/Z-Wave na Wi-Fi pred odoslaním údajov cez internet prostredníctvom smerovača Wi-Fi. Táto dodatočná brána zvyšuje náklady a zložitosť systému.

Pri použití v aplikáciách internetu vecí má však tradičné Wi-Fi dve hlavné obmedzenia: nemôže efektívne podporovať veľký počet zariadení súčasne a má vysokú spotrebu energie. Nedávna aktualizácia Wi-Fi, označovaná ako Wi-Fi 6 alebo 802.11ax, je navrhnutá s cieľom uľahčiť aplikácie internetu vecí. Wi-Fi 6 podporuje preplnené siete internetu vecí, pričom spotrebuje oveľa menej energie.