ماژول‌ های ارتباطاتی

با توجه به پیشرفت‌های اخیر، استفاده از وسایل IoT کاربرد فراوانی پیدا کرده‌اند. بخش اصلی در این وسایل ماژول‌های ارتباطی است که امکان برقرای ارتباط از راه دور با دستگاه را فراهم می‌کند. قسمت ارتباطات یک دستگاه یا به صورت بی‌سیم و یا سیم‌دار(CAN، LON و …) می‌باشد، اما نوع بی‌سیم آن کاربرد بیشتری دارد. ارتباط بی‌سیم نیز یا توسط امواج رادیویی یا ارتباط نوری و یا امواج فراصوت می‌با شد. از امواج رادیویی به خاطر نرخ داده بالا وعدم نیاز به دید مستقیم بین فرستنده و گیرنده، بیشتر استفاده می‌شود.

شکل 1: فرستنده گیرنده رادیویی

برای داشتن ارتباط در هر دستگاه، به یک فرستنده و گیرنده نیاز است. وظیفه اصلی آن‌ها تبدیل رشته بیت‌های دریافتی از میکروکنترلر به امواج رادیویی و بالعکس می‌باسد. مشخصه‌های یک فرستنده-گیرنده عبارتند از: نوع سرویس دهی به لایه‌های بالایی، مصرف توان و بازدهی انرژی، فرکانس حامل و چند کانالی، انرژی و زمان لازم برای تغییر حا لت کاری، نرخ داده، مدولاسیون، کدینگ، کنترل توان، نویز فیگر، گین، بهره‌وری توان، حساسیت گیرنده، محدوده کاری، بلاکینگ، تشعشعات خارج از باند، پایداری فرکانسی و محدوده ولتاژ.

ساختار یک فرستنده-گیرنده شامل یک RF front-end و یک بخش baseband می‌باشد. بخش اول وظیفه پردازش سیگنال آنالوگ در باند فرکانسی را دارد، در صورتی که بخش دوم وظیفه پردازش تمام سیگنال‌ها به‌صورت دیجیتال و ارتباط با پردازشگر دستگاه و یا دیگر بخش‌های دیجیتال را بر عهده دارد.

فرستنده-گیرنده‌ها در حالت‌های کاری مختلفی می‌توانند قرار بگیرند. این حالت‌ها عبارتند از:

 ارسال:در این حالت قسمت فرستنده فعال بوده و آنتن تشعشع دارد.

دریافت:در این حالت قسمت گیرنده فعال می‌باشد.

آماده به کار:مدارات لازم برای دریافت سیگنال فعال بوده و بقیه مدارات خاموش می‌باشد. در این حالت سیگنالی دریافت نمی‌شود.

خواب:در این حالت مدارات خاموش می‌باشد و ارسال و دریافتی صورت نمی‌گیرد. حالت خواب انواع مختلفی دارد که بر اساس تعداد مدارات خاموش و زمان راه اندازی مجدد و انرژی لازم برای راه‌اندازی آن، تقسیم بندی می‌شود.

انتخاب باند فرکانسی

انتخاب باند فرکانسی یکی از فاکتورهای مهم طراحی سامانه است. به جز فناوری فوق باند وسیع، بیش‌ترسامانه‌های فرکانس رادیویی، در فرکانس‌های زیر 6 گیگاهرتز کار می‌کنند. طیف وسیعی از فرکانس‌های رادیویی به منظور جلوگیری از تداخل ناخواسته بین کاربران و سامانه‌های مختلف، تنظیم شده است. بعضی سامانه‌ها، مجوز اختصاصی برای باند رزرو شده خود را، دارند( مانند GSM). هم‌چنین باندهایی تحت عنوان صنعتی،علمی و پزشکی هستند که نیازی به اخذ مجوز ندارند. شکل زیر تعدادی از باندهای فرکانسی ISM را نشان می دهد.

شکل 2: مشخصات فرکانسی باند ISM

برای انتخاب باند فرکانسی دو نکته را باید مد نظر قرار داد؛ تداخل و بازدهی آنتن.

تداخل داخلی و خارجی به خاطر منابع و پدیده‌های طبیعی و استفاده دیگر کاربران از این باندها، بالا میرود. هم‌چنین در صورت استفاده از یکی از استانداردهای IEEE PAN/LAN/MAN یا دیگر تکنولوژی‌های رادیویی، باز هم تداخل اتفاق خواهد افتاد. دستگاه‌هایی مانند بلوتوث‌ها و تلفن‌های همراه که در فرکانس کاری شبکه‌های بی‌سیم کار می‌کنند نیز می‌توانند در یک فضای محدود تاثیر خود را بگذارند. امواج مایکروویو با فرکانس 4/2 گیگاهرتز، بر بسیاری از فناوری‌های بی‌سیم باند ISM تاثیر می‌گذارد. در محیط‌های صنعتی، فیلترکردن نادرست موتورهای الکتریکی، سبب تولید نویز الکتریکی شده که می‌تواند انتقال بی‌سیم را غیر قابل اعتماد کند.

شکل 3: نمودار مقایسه پروتکل‌های دردسترس

با این حال، فناوری‌های IEEE PAN/LAN/MAN به طور وسیعی استفاده می‌شوند و در بیشتر کاربردهای تجاری مورد استفاده قرار می‌گیرند. پروتکل‌ها همانطور که رمزگشایی فیزیکی سیگنال ارسالی را تعیین می‌کنند، فریم اطلاعات لایه پیوند داده را نیز مشخص می‌کنند. پروتکل‌های بی‌سیم متعددی وجود دارند؛ آنهایی که بیشتر استفاده می‌شوند عبارتند از: IEEE 802.15.1 یا همان بلوتوث، IEEE 802.11 a/b/g/n( WLAN)، IEEE 802.15.4 ( ZigBee)، IEEE 802.16 (WiMax) و رادیو شناسه‌ها(RFID). هر استانداردی مزایا ومحدودیت‌های خاص خود را دارد. شکل‌های زیر مقایسه بین این پروتکل‌ها را نشان می‌دهد.

شکل 4: مقایسه پروتکل‌های مختلف

پارامتر مهم دیگر در یک سامانه مخابراتی، بازدهی آنتن است که به صورت نسبت توان تشعشع شده به کل توان اعمال شده به آنتن است. توان باقی مانده به عنوان گرما تلف می‌شود. به خاطر کوچک بودن دستگاه‌ها، باید از آنتن‌های کوچک استفاده کرد. به عنوان مثال، موج‌های رادیویی 4/2 گیگاهرتزی طول موج 5/12 سانتی‌متری دارند که از ابعاد خیلی از دستگاه‌ها بیشتر است. معمولا، ساختن آنتنی پر بازده، با کاهش نسبت ابعاد به طول موج، سخت است. اگر بازدهی آنتن کاهش پیدا کند، برای داشتن انرژی تابشی ثابت، باید توان بیشتری مصرف شود.

انواع ماژول‌های ارتباطی بی‌سیم

در ادامه چند ماژول ارتباطی بی‌سیم که در IoTها استفاده فراوان دارند معرفی خواهد شد.

• ماژول وای‌فای

• ماژول بلوتوث

• ماژول GSM

• ماژول RFID

• ماژول ZigBee

• ماژول GPS