Módulos de IoT (WiFi/Bluetooth)
(422)Os dispositivos IoT (Internet of Things) são, por definição, circuitos eletrónicos com funcionalidade de comunicação. Na grande maioria dos casos, usam transmissão sem fios de dados, usando geralmente padrões universais como Wi-Fi ou Bluetooth. Para que a implementação destas soluções funcione sem problemas, são quase sempre utilizados sistemas prontos a usar. Isso deve-se ao facto de o seu design exigir testes exaustivos e uma arquitetura específica: o uso de um módulo de comunicação preparado por um fabricante especializado é simplesmente a solução mais económica e eficaz. Vejamos a oferta e as características destes módulos.
Tipos de módulos de comunicação
A divisão principal dos módulos de comunicação pode ser efetuada tendo em conta os padrões que suportam ou consoante as suas capacidades de programação. A primeira característica é óbvia: trata-se das tecnologias a que o produto foi adaptado. A segunda está relacionada com a construção do módulo. Dado que a transmissão de dados estável e segura requer uma potência informática relativamente alta, muitos sistemas utilizam microcontroladores ou sistemas SoC (System on Chip), que podem funcionar de forma independente ou até mesmo controlar o funcionamento de todo o circuito. Nestes casos, o módulo de comunicação converte-se na plataforma sobre a qual todo o dispositivo é desenhado. Isso permite simplificar a etapa de criação de protótipos e construção, agilizar a produção e, muitas vezes, também reduzir os seus custos.
Características importantes dos módulos de comunicação
Aquando da escolha de um módulo para uma aplicação, primeiro deve decidir o método de comunicação que melhor se adequa às necessidades do projeto; no caso dos dispositivos IoT no campo da eletrónica industrial e de consumo, os padrões Bluetooth e Wi-Fi são os mais comuns. No entanto, há que ter em conta que não se trata de tecnologias homogéneas.
Padrões Bluetooth
O Bluetooth é uma tecnologia de comunicação sem fios e funciona em frequências ISM abertas (do inglês, industrial, scientific, and medical). As sucessivas versões de Bluetooth (2.0, 3.0, até às versões 5.x atualmente desenvolvidas) têm em conta as funcionalidades exigidas por um grupo cada vez mais amplo de dispositivos: no início, tratava-se de pequenos acessórios para computadores e telemóveis (ratos, auriculares), e por vezes era possível construir sistemas de comunicação mais complexos, com transferência de dados mais rápida, colaboração de mais dispositivos e suporte para redes de topologia mesh (o alcance máximo também foi expandido, a deteção de periféricos melhorada e a segurança das comunicações otimizada). Talvez a mudança mais importante da última década tenha sido a proliferação do protocolo Bluetooth Low Energy (compatível com as versões 4.0 e superiores).
O protocolo Bluetooth Low Energy (Bluetooth BLE) utiliza uma modulação mais simples e, como o próprio nome sugere, foi desenvolvido para a construção de dispositivos de poupança de energia, principalmente alimentados por bateria. As suas especificações definem uma série de perfis, cada um deles dedicado a um tipo específico de dispositivo (navegação GPS, tensiómetros, balanças, HID, isto é, Human Interface Devices, etc.). Na prática, o perfil mais utilizado é o GATT, Generic Attribute Profile, que se baseia numa árvore de serviços (services) e seus atributos. O perfil define métodos transparentes de leitura e alteração dos valores colocados nos atributos. Desempenham um papel semelhante aos registos do processador: são utilizados para trabalhar com o dispositivo (alterar a sua configuração, partilhar dados, etc.).
Versões Wi-Fi
O Wi-Fi pertence ao conjunto de padrões IEEE 802.11 e define os protocolos de rede sem fios em termos da sua camada física e subcamada de ligação de dados. Na prática, isso significa que as sucessivas versões de Wi-Fi definem aspetos-chave da comunicação: frequências, número e largura dos canais de transmissão, velocidade máxima, etc. As sucessivas versões de Wi-Fi estão marcadas com letras que designam o padrão IEEE relevante: Wi-Fi 1 é letra b, 2 - a, 3 - g, 4 - n, 5 - ac, 6 - ax. As versões são compatíveis com versões anteriores, e a comunicação é efetuada nas bandas de 2,4 GHz e 5 GHz.
Dado que o Wi-Fi é utilizado para ligação à Internet ou, pelo menos, a uma rede local, os módulos de comunicação que suportam este protocolo oferecem acesso a uma transmissão rápida de dados, bem como uma grande adaptabilidade. A camada de aplicação que será utilizada (HTTP, FTP, SSH, TLS/SSL, etc.) depende apenas do software que controla o módulo.
Encriptação e segurança
Dado que a comunicação sem fios pode ser monitorizada por pessoas não autorizadas, os dados enviados devem estar protegidos. Os métodos de encriptação de informação (sobretudo, AES baseiam-se em operações matemáticas complexas. Um suporte de software a um alto nível seria ineficaz (por exemplo, consumiria uma parte significativa da potência de cálculo do microcontrolador que controla o dispositivo), pelo que são implementados na comunicação circuitos cujo único propósito é cifrar e decifrar informação. Isso traduz-se numa maior segurança (porque as chaves de criptografia são suportadas pelo hardware e são invisíveis para o software) e numa comunicação mais rápida (os cálculos necessários são realizados por sistemas concebidos especificamente para este fim).
Interface
Os módulos de comunicação utilizam diferentes interfaces seriais para garantir uma comunicação eficiente com a unidade de controlo. Aqui são utilizados os padrões mais populares utilizados em dispositivos eletrónicos (I2C, SPI, etc.). No caso de produtos baseados em microcontroladores que podem funcionar de forma autónoma (controlar o funcionamento de todo o dispositivo), como a popular série ESP32, as especificações especificam não só os protocolos utilizados para controlar o módulo, mas também outras portas de entrada/saída compatíveis com determinado sistema. Estas podem ser, por exemplo, portas USB, interfaces GPIO e até mesmo conversores A/C. O mesmo se aplica aos módulos que suportam a transmissão sem fios de áudio: aqui as características incluem saída do conversor D/A (para o amplificador de áudio) ou I2S.
Antenas e saídas de antena
A maioria dos módulos tem antenas integradas construídas em forma de elementos SMD ou faixas em PCB. A comunicação em frequências de 2,4/5 GHz permite o uso de radiadores compactos. No entanto, os projetistas optam muitas vezes por utilizar uma antena interna. Isso pode resultar da necessidade de aumentar o alcance do módulo ou estar relacionado com questões de design. Por exemplo: um sensor IoT que trabalhe no terreno pode ser colocado numa caixa que proteja as ondas eletromagnéticas; neste caso, o design deve ter em conta a possibilidade de incluir a antena fora do corpo.
Outras características essenciais
As especificações de cada módulo de comunicação incluem informações-chave sobre o seu funcionamento. Descrevem, em primeiro lugar, questões elementares (tensão de alimentação, dimensões, tolerância térmica, métodos de montagem, caixa), mas também há outros dados que devem ser tidos em conta aquando da escolha do módulo. As características importantes podem incluir a potência do transmissor e a sensibilidade do recetor (expressas em dBm, uma escala logarítmica que descreve a potência em mW), bem como a velocidade de transmissão (geralmente não coincide com a velocidade máxima indicada em determinada norma). Se considerar o uso de módulos autónomos equipados com microcontroladores programáveis, vale a pena ter em conta a arquitetura do sistema, bem como a capacidade da memória incorporada e Flash: no caso de dispositivos mais complexos, por exemplo, pode acontecer que estes parâmetros limitem significativamente as possibilidades de desenho. Finalmente, em algumas aplicações, um parâmetro muito importante dos módulos de comunicação é o seu consumo de energia. É o caso dos circuitos alimentados por bateria ou acumulador ou que extraem energia de fontes renováveis (por exemplo, uma célula fotovoltaica). Esta característica é geralmente indicada no formato TX/RX, isto é, comparando os valores da corrente necessária para (respetivamente): transmissão e receção de dados. Naturalmente, o último número será menor, mas tenha em conta que, na prática, a comunicação Bluetooth e Wi-Fi é sempre bidirecional.
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