כיצד להתחבר ביעילות לחיישנים בנקודות-קצה IoT באמצעות תקשורת חד-חוטית

בעוד שמקובל שלנקודות-קצה של אינטרנט-של-דברים (IoT‏) ו- IoT תעשייתי (IIoT‏) יש אזורי בקרה מקומיים, יש כאלו הצריכים להתחבר לחיישנים פשוטים המרוחקים יותר ממטר אחד ממיקום המיקרו-בקר המארח. באופן מסורתי, משתמשים בממשקי טורי SPI או I²C כדי לתקשר בקלות עם חיישנים אלה. עם זאת, ככל שאלגוריתמי הבקרה הופכים מסובכים יותר ויש צורך לפרוש חיישנים נוספים, על המיקרו-בקר להשתמש בקווי SPI ו- I²C רבים יותר כדי להגיע לחיישנים אלה. זה מגדיל את מורכבות החיווט, המוסיף לעלויות הגדרת התצורה והתחזוקה, במיוחד ככל שהמרחקים גדלים.

מאמר זה יראה למפתחים כיצד להשתמש בפרוטוקול חד-חוטי מבית Maxim Integrated כדי להתחבר עם יחס עלות-תועלת מיטבי לחיישני IoT באמצעות חוט אחד בלבד והארקה. הוא ידון ביתרונות פרוטוקול חד-חוטי, כולל הגדלה משמעותית של טווח החיישנים והספקת כוח ונתונים על אותם חוטים. לאחר מכן הוא יציג התקן גשר הממיר אותות חד-חוטיים ל- SPI או ל- I²C וערכת פיתוח עם תוכנה שיעזרו למתכננים בצעדיהם הראשונים.

הרחבת השימוש בחיישני IoT ו- IIoT

הרחבת רשתות IoT ו- IIoT נועדה להפוך מערכות ותהליכי ייצור ליעילים יותר תוך הרחבת הפונקציונליות. זה כרוך באיסוף נתונים באמצעות חיישנים. בעוד שבבית יכול להיות תרמוסטט אחד בחדר המכיל חיישן טמפרטורה, בניין עם אוטומציה או רשת IIoT עשויים להציב חיישני טמפרטורה ולחות רבים בחדר וברחבי הבניין או המתקן. לדוגמה, חיישנים נוספים עשויים להיות ממוקמים בצינורות חימום, אוורור ומיזוג אוויר (HVAC) לצד חיישני לחץ. מערכות אבטחה עשויות גם להשתמש בסוגים שונים של חיישנים, והם עשויים להיות ממוקמים במספר מיקומים.

יש גם גידול בשימוש בחיישנים לניטור תהליכים ולרישום נתונים במערכות ייצור ומסועים לצורך ניתוח כיצד למשל לחסוך באנרגיה על ידי הפיכת המערכות ליעילות יותר תוך שיפור הבטיחות.

החיישנים הנפוצים ביותר ליישומים אלה הם חיישני סביבה, כולל טמפרטורה, לחות ולחץ; חיישנים ויזואליים הכוללים חיישני אור נראה וחיישני קירבה קיבולים; וחיישני מיקום הכוללים מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות (MEMS), ג'ירוסקופים MEMS וחיישני רעידות. מזעור וחידושים בטכנולוגיות MEMS הביאו לחיישנים במארזים שהם קטנים יותר מציפורן אגודל וצורכים רק כמה מאות מיליאמפר (mA). מרבית החיישנים הללו נגישים בקלות באמצעות ממשקי תקשורת SPI או I²C, הנמצאים כמעט בכל מיקרו-בקר. כאשר מתממשקים לחיישנים פשוטים אלו, זה עלול להיות לא-מעשי לבנות נקודת-קצה IoT או IIoT שלמה או צומת ילד רק עבור דגימת טמפרטורה, ולכן לרוב פשוט ומהיר יותר לפרוש את קווי התקשורת SPI או I²C ישירות אליהם.

בכמה מקרים עדיין משתמשים בחיישנים אנלוגיים, כגון צמדים תרמיים לטמפרטורה גבוהה ומספר חיישני לחץ. במקרים אלה, המיקרו-בקר מתממשק עם ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC‏) באמצעות SPI או I²C במיקום של החיישן ודוגם את החיישן האנלוגי מקומית. זה מונע מפלי מתח על פני קווי חיישנים אנלוגיים ובכך משפר את הדיוק.

ממשק לחיישני SPI ו- I²C מרוחקים

מיקרו-בקר מתקשר עם חיישנים אלה על ידי הגדלת טווח ההגעה של קווי נתונים SPI ו- I²C. עם זאת, I²C מוגבל לטווח של מטר אחד או פחות, ול- SPI יש מגבלות דומות. בנוסף, SPI של דופלקס-מלא דורש ארבעה פינים, כולל בוחר התקנים היקפיים נפרד לכל אחד. כתוצאה מכך, הגעה לארבעה התקנים היקפיים SPI על אפיק דורשת שבעה פינים, ובנוסף כוח והארקה, ובסך הכל תשעה פינים. I²C חצי-דופלקס דורש שני פינים, ובנוסף כוח והארקה, עבור ההתקנים ההיקפיים, ובסך הכל ארבעה קווים. יחד עם זאת, האותות המהירים הרבים מגבירים את ההפרעות האלקטרומגנטיות (EMI), העלולות ליצור ערב-דיבור (Crosstalk‏), וכתוצאה מכך לפגוע בתקינות האותות ובאמינות המערכת.

מה שנדרש הוא פתרון הממזער את חיווט הכוח והנתונים ומפשט את הפעולה תוך שמירה על תאימות עם חיישני I²C ו- SPI קיימים.

כדי לפתור את בעיית החיבור לחיישנים מרוחקים למרחקים ארוכים יותר תוך הפחתת מספר החוטים, Maxim Integrated פיתחה פרוטוקול חד-חוטי המתחבר למרבית חיישני SPI או I²C באמצעות חוט אחד ובנוסף הארקה. הפרוטוקול מקטין את מספר ששת-החוטים של ה- SPI ואת הארבעה המשמשים את ה- I²C לשני חוטים הנושאים הן נתונים והן כוח עד 100 מטר.

יישום חד-חוטי

בעת שימוש בחד-חוטי, לחיישן המרוחק יש גשר תקשורת חד-חוטי הממיר את פרוטוקול החד-חוטי לאותות SPI או I²C תואמים המתממשקים לחיישן. גם הגשר החד-חוטי וגם החיישן מוזנים באופן פרזיטי רק על ידי אותות החד-חוטי ובנוסף קו הארקה. זה מאפשר לנתב אותות חד-חוטי באזורים קטנים, ובכך לחסוך בעלויות הודות לחוט אחד פחות.

בעוד ש- SPI ו- I²C משתמשים באות שעון ייעודי, החד-חוטי משבץ את השעון עם אות הנתונים. SPI פונה לציוד היקפי מסוים באמצעות אות נבחר נפרד לכל התקן היקפי, בעוד ש- I²C משתמש בכתובת אפיק של Bit‏-7‏ המשודרת לאורך קו הנתונים; לשם השוואה, החד-חוטי משתמש בכתובת של Bit‏-56‏ המחווטת לכל גשר תקשורת בודד. תחום כתובות רחב יותר זה לא רק מגדיל את מספר ההתקנים ההיקפיים הייחודיים באפיק, אלא גם משפר את האבטחה בכך שהוא מקשה על התוקף לנחש את הכתובת של התקן היקפי באפיק חד-חוטי.

גודל המילה באפיק התקן היקפי חד-חוטי הוא 8 ביטים. מיקרו-בקר של מארח אפיק חד-חוטי יכול להשתמש בתוכנה (Bit-Banging‏) עבור פרוטוקול החד-חוטי, אך הוא גם נתמך על ידי דוחף UART‏ פשוט. זה מאפשר אפילו למיקרו-בקר של Bit‏-8‏ להיות מארח אפיק חד-חוטי. אפיק חד-חוטי יכול להכיל קו SPI‏ או קו I²C‏, אך לא את שניהם. עקביות זו מונעת קונפליקטים והתנגשויות על האפיק ומפשטת את התכנות עם הפרוטוקול.

פיתרונות חד-חוטיים במציאות

עבור מתכננים המעוניינים להתממשק עם קו היקפי SPI או I²C על פני אפיק חד-חוטי, חברת Maxim Integrated מציעה את גשר I²C/SPI חד-חוטי DS28E18Q+T‏ עם מתזמן פקודות (איור 1).

איור 1: גשר חד-חוטי-ל-I²C/SPI‏ DS28E18Q+T‏ עם מתזמן פקודות מתממשק לאפיק חד-חוטי באמצעות פיני I/O‏ ו- GND‏. (מקור התמונה: Maxim Integrated)

בהתייחס לאיור 1, הספקת-כוח פרזיטית מופקת מהאפיק כאשר ה- IO גבוה וזמין על פין SENS_VDD להזנת התקנים היקפיים. הגשר חוצץ ומתרגם פקודות חד-חוטי לפקודות I²C או SPI המתאימות.

פיני IO ו- GND מתחברים לאפיק חד-חוטי ונשלחים אל הקצה-הקדמי עם מכונת המצבים שלו. כל התקן מזוהה על ידי מזהה ROM של Bit‏-56‏, עם קידומת קוד משפחת חד-חוטי של Bit‏-8‏ המציין את הגירסה של ה- DS28E18Q+T‏. זה מאפשר זיהוי ייחודי של DS28E18Q+T ספציפי על ידי קושחת המיקרו-בקר, ומאפשר לו להיות גמיש דיו כדי להתמודד עם כל שינוי במשפחת ההתקנים. ישנו מספר סידורי ייחודי של Bit‏-48‏ עבור ההתקן עם קוד בדיקת יתירות מחזורית (CRC) של Bit‏-8‏.

הקצה-הקדמי שולח את הנתונים המתורגמים למתזמן הפקודות באמצעות חוצץ פקודה של Byte‏-144‏ הכולל Byte‏-128‏ של נתונים מאפיק ה- IO ו- Byte‏-16‏ עבור שימוש פנימי. מתזמן הפקודות מעבד את הפקודות ויכול לאחסן עד Byte‏-512‏ של פקודות I²C או SPI בחוצץ שלו כדי להישלח מאוחר יותר להתקן ההיקפי במקום לקבל את פקודות העיבוד באפיק החד-חוטי אחת כל פעם.

חוצץ Byte‏-512‏ זה מאפשר גם ל- DS28E18Q+T לתאם את התנהגות הספקת-הכוח הפנימית שלו כך שתזמון התקשורת עם ההתקנים ההיקפיים מאפשר לשמור על הספקת-כוח פרזיטית. מתזמן הפקודות שומר על תזמון זה כאשר הוא שולח הוראות למאסטר I²C/SPI ולבקר GPIO המעבדים את הנתונים כך שהם תואמים לתקני I²C ו- SPI.

קבל חיצוני של 470 ננו-פאראד (nF) מחובר לפין _EXT‏C‏ המשמש כרזרבת הספק עבור DS28E18Q+T במהלך פעולת אפיק חד-חוטי. הספקת-כוח פרזיטית זמינה עבור ההתקנים ההיקפיים המחוברים בפין SENS_VDD‏. עבור פעולת SPI, ארבעת הפינים SS#, MISO, MOSI ו- SCLK מספקים תקשורת דופלקס-מלא להתקנים ההיקפיים המחוברים. פעולת I²C משתמשת רק בשני פינים עם פיני פונקציה חלופיים, SDA ו- SCL. פיני #SS ו- MISO עבור פעולת SPI אינם משמשים לפעולת I²C ולכן יכולים לשמש כ- I/O לשימוש-כללי (GPIO) עם פונקציות חלופיות GPIOA ו- GPIOB. זה מעניק גמישות רבה יותר באמצעותה ניתן להדליק נוריות LED לדיאגנוסטיקה במיקום החיישן או לניהול פיני הגדרת-התצורה בחיישן או ב- ADC כדי לשנות את התנהגות ההתקן.

באמצעות ה- DS28E18Q+T מבית Maxim Integrated‏, UART יחיד על מיקרו-בקר יכול לתקשר על שני חוטים בלבד עם חיישנים רבים על אותות אפיק חד-חוטי ובנוסף הארקה; כל חיישן מחובר ל- DS28E18+T שיכול להיות במרחק של עד 100 מטר. זה יכול להיות שימושי במיוחד עבור מערכות HVAC בהן ניתן לנתב רק שני חוטים דרך תעלת אוויר כדי לנטר טמפרטורה ולחות לכל אורכה בכל פתח. זה משפר את היעילות של המערכת על ידי ניטור אחר נקודות חמות או קרות העלולות להיגרם על ידי חסימות.

פיתוח חד-חוטי

כדי להתחיל בפיתוח עם פרוטוקול חד-חוטי, חברת Maxim Integrated מציעה את מערכת ההערכה #S28E18EVKIT‏. היא מורכבת מלוח פיתוח חומרה (איור 2) ותוכנה.

איור 2: לוח ההערכה #DS28E18EVKIT מבית Maxim‏ מאפשר למפתח לחבר התקנים היקפיים SPI או I²C בקלות לאפיק חד-חוטי. התוכנה הכלולה יכולה לשמש לתכנות וניטור התנהגות האפיק וההתקנים ההיקפיים, כמו גם לסייע ביצירת דוחפי התקני המיקרו-בקר. (מקור התמונה: Maxim Integrated)

לוח ההערכה מאפשר למפתח לתכנת ולנטר את ה- DS28E18Q+T‏. לצורכי פיתוח, הלוח מגיע עם מתאם USB שמחבר את הלוח לנקודת-חיבור USB‏ במחשב Windows. המפתח צריך להוריד ולהריץ את תוכנת ערכת ההערכה #DS28E18EVKIT‏ כדי לסייע בפיתוח. כמוצג בתרשים 3, תוכנת ההערכה מאפשרת תכנות וניטור ה- DS28E18Q+T וההתקנים ההיקפיים המחוברים אליה.

איור 3: תוכנת ההערכה #DS28E18EVKIT מאפשרת למפתח להגדיר את ה- DS28E18Q+T שעל-הלוח באמצעות מתאם USB ולנטר את התנהגותו. את זיכרון מתזמן הפקודות של Byte‏-512‏ ניתן למלא עם נתונים ואז לשלוח אותם להתקנים היקפיים לביצוע פעולות החיישנים. (מקור התמונה: Maxim Integrated)

התוכנה יכולה לשלוח פקודות ללוח ההערכה DS28E18Q+T ולהגדיר אותו עבור התקן היקפי SPI או I²C של היעד. היא יכולה לבחור את תחום הכתובות של ההתקנים ההיקפיים ולמלא את זיכרון מתזמן הפקודות של Byte‏-512‏ עם פקודות לביצוע. התוכנה יכולה גם לסייע בהגדרת התצורה של דוחפי UART עבור מיקרו-בקר המטרה, ולחסוך את המאמץ ללמוד את כל הפרטים של פרוטוקול התקשורת החד-חוטי. המפתח יכול גם להשתמש בלוח ההערכה ביישום משלו, ולחסוך את הזמן והמאמץ בבנייה והגדרת-התצורה של צומת החיישן.

סיכום

ככל שמערכות IoT ו- IIoT מוסיפות יותר חיישנים, החיווט לחיישנים הופך מורכב ויקר יותר, במיוחד ככל שהמרחקים גדלים. העברת הספקת-כוח לחיישנים מוסיפה עוד אתגר היכול לסבך את כינון רשת החיישנים. כפי שהוצג, הפרוטוקול החד-חוטי והחומרה הקשורה מבית Maxim Integrated יכולים להפוך את הממשק לרשת החיישנים לקל ויעיל יותר על ידי הספקת נתונים וכוח באמצעות חוט אחד בלבד ובנוסף הארקה.