Ugyanez érvényes a vezeték nélküli eszközökre is. Az olyan alacsony energiafogyasztású, adatátvitelre alkalmas rádiófrekvenciás protokollok, mint a Bluetooth 4.0, az ANT, valamint az NFC alacsony szinten tartják a teljesítményfelvételt, így hosszabbítják meg a használati időt

Divatossá váltak a hordható elektronikai eszközök. Például a beépített érzékelővel rendelkező sportcipők akár egy iPod-ra továbbítják a futó sebességét, kalóriafelhasználását és az edzés időtartamát; vagy a beépített mobiltelefonokkal és „okosórákkal" rendelkező kabátok segítségével csuklóról lehet fényképeket készíteni. Az ABI Research vállalat előrejelzése szerint a hordható alkalmazások forgalma 2018-ban meghaladja majd a 6 milliárd dollárt. Az intelligens, hordható eszközök értékesítéséből származó forgalom idén akár a 90 millió dollárt is elérheti. A főbb alkalmazási területek közé a sport- és fitneszipar­ágak, az orvostechnika és az egészségügyi technológia, valamint a fitneszaktivitás-követés tartoznak. A szórakoztatás területén nagy növekedés várható az okosórák elterjedésében, a Samsung, a Sony és a Qualcomm Toq vállalatok már elérhetővé tették ilyen eszközeiket. Ezeknek a hordható alkalmazásoknak több mint 90%-a vezeték nélküli technológiát használ az okostelefonokkal, számítógépekkel és egyéb végfelhasználói eszközökkel való kapcsolat megteremtésére. A rádiófrekvenciás protokoll kiválasztásakor a fejlesztőknek a hatótávolság, a sebesség és az adatátviteli sebesség mellett mindenekelőtt az adatátvitel közben felvett teljesítményt kell figyelembe venniük. Ha ez túl magas, egy akkumulátor kapacitása csak rövid ideig elegendő, és jelentős mértékben korlátozza a használhatóságot.

Bluetooth-Low-Energy (BLE, alacsony energiafelhasználású Bluetooth-technológia)

A Bluetooth 4.0-s verziója ilyen energiahatékony rádiófrekvenciás működést valósít meg. E verzió tág lehetőségeket teremt alacsony energiafelhasználású Bluetooth-technológiájú (BLE) energiatakarékos egységek számára. Ezt a protokollt kifejezetten kis adatmennyiségek – vezérlési adatok, kapcsolási parancsok vagy érzékelőértékek – átvitelére fejlesztették ki, és 2,4 GHz-es sávban üzemel. A szélesebb modulációs tartomány miatt az alacsony energiafelhasználású üzemmód a „klasszikus" Bluetooth-protokollal szemben nagyobb hatótávolságot biztosít, lényegesen alacsonyabb energiafogyasztás mellett – legyen szó 0 dBm vagy akár 4 dBm adóteljesítményről. A BLE chipek olyan kevés energiát igényelnek, hogy az áramellátásukat 3 V-os gombelemek is képesek biztosítani. Az alkalmazásoknál gyakran elegendő a „suttogó módban" történő működés.

A Nordic Semiconductor vállalat jelenleg piacvezető SoC nRF51822 chipje esetében az áramfelvétel ebben a módban, az aktív küldés során 5,5 mA. További előnye az adatátvitelkor szolgáltatott nagy sebesség: a chipeknek mindössze 5 ms feléledési időre van szükségük. Az áramfelvétel ezáltal tovább csökkenthető. Ha nincs átvitel, a chipek nyugalmi vagy alvó üzemmódba állnak, hogy ezután rendszeres időközönként, ún. burstjelek számára, ismét feléledjenek.

A BLE adó-vevő készülékek már egészen kis méretben elérhetők. Így kínálja például a Rutronik, a Nordic vállalat nagy teljesítményű és nagy flexibilitású Multiprotokoll-SoC nRF51822 nevű chipjét, ami mindössze 3,5×3,8 mm méretű. Ez olyan hordható alkalmazásoknál használható, mint pl. okosórák, -szemüvegek, -cipők, -karkötők és -ruhadarabok. Az nRF51822 egyetlen áramforrást igényel, és választási lehetőséget kínál a tervező számára egy lineáris, egy chipből álló feszültségszabályozó (1,8–3,6 V), egy közvetlen üzemmód (1,8 V) és egy DC/DC Buck/Boost-átalakító (2,1–3,6 V) között. Ez az átalakító dinamikusan ellenőrizhető üzemelés közben; az áramerősség csúcsértékei 10 mA (3 V) alattiak. Az nRF51822 chip 256 kiB és 128 kiB flash memóriakapacitással vásárolhatóak. Az ingyenes, alacsony energiafelhasználású, a hordható eszközöknél szokásos periféria kommunikációs oldalán működő Bluetooth-protokoll a Nordic vállalatnál az S110 névre hallgat, és bináris formában mindössze csak 80 kiB-ot foglal el a memóriából. A további, kb. 40 kiB, ill. 170 kiB flash memóriát az ügyfelek tényleges alkalmazásaik számára használhatják fel. Ezek feldolgozását a beépített, 16 kiB RAM-mal rendelkező ARM Cortex M0 mikrovezérlő végzi el. További mikrovezérlőre (a 31 beépített, a különböző kivezetésekhez egyénileg hozzárendelhető GPIO-knak, valamint az impulzusszélesség-modulációnak, az analóg-digitális átalakítónak és a további funkcióknak köszönhetően) nincs szükség. Mindez helyet, költséget és energiát takarít meg.

Előny a kompatibilitás

A műszaki paramétereken kívül a rádiófrekvenciás technológia melletti döntés során a piaci fogadtatás is fontos szerepet játszik. Ebből a szempontból a Bluetooth egyértelmű előnyt élvez. A mobiltelefonok, az okostelefonok és a táblagépek már régóta rendelkeznek Bluetooth Smart Ready funkcióval, tehát egy olyan kettős adóvevővel vannak felszerelve, amelyek a klasszikus Bluetooth mellett a BLE-t is támogatják. A Bluetooth technológiával ellátott termékeknek 2014 februárja óta saját megfelelőségi nyilatkozattal kell rendelkezniük, amelyért a tényleges minősítési folyamattól (QDID) függetlenül kell megfizetni. Ez biztosítja azt, hogy a végfelhasználói eszközök közötti adatátvitel a gyártótól, a szoftververziótól és az alkalmazás típusától függetlenül működjön. Ez a kompatibilitás nem csupán a felhasználók előnyére szolgál, hanem döntő mértékben befolyásolja a piaci elterjedést is. Egy termék minden egyes megfelelőségi nyilatkozatáért az adoptáló tagvállalatnak 8000 dollárt kell fizetnie.

A kisebb vállalatoknak és induló vállalkozásoknak az „Innovation Incentive Program"-ba történő sikeres besorolás mindössze 2500 dollárba kerül. A hordható eszközök lehető legolcsóbb, specifikus NF-eszközök, valamint know-how nélküli megvalósítása érdekében a Rutronik beépített protokollokkal rendelkező, tanúsított vezeték nélküli modulokat kínál. A ZigBee Pro vagy a ZigBee IP, valamint AccessPointtal és WiFi-Direct®-tel rendelkező WiFi-technológiákkal kiegészített Bluetooth 4.0 DualMode modulok is elérhetők.

ANT és ANT+

A Bluetooth alternatívájaként saját ANT és ANT+ rádiófrekvenciás hálózati szabványok állnak a nagyon kis energiafogyasztású alkalmazások (ULP) rendelkezésére. A protokoll a BLE-hez hasonlóan a nem engedélyköteles 2,4 GHz-es frekvenciatartományban működik, és még alacsonyabb energiaszintet céloz meg, mint a BLE. Az 1 MHz-es frekvenciacsatorna sávszélessége feleakkora, mint a BLE esetében. Ennek megfelelően az adatok modulációjához kevesebb energia szükséges. Emellett egy frekvenciacsatorna sok, időben felosztott kommunikációs csatornára van osztva úgy, hogy egy ANT-hálózatba akár 64 000 rádiófrekvenciás eszközt is be tudjon fogadni. A ZigBee-től eltérően itt nem különböztetünk meg infrastruktúra-funkciókat, így az egyes ANT-érzékelők ismétlőként és routerként egyaránt működhetnek. Nincs olyan központi vezérlő, ami nélkül a hálózat összeomlana. Mivel az érzékelők a legtöbb időt alvó üzemmódban töltik, a teljes áramfelvétel elvileg nagyon csekély. Az érzékelők kiértékelő készülékekkel költséghatékonyan, rövid távolságok (mintegy 50 méterig) áthidalásával történő összekötése érdekében fejlesztették ki a csupán 15 kiB méretű ANT-ot. Az ANT rádiófrekvenciás technikával felszerelt alkalmazásoknak éppen ezért különösen gyakori felhasználási területe az egészségügy, a távgyógyászat, a sport és a fitnesz területe, valamint a betegek felügyelete. A Bluetooth-technológiával szemben az ANT-technológiát a szinte korlátlan hálózati lehetőségek jellemzik. Az ANT-hálózatok különböző topológiákba rendezhetők, mint például peer-to-peer hálózatok vagy szövevényes (ún. mesh) hálózatok.

Ebben a szegmensben a Dynastream vállalat az N5-ös sorozattal vezetett be a piacra ANT-modulokat, amelyek nagyon kis mérettel rendelkeznek, így még rugalmasabban használhatók. Az N5-család a Nordic nRF51422 chipjén alapul. Ez a chip elvileg azonos felépítésű, mint a már bemutatott nRF51822, azonban képes az ANT-protokoll alkalmazására is. Az ANT-licencdíjak kiegyenlítése már megtörtént a chip, illetve a modul megszerzésével, így ez a technológia a készülékgyártók számára gyakorlatilag ingyenes. A különféle ANT-chipek és -modulok mellett a Rutronik olyan USB stickekkel egészítette ki kínálatát, amelyekre akár az ügyfelek igényeinek megfelelően lehet nyomtatni. Így akár a régebbi laptopok is csatlakoztathatók az ANT-hálózathoz. A modern okostelefonokban és táblagépekben, úgymint a Sony Xperia-sorozat készülékei­ben, valamint a Samsung S4, illetve Galaxy készülékekben az ANT-technológia már megtalálható. Csupán az Apple iPhone készülékek felhasználóinak kell a jelenleg még ingyenesen elérhető ANT-hardverkulcsokat csatlakoztatniuk. Ez azt jelenti, hogy az ANT-infrastruktúra a számítógépek világában hasonló szinten mozog, mint a BLE.

Az alap ANT-protokoll szabványosított profillal, név szerint ANT+-protokollal egészíthető ki. Az így felszerelt hordható eszközök a közelükben lévő egyéb ANT+ készülékekkel hálózatba kapcsolhatók és érzékelőadatokat cserélhetnek egymással. Ez az adatokhoz történő nyilvános hozzáférés teszi lehetővé például egy sportoló számára az edzettségének teljes körű elemzését, mivel a különböző készülékek, úgymint lépésszámláló és pulzusmérő együtt tudnak működni. Az ANT+-protokollt már most is használják számos készülékben. A Samsung például natív funkcióként alkalmazza a protokollt a zászlóshajótermékének számító, Samsung Galaxy S5 készülékben és a Samsung S Health 3.0 egészségügyi alkalmazásban. Az okostelefon-gyártókkal való szoros kapcsolat igazi versenyelőnyt jelenthetne és segíthetné a technológia további terjedését. Az ANT kiváltképpen a kis- és közepes szolgáltatók számára jelent igazi alternatívát a Bluetooth-technológiával szemben.

Két protokoll alkalmazása

Aki rádiófrekvenciás kapcsolaton keresztül szeretné összekötni az érzékelőkkel ellátott, hordható alkalmazását egy okostelefonnal, annak nem muszáj a BLE és az ANT között döntenie. A lehető legnagyobb kompatibilitás érdekében mindkét ULP rádiófrekvenciás protokoll alkalmazható. Ebből semmiféle hátrány sem származik. Az nRF51422, illetve a megfelelő N5-modulok a Nordic összes változatával üzemeltethetők. Az S110-stack periferikus BLE-működésre alkalmas, az S120 BLE-mesterként írja le a működést, az S130 lehetővé teszi mind a négy, úgymint periféria, mester, megfigyelő és sugárzó BLE-üzemmódot. Az S210 jelölés mögött a tiszta ANT-stack húzódik. A két technológia összekötéséhez csupán az S310 stack tartalmát kell az adó-vevőbe másolni. Ez egy­aránt tartalmaz ANT- és BLE-perifériát. Ezenkívül alkalmazni lehet a Gazell nevű, nyílt forrású protokollt, amely a BLE-hez hasonlóan csak kisebb csillagtopológiákhoz alkalmazható. Ez a következőt jelenti: az nRF51-családot kiváló hardverfelépítés jellemzi, és az érett, bevált protokoll-stack révén válik igazi szuperchippé. Azok számára, akik még többet szeretnének mindebből megtapasztalni, a Rutronik ingyenes, műszaki szemináriumi napokat szervez májusban, a Nordic Semiconductor és a Dynastream vállalat támogatómérnökeivel. A középpontban az S210/S310 stack áll.

NFC – Near Field Communication

A nagyon kis távolságokon át történő adatátvitelre a Near Field Communication (rövid hatótávú kommunikáció) technológia nyújt megoldást. Ezzel lehetővé válik például telefonszámok, képek és pozícióadatok, de akár digitális jogosultságok átvitele is az egyik ruhadarabról a másikra, amely során a hordozható eszközök egymáshoz közel kerülnek, vagy rövid időre egymáshoz is érnek.

Hasonlóan egyszerűen működik a rövid hatótávú kommunikáció az elektronikus fizetési folyamatokban, például az okosóra fizetőterminálokhoz tartásakor tömegközlekedési eszközökön, benzinkutakon vagy bevásárlóközpontokban. A készülékek közötti kis távolság a fizetés során nagyban hozzájárul az adatok biztonságos átviteléhez. A rövid hatótávú kommunikáció a néhány centiméternyi, rendkívül kis hatótávolsága és az alacsony adatátviteli sebessége miatt nem tekintendő a Bluetooth- vagy az ANT-technológiák versenytársaként. A hordozható alkalmazások számára mégis érdekes lehetőségeket rejt az energiafogyasztás szempontjából. Az aktív NFC-chipek a kis távolságokon ugyanis nemcsak passzív NFC-címkékkel kommunikálnak, hanem energiát is továbbítanak. Néhány NFC-címke, mint például az ST- és a Panasonic-gyártók címkéi ezzel az energiával akár a mikrovezérlőjüket és néhány kisebb alkalmazást is működtetnek, saját energiaforrás nélkül.

A rövid hatótávú kommunikációra képes chipeket már számos okostelefon tartalmazza. A technológiát már Bluetooth-hangszórókban és -fejhallgatókban és WiFi AccessPointokban is használják. Az NFC segítségével történő bejelentkezési és csatlakozási folyamatokban nincsen szükség jelszó, PIN-kód megadására vagy kézi hálózatválasztásra. A hordozható alkalmazások arra rendeltettek, hogy felváltsák a kulcsokat, tagsági kártyákat vagy különféle igazolványokat és menetjegyeket. Ebből adódik a lehetőség, hogy az adattárolók mind a rövid hatótávú kommunikáció, mind pedig az alkalmazásvezérlők részéről hozzáférhetőek legyenek. Csak akkor valósíthatók meg ilyen „okos" alkalmazások, ha mindkét világ számára ugyanaz az adatmennyiség érhető el. Az STMicroelectronics vállalat ehhez két termékcsaládot kínál az M24SR és az M24LR típusokkal. Ezek főleg hatótávolságban, adatátviteli sebességben és energiagyűjtő képességben különböznek egymástól. Az alkalmazott EEPROM-technológiának köszönhetően csupán a vonzó ár közös bennük: minden készülék kereken 30 centért a „Internet of Things" részét képezi. Az okostelefon NFC-kapcsolatán keresztül nemcsak az internetkapcsolat használható, hanem az érintőképernyő, a mikrofon, a GPS, a hangszóró, valamint a hőmérséklet-, iránytű- és a 3-tengelyes érzékelők is. Ezáltal nincs szükség további alkatrészekre, így az NFC integrációja jelentősen hozzájárul a költségek csökkentéséhez.

A rádiófrekvenciás technológiákban történő fejlesztések azt mutatják, hogy egyre több félvezetőgyártó ismeri fel a hordozható eszközökben rejlő lehetőséget. A jelenlegi tendencia a végfelhasználó számára biztosítható lehető legnagyobb mobilitás érdekében az egyre kisebb és takarékosabb rádiófrekvenciás modulok irányába mutat. Az, hogy a fejlesztők végül mely rádiófrekvenciás technika mellett döntenek, az egyes hordozható alkalmazások képességeitől is függ. Milyen hatótávolságra van szükség? Mekkora a szokásos, átvinni kívánt adatmennyiség? Mennyi energiát emészt fel ez az átvitel? Mennyire kell biztonságosnak lennie az adatátvitelnek? Mennyi memória áll rendelkezésre? Ezekben a kérdésekben nyújt értékes segítséget a Rutronik vállalat beágyazott rendszerek átfogó kínálatához igazított termékeivel. A RUTRONIK EMBEDDED-program keretén belül az ügyfelek az összes szükséges eszközt megkapják az integrált számítógépes rendszerek fejlesztéséhez. A programba tartoznak többek között a vezeték nélküli megoldások, az intelligens érzékelők, a tároló- és megjelenítőeszközök, az intelligens, energiatakarékos rendszerek és a vadonatúj, speciális arckifejezés-felismerő fejlesztések. Specialisták csapatai dolgoznak szorosan együttműködve minden termékterületen, és segítenek kedvező áron és biztonságosan megvalósítani az ügyfelek összes igényét a vezeték nélküli technológia keretein belül. A széles választék segítségével speciális megoldások valósíthatók meg a hordható elektronikus eszközök számára, vagy az M2M, Ipar 4.0 vagy az „Internet of Things" keretein belül.

A Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH honlapja