Sériová komunikace v IoT

Synchronní sériové komunikační protokoly

Protokol SPI

SPI (Serial Peripheral Interface) je synchronní sériový protokol, který umožňuje více zařízením komunikovat mezi sebou na krátké vzdálenosti. Skládá se ze čtyř vodičů – MOSI (Master Out Slave In), MISO (Master In Slave Out), SCK (Serial Clock) a SS (Slave Select).

SPI je široce používán v aplikacích, kde je nezbytný vysokorychlostní přenos dat a jednoduchost. Jednou z jeho klíčových výhod je možnost mít jediné hlavní zařízení komunikující s více podřízenými zařízeními současně, což je ideální pro scénáře vyžadující komunikaci v reálném čase.

Protokol SPI pracuje v plně duplexním režimu, což znamená, že data mohou být přenášena a přijímána současně. Tato obousměrná komunikace umožňuje efektivní výměnu dat mezi zařízeními bez nutnosti složitých procedur handshakingu.

Další pozoruhodnou vlastností SPI je jeho flexibilita, pokud jde o formát dat a rychlost hodin. Protokol umožňuje možnosti přizpůsobení, jako je výběr mezi různými konfiguracemi polarity hodin a fází, což umožňuje kompatibilitu s různými mikrokontroléry a periferiemi.

Kromě toho je SPI přímočará implementace velmi oblíbená mezi návrháři vestavěných systémů. Jeho minimalistický design vyžaduje méně pinů ve srovnání s jinými protokoly jako I2C nebo UART, což šetří cenný prostor na desce v kompaktním provedení.

Protokol SPI nabízí bezkonkurenční všestrannost a efektivitu, pokud jde o synchronní sériovou komunikaci. Díky své schopnosti pro více zařízení, vysokorychlostnímu přenosu dat a snadné implementaci je SPI nadále preferovanou volbou v mnoha průmyslových odvětvích pro bezproblémovou konektivitu mezi zařízeními.

Sériová komunikace I2C

I2C Serial Communication, také známý jako Inter-Integrated Circuit, je široce používaný synchronní sériový protokol v oblasti elektroniky. Byl vyvinut společností Philips Semiconductors (nyní NXP Semiconductors) na počátku 80. let a od té doby se stal standardem pro komunikaci mezi integrovanými obvody.

Jednou z klíčových vlastností I2C je jeho jednoduchost. Používá pouze dva vodiče – jeden pro data (SDA) a jeden pro synchronizaci hodin (SCL). To usnadňuje implementaci a snižuje složitost zapojení.

Kromě své jednoduchosti nabízí I2C flexibilitu, pokud jde o adresování zařízení. Díky podpoře 7bitových i 10bitových režimů adresování může pojmout velký počet zařízení na stejné sběrnici.

Další výhodou I2C je jeho multi-master schopnost. To znamená, že více zařízení může zahájit komunikaci na sběrnici, což umožňuje efektivnější přenos dat ve složitých systémech.

Kromě toho I2C podporuje různé rychlosti přenosu dat v závislosti na požadavcích systému. Může pracovat rychlostí od několika kilobitů za sekundu až po několik megabitů za sekundu.

I2C Serial Communication poskytuje efektivní a všestranné řešení pro propojení integrovaných obvodů v elektronických systémech. Jeho jednoduchost, flexibilita, schopnost více masterů a variabilní rychlost přenosu dat z něj činí ideální volbu pro různé aplikace napříč průmyslovými odvětvími, jako je spotřební elektronika a automobilová technika.

USB

USB (Universal Serial Bus) je široce používaný synchronní sériový protokol, který umožňuje zařízením propojovat se a komunikovat mezi sebou. Stala se standardem pro připojení periferních zařízení, jako jsou klávesnice, myši, tiskárny a externí paměťová zařízení k počítačům.

Jednou z klíčových výhod USB je jeho všestrannost. Podporuje přenosové rychlosti dat v rozmezí od 1,5 Mbps (USB 1.0) do 20 Gbps (USB 3.2). Díky tomu je vhodný pro širokou škálu aplikací, od jednoduchých datových přenosů až po vysokorychlostní streamování multimédií.

Další výhodou USB je jeho plug-and-play schopnost. Zařízení lze vyměnit za provozu bez nutnosti restartování nebo překonfigurování počítače. Toto pohodlí usnadňuje přidávání nebo odebírání zařízení na cestách bez jakýchkoli potíží.

USB také poskytuje napájení přes své kabely, což eliminuje potřebu samostatných napájecích adaptérů pro mnoho zařízení. Tato funkce zjednodušuje správu kabelů a snižuje nepořádek na stolech nebo pracovních stanicích.

Díky různým typům dostupných USB konektorů – Type-A, Type-B, Mini-USB a Micro-USB – se kompatibilita mezi zařízeními postupem času výrazně zlepšila.

USB způsobilo revoluci ve způsobu připojení a interakce s naším digitálním světem tím, že poskytuje rychlé a spolehlivé komunikační rozhraní mezi různými elektronickými zařízeními!

CAN

CAN (Controller Area Network) je synchronní sériový komunikační protokol, který byl původně navržen pro použití v automobilovém průmyslu. Od té doby našel uplatnění v různých dalších průmyslových odvětvích, včetně průmyslové automatizace a lékařských zařízení.

Jednou z klíčových vlastností CAN je jeho schopnost podporovat více uzlů v jedné síti. To znamená, že více zařízení může mezi sebou komunikovat současně, bez jakéhokoli centrálního ovladače nebo hlavního uzlu. Každé zařízení připojené k síti má stejný přístup k odesílání a přijímání dat.

CAN používá schéma diferenciální signalizace, které pomáhá snížit šum a zlepšit integritu signálu na dlouhé vzdálenosti. Díky tomu je zvláště vhodný pro drsná prostředí, kde může docházet k elektromagnetickému rušení.

Dalším důležitým aspektem CAN je jeho detekce chyb a mechanismy odolnosti proti chybám. Využívá techniku ​​naplňování bitů k zajištění synchronizace mezi odesílatelem a přijímačem a také kódy CRC (Cyclic Redundancy Check) pro detekci chyb.

CAN je robustní a spolehlivý protokol, který nabízí vysokorychlostní komunikaci s nízkou latencí. Jeho široké přijetí v různých průmyslových odvětvích vypovídá o jeho účinnosti a všestrannosti v různých aplikacích.

Microwire

V neposlední řadě prozkoumáme synchronní sériový protokol Microwire. Microwire, vyvinutý společností National Semiconductor (nyní Texas Instruments), je jednoduchý a účinný komunikační protokol běžně používaný v aplikacích, které vyžadují nízký počet pinů a nízkou spotřebu energie.

Podobně jako u SPI používá Microwire architekturu master-slave, kde hlavní zařízení zahajuje a řídí komunikaci s jedním nebo více podřízenými zařízeními. Pro přenos využívá tři vodiče: hodiny, data in a data out.

Jednou z definujících vlastností Microwire je jeho struktura založená na posuvném registru. Data jsou přenášena bit po bitu pomocí mechanismu posuvného registru, což umožňuje přesnou kontrolu nad načasováním a synchronizaci mezi zařízeními.

Díky svému kompaktnímu designu a jednoduché implementaci našel Microwire široké použití v různých průmyslových odvětvích, včetně automobilové elektroniky, telekomunikačních zařízení, průmyslových automatizačních systémů a dalších.

Asynchronní sériové komunikační protokoly

Rozhraní RS232:

Pokud jde o asynchronní komunikační protokoly, zvláštní místo v historii zaujímá protokol RS232. Vyvinutý Electronic Industries Association (EIA) v polovině 60. let minulého století byl jednou z prvních standardizovaných metod sériového přenosu dat.

Kouzlo RS232 spočívá v jeho jednoduchosti a všestrannosti. Využívá jednokoncové signalizační schéma, kde napěťové úrovně představují binární data. Díky širokému uplatnění v různých průmyslových odvětvích se tento protokol stal synonymem pro samotnou sériovou komunikaci.

Jednou z klíčových výhod RS232 je jeho schopnost přenášet data na velké vzdálenosti bez výrazné degradace signálu. Díky tomu je ideální pro připojení zařízení, která jsou fyzicky daleko od sebe nebo se nacházejí v různých oblastech v rámci budovy.

Jak se však technologie vyvíjela a byly nutné vyšší rychlosti, RS232 čelilo omezením kvůli faktorům, jako je omezené pokrytí vzdálenosti a rušení signálu. Ale nebojte se! Odkaz RS232 žije dál díky novějším rozhraním, jako jsou adaptéry USB-RS232, které překlenují propast mezi moderními zařízeními a jejich historickými protějšky.

Přestože je dnes skromný, ale robustní protokol RS232 zastíněn pokročilejšími protokoly, vydláždil cestu pro budoucí inovace v asynchronní komunikaci. Její dopad je stále vidět i v našem moderním propojeném světě – dokazuje, že jednoduchost někdy skutečně obstojí ve zkoušce času!

Rozhraní RS422

Rozhraní RS422 je další populární asynchronní komunikační protokol běžně používaný v průmyslových aplikacích. Je určen pro přenos dat na dlouhé vzdálenosti a nabízí vylepšenou odolnost proti šumu ve srovnání se svým předchůdcem, protokolem RS232.

Jednou z klíčových výhod rozhraní RS422 je jeho schopnost podporovat plně duplexní komunikaci, což znamená, že data mohou být přenášena současně v obou směrech. Díky tomu je ideální pro aplikace, kde je zásadní přenos dat v reálném čase a obousměrný přenos.

Z hlediska hardwarových požadavků používá RS422 diferenciální signalizaci, což znamená, že vyžaduje dva signálové vodiče pro každý směr komunikace. To pomáhá minimalizovat zkreslení signálu a zvýšit spolehlivost na dlouhé vzdálenosti.

Rozhraní RS422 navíc podporuje konfigurace s více kapkami, což umožňuje připojení více zařízení na jednu sběrnici. Každé zařízení má přiřazenu jedinečnou adresu, aby spolu mohly komunikovat bez rušení.

Rozhraní RS422 nabízí spolehlivou a efektivní komunikaci pro různé průmyslové aplikace, které vyžadují přenos dat na velkou vzdálenost a obousměrnou komunikaci v reálném čase. Díky své odolnosti vůči šumu je vhodný do náročných prostředí, kde může často docházet k elektromagnetickému rušení.

Rozhraní RS485

Protokol RS485 je standard pro sériovou komunikaci, který umožňuje více zařízením komunikovat na dlouhé vzdálenosti pomocí vyvážené diferenciální signalizace. Podporuje rychlost přenosu dat až 10 Mbps a dokáže pokrýt vzdálenosti až 1200 metrů.

Jednou z klíčových výhod RS485 je jeho schopnost podporovat vícebodovou komunikaci, což umožňuje připojení více zařízení na jednu sběrnici. Díky tomu je ideální volbou pro aplikace, jako jsou systémy průmyslové automatizace, automatizace budov a v některých případech dokonce i síťové propojení.

Na rozdíl od rozhraní RS232 a RS422, která používají spojení point-to-point, rozhraní RS485 používá konfiguraci multidrop, kde několik zařízení sdílí společnou dvoudrátovou sběrnici. Každé zařízení má svou vlastní jedinečnou adresu, takže zprávy mohou být směrovány specificky na jedno zařízení nebo vysílat do všech zařízení na sběrnici.

Další výhodou rozhraní RS485 je jeho robustnost proti rušení šumem. Diferenciální signalizace použitá v tomto protokolu pomáhá minimalizovat účinky elektromagnetického rušení (EMI) a poskytuje lepší odolnost v hlučném prostředí ve srovnání s jinými protokoly, jako je RS232 nebo dokonce Ethernet.

Proč je sériová komunikace v IoT důležitá?

Sériová komunikace slouží jako páteř konektivity IoT a umožňuje zařízením vyměňovat si data efektivně a efektivně. Proč je ale sériová komunikace ve světě IoT tak zásadní?

Sériová komunikace umožňuje bezproblémovou konektivitu mezi zařízeními. V ekosystému internetu věcí, kde mnoho zařízení musí vzájemně interagovat, se spolehlivý a standardizovaný způsob přenosu dat stává nezbytným. Sériové protokoly to usnadňují tím, že poskytují společný jazyk, který zajišťuje kompatibilitu a interoperabilitu mezi různými zařízeními.

Sériová komunikace nabízí možnosti přenosu dat v reálném čase. Mnoho aplikací IoT vyžaduje okamžitou odezvu pro úkoly, jako je monitorování senzorů nebo ovládání akčních členů. Sériové protokoly umožňují rychlý a nepřetržitý přenos dat mezi zařízeními a zajišťují včasné provádění akcí na základě příchozích informací.

Sériová komunikace se navíc může pochlubit jednoduchostí a hospodárností. Ve srovnání s jinými komplexními síťovými metodami, jako je Ethernet nebo Wi-Fi, sériová připojení často zahrnují méně komponent a jednodušší nastavení. Díky tomu jsou přístupnější pro malé projekty nebo zařízení s nízkou spotřebou a omezenými zdroji.

Sériová komunikace navíc poskytuje odolnost v náročných prostředích. Na rozdíl od bezdrátových přenosů, které mohou být za určitých podmínek náchylné k rušení nebo ztrátě signálu, kabelová sériová připojení nabízejí větší stabilitu a spolehlivost i v náročných průmyslových podmínkách nebo oblastech s vysokým elektromagnetickým rušením.

Důležitost sériové komunikace v IoT nelze přeceňovat – tvoří základ, na kterém závisí úspěšná konektivita zařízení. Výběr správného protokolu je zásadní pro dosažení optimálního výkonu v rámci vaší síťové architektury IoT, protože usnadňuje bezproblémovou interakci mezi různými zařízeními a zároveň nabízí možnosti přenosu dat v reálném čase za nižší náklady než alternativní metody.

@misc{fiberroadSerialCommunication,
	author = {},
	title = {{S}erial {C}ommunication in {I}o{T}: {C}hoosing the {R}ight {P}rotocol for {S}eamless {D}evice {C}onnectivity --- fiberroad.com},
	howpublished = {\url{https://fiberroad.com/resources/glossary/serial-communcation-in-iot/}},
	year = {},
	note = {[Accessed 28-02-2025]},
}