著者 Steve Leibson
Electronic Productsの提供
2010-02-26
長年にわたり、組み込みデバイスを相互接続する唯一の実用的な方法はワイヤを使用することであり、有線相互接続方式がたくさんありました。シリコンの進歩と新しいRFプロトコルにより、現在ではデバイスを接続するための幅広いワイヤレス方式があり、実用的にもなりました。実際、非常に多くのワイヤレスの選択肢があり、アプリケーションに適したものを選ぶのは難しいと感じるかもしれません。この記事の簡単な分析が、適切な選択肢をみつける一助になればと思います。
ワイヤレスを選択する際に必要な基準はわずかです。距離、コスト、および消費電力は、おそらくほとんどの設計において最も重要な基準です。距離に関しては、非常に低電力で数メートルほどの通信用に設計されたBluetooth®やZigBee®などのワイヤレスプロトコルから選択できます。 802.11 Wi-Fiプロトコルは数十メートルを簡単に越えて、世界中にデータを伝送できるユビキタスなインターネットインフラストラクチャに直接アクセスします。そして、セルラー無線通信は世界の携帯電話インフラを活用し、無線データを数キロメートルにわたって伝送して最初の携帯電話塔に到達することができます。次の表は、組み込み設計に適したさまざまなワイヤレスプロトコルの基本的な選択基準を示しています。
| 無線規格 | 電力 | 伝送距離 (typ) | データレート | データ配信の 信頼性 |
相対 コスト |
|---|---|---|---|---|---|
| セルラー | 高 | 数十km～最寄りの セルタワー |
14.4kbps～ 3.6Mbps |
高 | 高 |
| Bluetooth | 中 | 1 ～100m | 1～3Mbps | 高 | 中 |
| ISMバンド | 様々 | 様々 | 様々 | 様々 | 様々 |
| 802.11/Wi-Fi | 中 | 100m～数km （ブースタ使用時） |
10～100＋Mbps | 高 | 中 |
| 802.15/ZigBee | 低 | 10～100m | 20～250kbps | 中 | 低 |
| Z-Wave | 低 | 15～150m | 9.6～40kbps | 中 | 低 |
Wi-FiやBluetoothといった無線プロトコルの中には、携帯電話やノートパソコンといった日常生活で使用する製品でおなじみのものもあります。これらの無線プロトコルは、何億台も出荷される消費者向け製品で広く使われているため、日常生活の身近な一部となっており、これらのプロトコルを実装するのに必要なRFモジュールは驚くほど安価になっています。ISMバンド（工業用、科学用、および医療用）のような他の無線プロトコルは、少し説明が必要です。以下は、上記の各無線規格の簡単な概要です。
セルラー： セルラーワイヤレス技術には、携帯電話ネットワークの確立されたインフラ上で音声やデータを伝送するための幅広いプロトコルが含まれます。セルラー規格には、GSM/GPRS、CDMA、HSDPAなどがあります。現在では市販のセルラーワイヤレスモデムを購入し、グローバルなワイヤレス電話システムに素早くデータを取り込むことができます。セルラーワイヤレスモデムは非常に広範囲な伝送が可能なため、遠隔データ収集、遠隔音声通信、その他のモバイル機器や極めて遠隔の機器などのアプリケーションに広く使用されています。高度なセルラー規格の機能とビットレートが向上しているため、ますます多くの組み込みアプリケーションでこの技術を使用できるようになりました。
Bluetooth： 当初、コンパニオンデバイスと携帯電話端末をワイヤレスでリンクするために開発されたBluetoothは、比較的短い通信距離と中程度のデータ帯域幅（1～3Mbps）を必要とする低消費電力アプリケーションにとって有用な無線プロトコルとなりました。広範なデータプロトコルとプロファイルがすでに開発されているため、Bluetooth RFモジュールは組み込みアプリケーションへの統合が比較的容易です。
ISMバンド（産業、科学、医療）： ISMバンドはオープンな周波数帯で、ライセンスなしで使用できます。ISM通信の実際の周波数帯は地域によって異なります。北米では、260～470MHz、902～928MHz、2.4GHzの周波数帯をカバーしています。2.4GHz帯は世界的に免許不要の周波数帯です。ISMバンドは免許不要の無線通信に利用できるため、Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee、Z-Waveなどの標準化された無線プロトコルと、独自の無線プロトコルの両方に使用されることが多くあります。
802.11/WiFi： 最近では、ほとんどすべての人がWi-Fiデータ通信の手軽さとスピードを利用してノートパソコンを使っています。Wi-Fiホットスポットはどこにでもあるようですし、1月15日現在、マクドナルドでは無料で利用できます。Wi-Fiモデムを使えば、組み込み設計にWi-Fiハードウェアを組み込むのが比較的簡単になります。
802.15/ZigBee： IEEE 802.15.4規格は、低データレートの無線パーソナルエリアネットワーク（PAN）用の物理層とメディアアクセス制御を規定しています。ZigBeeは802.15.4規格をベースに、センサとコントローラの中規模から大規模なメッシュネットワークを構築するために設計された無線プロトコルです。
Z-Wave： Z-Waveは、実装が簡単で低速の無線プロトコルとして開発され、壁や床、キャビネットを簡単に通り抜ける信頼性の高い低電力の無線プロトコルを使用して、さまざまな家電機器の相互通信を可能にします。Z-Waveは1つのベンダーによって開発された独自のプロトコルであり、ベンダーからのライセンスが必要ですが、現在、家電製品、窓のシェード、サーモスタット、家庭用照明など、ワイヤレスで接続された「インテリジェント」な製品を製造するZ-Wave Alliance™には160社以上の企業が参加しています。
今後、このシリーズの記事では、組み込みアプリケーションでこれらの無線プロトコルを使用する際のユニークな利点と課題について掘り下げていきます。
著者について
Steve Leibson
Steve Leibsonは、HPおよびCadnetixのシステムエンジニア、EDN誌およびMicroprocessor Report誌の編集長、XilinxおよびCadence（およびその他）の技術ブロガーの経歴があり、「The Next Wave with Leonard Nimoy」の2つのエピソードで技術専門家を務めました。33年にわたり、設計エンジニアがより良く、より速く、より信頼性の高いシステムを開発する手助けをしてきました。
出版者について
Electronic Products
Electronic Products誌およびElectronicProducts.comは、電子機器や電子システムの設計を担当するエンジニアやエンジニアリングマネージャーを支援しています。