Utilizați modulele wireless cu protocoale multiple pentru a simplifica proiectarea și certificarea produselor IoT

Conectivitatea wireless permite proiectanților să transforme produsele neinteligente în elemente inteligente, integrate în Internetul lucrurilor (IoT), care pot trimite date în cloud pentru analize bazate pe inteligența artificială (AI), permițând în același timp dispozitivelor să primească instrucțiuni over-the-air (OTA), actualizări de firmware și îmbunătățiri de securitate.

Dar adăugarea unei legături wireless la un produs nu este ceva banal. Înainte de a începe faza de proiectare, proiectanții trebuie să aleagă un protocol wireless, ceea ce poate fi descurajant. De exemplu, mai multe standarde wireless funcționează în spectrul popular, fără licență, de 2,4 gigahertzi (GHz). Fiecare dintre aceste standarde reprezintă un compromis în ceea ce privește raza de acțiune, randamentul și consumul de energie. Selectarea celui mai bun pentru o anumită aplicație necesită o evaluare atentă a cerințelor acesteia în raport cu caracteristicile unui protocol.

Apoi, chiar și în cazul emițătoarelor-receptoarelor moderne foarte integrate, proiectarea circuitului de radiofrecvență (RF) reprezintă o provocare pentru multe echipe de proiectare, ceea ce duce la depășiri de costuri și de termene. În plus, un produs RF va trebui să fie certificat pentru funcționare, ceea ce poate fi în sine un proces implicat, complex și care durează mult timp.

O soluție este de a baza proiectarea pe un modul certificat care utilizează un sistem pe cip (SoC) cu protocoale multiple. Acest lucru elimină complexitatea proiectării RF cu componente discrete și permite flexibilitate în alegerea protocolului wireless. Această abordare modulară oferă proiectanților o soluție wireless cu conectare directă, ceea ce face mult mai ușoară integrarea conectivității wireless în produse și obținerea certificării.

Acest articol ia în considerare beneficiile conectivității wireless, analizează punctele forte ale unor protocoale wireless cheie de 2,4 GHz, analizează pe scurt problemele de proiectare hardware și prezintă un modul RF potrivit de la Würth Elektronik. De asemenea, articolul discută procesul de certificare necesar pentru a respecta reglementările globale, ia în considerare dezvoltarea software-ului de aplicații și prezintă un kit de dezvoltare software (SDK) pentru a-i ajuta pe proiectanți să înceapă utilizarea modulului.

Avantajele emițătoarelor-receptoarelor cu protocoale multiple

Nu există un singur sector wireless cu rază scurtă de acțiune care să domine, deoarece fiecare dintre ele face compromisuri pentru a satisface aplicațiile țintă. De exemplu, o rază de acțiune și/sau un randament mai mare se obține cu prețul unui consum mai mare de energie. Alți factori importanți care trebuie luați în considerare sunt imunitatea la interferențe, capacitatea de interconectare în rețea și interoperabilitatea cu protocolul de internet (IP).

Dintre diferitele tehnologii wireless cu rază scurtă de acțiune, există trei lideri clari: Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE), Zigbee și Thread. Acestea au unele asemănări datorită unui ADN comun din specificația IEEE 802.15.4. Această specificație descrie straturile fizice (PHY) și de control al accesului la media (MAC) pentru rețelele personale wireless cu viteză redusă de transfer de date (WPAN). În general, tehnologiile funcționează la 2,4 GHz, deși există unele variante sub-GHz ale Zigbee.

Bluetooth LE este potrivit pentru aplicațiile IoT, cum ar fi senzorii de casă inteligenți, în cazul cărora ratele de transmisie a datelor sunt modeste și se produc rar (Figura 1). Interoperabilitatea Bluetooth LE cu cipurile Bluetooth găzduite de majoritatea smartphone-urilor reprezintă, de asemenea, un mare avantaj pentru aplicațiile orientate către consumatori, cum ar fi dispozitivele purtabile. Principalele dezavantaje ale acestei tehnologii sunt necesitatea de a avea un gateway scump și consumator de energie pentru conectarea la cloud și capacitățile de rețea de tip mesh.

Figura 1: Bluetooth LE se potrivește bine pentru senzorii de casă inteligenți, cum ar fi camerele și termostatele. Interoperabilitatea acesteia cu smartphone-urile simplifică configurarea produselor compatibile. (Sursă imagine: Nordic Semiconductor)

Zigbee este, de asemenea, o alegere bună pentru aplicațiile cu consum redus de energie și randament redus din automatizarea industrială, comercială și rezidențială. Randamentul său este mai mic decât cel al Bluetooth LE, în timp ce raza de acțiune și consumul de energie sunt similare. Zigbee nu este interoperabil cu smartphone-urile și nici nu oferă o capacitate IP nativă. Un avantaj cheie al Zigbee este faptul că a fost conceput de la zero pentru rețele mesh.

Thread, ca și Zigbee, funcționează cu ajutorul IEEE 802.15.4 PHY și MAC și a fost proiectat pentru a accepta rețele mesh mari de până la 250 de dispozitive. Thread se deosebește de Zigbee prin utilizarea 6LoWPAN (o combinație de IPv6 și WPAN-uri de mică putere), ceea ce simplifică conectivitatea cu alte dispozitive și cu cloud-ul, deși prin intermediul unui dispozitiv periferic numit „border router”. (Consultați „Un scurt ghid despre ceea ce contează în tehnologiile wireless cu rază scurtă de acțiune”.)

În timp ce protocoalele bazate pe standarde domină, există încă o nișă pentru protocoalele brevetate de 2,4 GHz. Deși limitează conectivitatea cu alte dispozitive echipate cu cipul aceluiași producător, astfel de protocoale pot fi reglate fin pentru a optimiza consumul de energie, raza de acțiune, imunitatea la interferențe sau alți parametri de funcționare importanți. Un IEEE 802.15.4 pentru PHY și un MAC este perfect capabil să accepte tehnologia wireless brevetată de 2,4 GHz.

Popularitatea acestor trei protocoale cu rază scurtă de acțiune și flexibilitatea oferită de tehnologia brevetată de 2,4 GHz face dificilă alegerea celui mai potrivit pentru cel mai amplu set de aplicații. Anterior, un proiectant trebuia să aleagă o tehnologie wireless și apoi să reproiecteze produsul în cazul în care exista o cerere pentru o variantă care folosea un protocol diferit. Dar, deoarece protocoalele utilizează PHY-uri bazate pe o arhitectură similară și funcționează în spectrul de 2,4 GHz, mulți furnizori de siliciu oferă emițătoare-receptoare cu protocoale multiple.

Aceste cipuri permit reconfigurarea unui singur proiect hardware pentru mai multe protocoale prin simpla încărcare a unui software nou. Mai mult, produsul ar putea fi livrat cu mai multe stive de software, iar comutarea între fiecare dintre ele ar putea fi supravegheată de o unitate de microcontroler (MCU). Acest lucru ar putea permite, de exemplu, ca Bluetooth LE să fie utilizat pentru a configura un termostat inteligent pentru casă de pe un smartphone înainte ca dispozitivul să schimbe protocoalele pentru a se alătura unei rețele Thread.

SoC-ul nRF52840 de la Nordic Semiconductor acceptă Bluetooth LE, Bluetooth mesh, Thread, Zigbee, IEEE 802.15.4, ANT+ și stive brevetate de 2,4 GHz. SoC-ul Nordic integrează și un MCU Arm® Cortex®-M4 – care se ocupă de protocolul RF și de software-ul aplicației – precum și 1 megaoctet (Mbyte) de memorie flash și 256 kiloocteți (Kbyte) de memorie RAM. Atunci când rulează în modul Bluetooth LE, SoC-ul oferă un randament maxim de date brute de 2 megabiți pe secundă (Mbit/s). Consumul de curent de transmisie de la sursa de intrare de 3 volți c.c. este de 5,3 miliamperi (mA) la o putere de ieșire de 0 decibeli raportată la 1 miliwatt (dBm), iar consumul de curent de recepție (RX) este de 6,4 mA la o rată de date brute de 1 Mbit/s. Puterea maximă de transmisie a nRF52840 este de +8 dBm, iar sensibilitatea sa este de -96 dBm (Bluetooth LE la 1 Mbit/s).

Importanța unei bune proiectări RF

În timp ce SoC-urile wireless, cum ar fi nRF52840 de la Nordic, sunt dispozitive foarte capabile, acestea necesită totuși o abilitate de proiectare considerabilă pentru a maximiza performanța RF. În special, inginerul trebuie să ia în considerare factori precum filtrarea sursei de alimentare, circuitele de sincronizare a cristalului extern, proiectarea și amplasarea antenei și, în mod crucial, adaptarea impedanței.

Parametrul cheie care diferențiază un circuit RF bun de unul slab este impedanța (Z). La frecvențe înalte, cum ar fi 2,4 GHz utilizate de un radio cu rază scurtă de acțiune, impedanța într-un anumit punct al unui traseu RF este legată de impedanța caracteristică a traseului respectiv, care, la rândul ei, depinde de substratul plăcii de circuite imprimate (PC), de dimensiunile traseului, de distanța față de sarcină și de impedanța sarcinii.

Se pare că atunci când impedanța de sarcină – care pentru un sistem de transmisie va fi antena, iar pentru un sistem de recepție este SoC-ul emițătorului-receptorului – este egală cu impedanța caracteristică, impedanța măsurată rămâne aceeași la orice distanță de-a lungul traseului față de sarcină. Ca urmare, pierderile de pe linie sunt reduse la minimum, iar puterea maximă este transferată de la emițător la antenă, sporind astfel robustețea și raza de acțiune. Aceasta face ca o bună practică de proiectare să fie construirea unei rețele potrivite care să garanteze că impedanța unui dispozitiv RF este egală cu impedanța caracteristică a traseului plăcii PCB. (Consultați „SoC-urile și instrumentele Bluetooth 4.1, 4.2 și 5 compatibile cu Bluetooth Low Energy răspund provocărilor IoT (Partea 2)”.)

Rețeaua potrivită cuprinde unul sau mai multe inductoare de șuntare și condensatoare de serie. Provocarea proiectantului este de a alege cea mai bună topologie a rețelei și cele mai bune valori ale componentelor. De multe ori, producătorii oferă software de simulare pentru a ajuta la proiectarea circuitelor potrivite, dar chiar și după respectarea unor reguli de proiectare bune, circuitul rezultat poate prezenta adesea performanțe RF dezamăgitoare, fiind lipsit de rază de acțiune și fiabilitate. Acest lucru conduce la mai multe iterații de proiectare pentru revizuirea rețelei potrivite (Figura 2).

Figura 2: Nordic nRF52840 necesită circuite externe pentru a-i exploata funcționalitatea. Circuitele externe includ filtrarea tensiunii de intrare, suport pentru sincronizarea externă a cristalului și, conectat la pinul de antenă (ANT) al SoC, circuite de adaptare a impedanței între SoC și o antenă. (Sursă imagine: Nordic Semiconductor)

Avantajele unui modul

Proiectarea unui circuit wireless cu rază scurtă de acțiune folosind componente discrete prezintă unele avantaje, în special costuri mai mici ale listei de materiale (BoM) și economii de spațiu. Cu toate acestea, chiar dacă proiectantul urmează unul dintre numeroasele modele de referință excelente ale furnizorilor de SoC, alți factori – cum ar fi calitatea și toleranțele componentelor, caracteristicile de dispunere a plăcii și ale substratului și ambalarea dispozitivului final – pot afecta în mod dramatic performanța RF.

O abordare alternativă este de a baza conectivitatea wireless pe un modul terț. Modulele sunt soluții complet asamblate, optimizate și testate, care permit conectivitatea wireless directă. În cele mai multe cazuri, modulul va fi deja certificat pentru utilizare pe piețele globale, economisind astfel timpul și banii de care proiectantul are nevoie pentru a trece de certificarea reglementărilor RF.

Există unele dezavantaje în ceea ce privește utilizarea modulelor. Printre acestea se numără creșterea cheltuielilor (în funcție de volum), dimensiunea mai mare a produsului final, dependența de un singur furnizor și de capacitatea acestuia de a livra în masă și (uneori) un număr redus de pini accesibili în raport cu SoC-ul pe care se bazează modulul. Dar dacă simplitatea proiectării și timpul mai scurt de lansare pe piață sunt mai importante decât aceste dezavantaje, atunci un modul este soluția.

Un exemplu care utilizează Nordic nRF52840 la bază este modulul radio Setebos-I 2,4 GHz 2611011024020 de la Würth Elektronik. Modulul compact măsoară 12 × 8 × 2 milimetri (mm), are o antenă încorporată, un capac pentru a reduce la minimum interferențele electromagnetice (EMI) și este prevăzut cu firmware pentru a accepta Bluetooth 5.1, precum și protocoale brevetate de 2,4 GHz (Figura 3). După cum s-a descris mai sus, SoC-ul din inima modulului este, de asemenea, capabil să accepte Thread și Zigbee – cu adăugarea firmware-ului adecvat.

Figura 3: Modulul radio Setebos-I de 2,4 GHz are un factor de formă compact, are o antenă încorporată și este prevăzut cu un capac pentru a limita EMI. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Modulul acceptă o intrare de la 1,8 la 3,6 volți, iar când se află în modul de veghe, consumă doar 0,4 microamperi (µA). Frecvența sa de operare acoperă banda ISM (Industrial, științific și medical), care este centrată pe 2,44 GHz (2,402 - 2,480 GHz). În condiții ideale, cu o putere de ieșire de 0 dBm, raza de vizibilitate între emițător și receptor este de până la 600 de metri (m), iar randamentul maxim al Bluetooth LE este de 2 Mbit/s. Modulul este prevăzut cu o antenă încorporată cu o lungime de un sfert de undă (3,13 centimetri (cm)), dar creșterea razei de acțiune prin conectarea unei antene externe la terminalul ANT menționat anterior de pe modul este posibilă (Figura 4).

Figura 4: Modulul radio Setebos-I de 2,4 GHz include un pin pentru o antenă externă (ANT) pentru extinderea razei de acțiune a radioului. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Modulul radio Setebos-I oferă acces la pinii SoC-ului nRF52840 prin intermediul plăcuțelor de lipit. Tabelul 1 enumeră funcția fiecărui pin al modulului. Pinii de la „B2” la „B6” sunt GPIO-uri programabile care sunt utile pentru conectarea senzorilor, cum ar fi dispozitivele de temperatură, umiditate și calitate a aerului.

Tabelul 1: Sunt prezentate denumirile pinilor modulului radio Setebos-I de 2,4 GHz. Ieșirile ledurilor pot fi utilizate pentru a indica transmisia și recepția radio. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Certificarea produselor wireless cu rază scurtă de acțiune

Deși banda de 2,4 GHz este o alocare de spectru fără licență, dispozitivele radio care funcționează în această bandă încă trebuie să respecte reglementările locale, cum ar fi cele dictate de Comisia Federală de Comunicații din SUA (FCC), Declarația Europeană de Conformitate (CE) sau Centrul de Inginerie a Telecomunicațiilor (TELEC) din Japonia. Pentru a trece de aceste reglementări, este necesar ca produsul să fie supus testării și certificării, ceea ce poate necesita timp și costuri ridicate. În cazul în care produsul cu radiofrecvență nu reușește să treacă orice parte a testului, trebuie să se facă o solicitare complet nouă. În cazul în care modulul va fi utilizat în modul Bluetooth, acesta va avea nevoie, de asemenea, de o listă Bluetooth de la Bluetooth Special Interest Group (SIG).

Certificarea modulului nu conferă în mod automat certificarea produsului final care utilizează modulul. Dar, de obicei, certificarea produselor finale devine mai degrabă un exercițiu birocratic decât o sarcină de retestare extinsă – cu condiția ca acestea să nu utilizeze dispozitive wireless suplimentare, cum ar fi Wi-Fi. Același lucru este valabil, în general, și pentru obținerea listării Bluetooth. Odată certificate, produsele care utilizează modulul poartă o etichetă care indică FCC, CE și alte numere de identificare relevante (Figura 5).

Figura 5: Exemplu de etichetă de identificare aplicată pe modulul Setebos-I pentru a arăta că a trecut certificarea CE și FCC RF. Certificarea poate fi moștenită, în general, de către produsul final, fără a fi nevoie de o nouă testare, prin intermediul unor documente simple. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Producătorii de module se străduiesc de obicei să obțină certificarea RF (și, dacă este cazul, listarea Bluetooth) pentru modulele lor în regiunile în care intenționează să vândă produsele. Würth Elektronik a făcut acest lucru pentru modulul radio Setebos-I, deși trebuie utilizat cu firmware-ul din fabrică. În cazul funcționării Bluetooth, modulul este pre-certificat, cu condiția să fie utilizat cu stiva de fabrică S140 Bluetooth LE de la Nordic sau cu o stivă furnizată prin intermediul kitului de dezvoltare software nRF Connect SDK al companiei.

Firmware-ul Würth și Nordic este robust și dovedit pentru orice aplicație. Dar dacă proiectantul decide să reprogrameze modulul fie cu o stivă brevetată Bluetooth LE sau 2,4 GHz de standard deschis, fie cu o stivă de la un furnizor comercial alternativ, va trebui să înceapă programele de certificare de la zero pentru regiunile în care se dorește să funcționeze modulul.

Instrumente de dezvoltare pentru modulul radio Setebos-I

Pentru dezvoltatorii avansați, nRF Connect SDK de la Nordic oferă un instrument de proiectare cuprinzător pentru crearea de software de aplicații pentru SoC nRF52840. Extensia nRF Connect pentru VS Code este mediul de dezvoltare integrat (IDE) recomandat pentru a rula SDK-ul nRF Connect. De asemenea, este posibil să se utilizeze SDK-ul nRF Connect pentru a încărca un protocol alternativ Bluetooth LE sau un protocol brevetat de 2,4 GHz în nRF52840. (Consultați comentariile de mai sus cu privire la impactul pe care acest lucru îl are asupra certificării modulelor.)

SDK-ul nRF Connect funcționează cu kitul de dezvoltare nRF52840 DK (Figura 6). Echipamentul hardware dispune de SoC nRF52840 și susține dezvoltarea și testarea prototipurilor de cod. Odată ce software-ul de aplicație este gata, nRF52840 DK poate acționa ca un programator J-LINK pentru a porta codul în memoria flash a modulului radio Setebos-I nRF52840 prin intermediul pinilor „SWDCLK” și „SWDIO” ai modulului.

Figura 6: nRF52840 DK de la Nordic poate fi utilizat pentru dezvoltarea și testarea software-ului de aplicație. Kitul de dezvoltare poate fi apoi utilizat pentru a programa alte SoC-uri nRF52840, cum ar fi cel utilizat pe modulul Setebos-I. (Sursă imagine: Nordic Semiconductor)

Software-ul de aplicație construit cu ajutorul instrumentelor de dezvoltare Nordic este proiectat pentru a rula pe MCU Arm Cortex-M4 încorporat în nRF52840. Dar, s-ar putea ca produsul final să fie deja echipat cu alt MCU, iar dezvoltatorul să dorească să îl folosească pentru a rula codul aplicației și a supraveghea conectivitatea wireless. Sau, dezvoltatorul ar putea fi mai familiarizat cu instrumentele de dezvoltare pentru alte microprocesoare gazdă populare, cum ar fi STM32F429ZIY6TR de la STMicroelectronics. Acest procesor se bazează, de asemenea, pe un nucleu Arm Cortex-M4.

Pentru a permite unui microprocesor gazdă extern să ruleze software de aplicație și să supravegheze SoC-ul nRF52840, Würth Elektronik oferă SDK-ul său de conectivitate wireless. SDK este un set de instrumente software care permit integrarea rapidă a modulelor wireless ale companiei cu multe procesoare populare, inclusiv cu cipul STM32F429ZIY6TR. SDK constă în drivere și exemple în C care utilizează perifericele UART, SPI sau USB ale platformei de bază pentru a comunica cu dispozitivul radio atașat (Figura 7). Dezvoltatorul pur și simplu portează codul C SDK pe procesorul gazdă. Acest lucru reduce în mod considerabil timpul necesar pentru proiectarea unei interfețe software pentru modulul radio.

Figura 7: Driverul SDK pentru conectivitatea wireless permite dezvoltatorilor să controleze cu ușurință modulul radio Setebos-I prin intermediul unui port UART folosind un microprocesor gazdă extern. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Modulul radio Setebos-I utilizează o „interfață de comandă” pentru sarcinile de configurare și operare. Această interfață oferă până la 30 de comenzi care îndeplinesc sarcini cum ar fi actualizarea diferitelor setări ale dispozitivului, transmiterea și primirea de date și trecerea modulului într-unul dintre numeroase moduri de consum redus de energie. Dispozitivul radio conectat trebuie să funcționeze în modul de comandă pentru a utiliza SDK-ul pentru conectivitate wireless.

Concluzie

Alegerea unui singur protocol wireless pentru un produs conectat poate fi dificilă, iar proiectarea circuitului radio de la zero chiar mai dificilă. Un modul radio precum Setebos-I de la Würth Elektronik nu numai că oferă flexibilitate în alegerea protocolului, dar oferă și o soluție de conectivitate directă care îndeplinește cerințele de reglementare din diferite regiuni de operare. Modulul Sebetos-1 este livrat cu SDK-ul de conectivitate wireless de la Würth, care permite dezvoltatorilor să controleze simplu și rapid modulul, folosind un MCU gazdă ales de ei.