Brug trådløse multiprotokol-moduler til at forenkle IoT-produktdesign og -certificering

Trådløs forbindelse giver designere mulighed for at forvandle dumme produkter til smarte, integrerede elementer i Internet of Things (IoT), der kan sende data til skyen for kunstig intelligens (AI)-baseret analyse, samtidig med at enhederne kan modtage over-the-air (OTA)-instruktioner, firmwareopdateringer og sikkerhedsforbedringer.

Men det er ikke trivielt at tilføje et trådløst link til et produkt. Før designfasen overhovedet kan begynde, skal designerne vælge en trådløs protokol, hvilket kan være skræmmende. For eksempel opererer flere trådløse standarder i det populære, licensfrie 2,4 gigahertz (GHz)-spektrum. Hver af disse standarder repræsenterer en afvejning med hensyn til rækkevidde, gennemstrømning og strømforbrug. At vælge den bedste til en given applikation kræver omhyggelig evaluering af dens krav i forhold til en protokols egenskaber.

Selv med moderne transceivere med høj integration er det en udfordring for mange designteams at designe radiofrekvenskredsløbet (RF), hvilket fører til overskridelser af omkostninger og tidsplaner. Desuden skal et RF-produkt certificeres for drift, hvilket i sig selv kan være en involveret, kompleks og tidskrævende proces.

En løsning er at basere designet på et certificeret modul, der bruger et multiprotokol-system-on-chip (SoC). Det eliminerer kompleksiteten ved RF-design med diskrete komponenter og giver mulighed for fleksibilitet i valget af trådløs protokol. Denne modultilgang giver designerne en trådløs drop-in-løsning, der gør det meget nemmere at integrere trådløs forbindelse i produkter og opnå certificering.

Denne artikel ser på fordelene ved trådløs forbindelse, ser på styrkerne ved nogle af de vigtigste 2,4 GHz trådløse protokoller, analyserer kort hardwaredesignproblemer og introducerer et passende RF-modul fra Würth Elektronik. Artiklen diskuterer også den certificeringsproces, der kræves for at opfylde globale regler, overvejer udvikling af applikationssoftware og introducerer et softwareudviklingskit (SDK), der hjælper designere med at komme i gang med modulet.

Fordelene ved multiprotokol-transceivere

Ingen enkelt trådløs kortdistance-sektor dominerer, fordi alle foretager afvejninger for at tilfredsstille deres målapplikationer. Større rækkevidde og/eller gennemstrømning koster for eksempel øget strømforbrug. Andre vigtige faktorer at overveje er interferensimmunitet, mesh-netværkskapacitet og interoperabilitet med internetprotokoller (IP).

Af de forskellige etablerede trådløse teknologier med kort rækkevidde er der tre klare ledere: Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE), Zigbee og Thread. De deler nogle ligheder på grund af et fælles DNA fra IEEE 802.15.4-specifikationen. Denne specifikation beskriver fysiske (PHY) og medieadgangskontrol (MAC) lag for trådløse personlige netværk (WPAN) med lav datahastighed. Teknologierne opererer generelt ved 2,4 GHz, selvom der findes nogle sub-GHz-varianter af Zigbee.

Bluetooth LE er velegnet til IoT-applikationer som f.eks. smart home-sensorer, hvor dataoverførselshastighederne er beskedne og forekommer sjældent (figur 1). Bluetooth LE's interoperabilitet med de Bluetooth-chips, der findes i de fleste smartphones, er også en stor fordel for forbrugerorienterede applikationer som f.eks. wearables. De største ulemper ved teknologien er kravet om en dyr og strømslugende gateway for at oprette forbindelse til skyen og klodsede mesh-netværksfunktioner.

Figur 1: Bluetooth LE er velegnet til smart-hjem-sensorer som kameraer og termostater. Dens interoperabilitet med smartphones forenkler konfigurationen af kompatible produkter. (Billedkilde: Nordic Semiconductor)

Zigbee er også et godt valg til applikationer med lavt strømforbrug og lav kapacitet inden for industriel automatisering, handel og hjemmet. Dens gennemstrømning er lavere end Bluetooth LE, mens dens rækkevidde og strømforbrug er det samme. Zigbee er ikke interoperabel med smartphones og tilbyder heller ikke indbygget IP-kapacitet. En vigtig fordel ved Zigbee er, at den er designet fra bunden til mesh-netværk.

Thread fungerer ligesom Zigbee ved hjælp af IEEE 802.15.4 PHY og MAC og er designet til at understøtte store mesh-netværk med op til 250 enheder. Det der adskiller Thread fra Zigbee, er brugen af 6LoWPAN (en kombination af IPv6 og WPAN med lav effekt), som gør det nemt at oprette forbindelse til andre enheder og skyen, om end via en netværksenhed kaldet en border router. (Se "A Brief Guide to What Matters in Short-Range Wireless Technologies").

Mens standardbaserede protokoller dominerer, er der stadig en niche for 2,4 GHz-proprietære protokoller. Selvom de begrænser forbindelsen til andre enheder, der er udstyret med den samme producents chip, kan sådanne protokoller finjusteres for at optimere strømforbrug, rækkevidde, interferensimmunitet eller andre vigtige driftsparametre. En IEEE 802.15.4 PHY og MAC er fuldt ud i stand til at understøtte 2,4 GHz proprietær trådløs teknologi.

Populariteten af disse tre kortdistanceprotokoller og den fleksibilitet, som 2,4 GHz proprietær teknologi tilbyder, gør det svært at vælge den rigtige, der passer til det bredeste sæt af applikationer. Tidligere var en designer nødt til at vælge en trådløs teknologi og derefter redesigne produktet, hvis der var efterspørgsel efter en variant, der brugte en anden protokol. Men fordi protokollerne bruger PHY'er baseret på en lignende arkitektur og opererer i 2,4 GHz-spektret, tilbyder mange siliciumleverandører multiprotokol-transceivere.

Disse chips gør det muligt at omkonfigurere et enkelt hardwaredesign til flere protokoller ved blot at uploade ny software. Endnu bedre er det, hvis produktet kan leveres med flere softwarestakke, hvor skiftet mellem dem overvåges af en mikrocontrollerenhed (MCU). Det kan f.eks. gøre det muligt at bruge Bluetooth LE til at konfigurere en smart-hjem-termostat fra en smartphone, før enheden skifter protokol for at tilslutte sig et trådnetværk.

Nordic Semiconductors nRF52840 SoC understøtter Bluetooth LE, Bluetooth mesh, Thread, Zigbee, IEEE 802.15.4, ANT+ og 2,4 GHz proprietære stakke. Nordic SoC integrerer også en Arm® Cortex®-M4 MCU – som tager sig af RF-protokollen og applikationssoftwaren – samt 1 megabyte (Mbyte) flashhukommelse og 256 kilobyte (Kbytes) RAM. Når SoC'en kører i Bluetooth LE-tilstand, tilbyder den en maksimal rå datagennemstrømning på 2 megabit pr. sekund (Mbit/s). Sendestrømmen fra dens 3 volt DC-indgang er 5,3 milliampere (mA) ved 0 decibel refereret til 1 milliwatt (dBm) udgangseffekt, og modtagestrømmen (RX) er 6,4 mA ved en rå datahastighed på 1 Mbit/s. nRF52840's maksimale sendeeffekt er +8 dBm, og dens følsomhed er -96 dBm (Bluetooth LE ved 1 Mbit/s).

Vigtigheden af godt RF-design

Selvom trådløse SoC'er som Nordics nRF52840 er meget kapable enheder, kræver det stadig betydelige designfærdigheder at maksimere dens RF-ydeevne. Ingeniøren skal især overveje faktorer som filtrering af strømforsyningen, eksterne krystaltimingkredsløb, antennedesign og -placering og ikke mindst impedanstilpasning.

Den vigtigste parameter, der adskiller et godt RF-kredsløb fra et dårligt, er dets impedans (Z). Ved høje frekvenser, såsom 2,4 GHz, der bruges af en kortdistanceradio, er impedansen ved et givet punkt på et RF-spor relateret til sporets karakteristiske impedans, som igen afhænger af printpladens substrat, sporets dimensioner, dets afstand fra belastningen og belastningens impedans.

Det viser sig, at når belastningsimpedansen – som for et sendersystem vil være antennen og for et modtagersystem er transceiver SoC’en – er lig med den karakteristiske impedans, forbliver den målte impedans den samme i enhver afstand langs sporet fra belastningen. Som et resultat minimeres ledningstab, og maksimal effekt overføres fra senderen til antennen, hvilket øger robustheden og rækkevidden. Det gør det til god designpraksis at bygge et matchende netværk, der sikrer, at en RF-enheds impedans er lig med printkortets karakteristiske impedans. (Se "Bluetooth 4.1-, 4.2- og 5-kompatible Bluetooth Low Energy SoC'er og værktøjer imødekommer IoT-udfordringer (del 2)").

Det matchende netværk består af en eller flere shuntinduktorer og seriekondensatorer. Designerens udfordring er at vælge den bedste netværkstopologi og komponentværdier. Producenter tilbyder ofte simuleringssoftware til at hjælpe med design af matchende kredsløb, men selv efter at have fulgt gode designregler, kan det resulterende kredsløb ofte udvise skuffende RF-ydeevne, manglende rækkevidde og pålidelighed. Det fører til flere design-iterationer for at revidere det matchende netværk (figur 2).

Figur 2: Nordic nRF52840 kræver eksterne kredsløb for at udnytte dens funktionalitet. Eksterne kredsløb omfatter filtrering af indgangsspænding, understøttelse af ekstern krystaltiming og forbundet til SoC'ens antenneben (ANT), impedanstilpasningskredsløb mellem SoC'en og en antenne. (Billedkilde: Nordic Semiconductor)

Fordelene ved et modul

Der er nogle fordele ved at designe et trådløst kredsløb med kort rækkevidde ved hjælp af diskrete komponenter, især lavere materialeomkostninger (BoM) og pladsbesparelser. Men selv hvis designeren følger et af de mange fremragende referencedesigns fra SoC-leverandører, kan andre faktorer - såsom komponentkvalitet og -tolerancer, printkortlayout og substrategenskaber samt slutenhedens emballage - påvirke RF-ydeevnen dramatisk.

En alternativ tilgang er at basere den trådløse forbindelse på et tredjepartsmodul. Modulerne er fuldt monterede, optimerede og testede løsninger, der muliggør "drop-in" trådløs tilslutning. I de fleste tilfælde vil modulet allerede være certificeret til brug på globale markeder, hvilket sparer designeren for den tid og de penge, der er nødvendige for at bestå RF-certificering.

Der er nogle ulemper ved at bruge moduler. Disse omfatter øgede udgifter (afhængigt af volumen), større slutproduktstørrelse, afhængighed af en enkelt leverandør og dennes evne til at levere i volumen og (nogle gange) et reduceret antal tilgængelige ben i forhold til den SoC, som modulet er baseret på. Men hvis designets enkelhed og hurtigere time-to-market opvejer disse ulemper, så er et modul svaret.

Et eksempel, der bruger Nordic nRF52840 som en central komponent, er Würth Elektroniks Setebos-I 2,4 GHz radiomodul 2611011024020. Det kompakte modul måler 12 × 8 × 2 millimeter (mm), har en indbygget antenne, et dæksel, der minimerer elektromagnetisk interferens (EMI), og leveres med firmware, der understøtter Bluetooth 5.1 samt proprietære 2,4 GHz-protokoller (figur 3). Som beskrevet ovenfor er SoC'en i modulet også i stand til at understøtte Thread og Zigbee – med tilføjelse af passende firmware.

Figur 3: Setebos-I 2,4 GHz-radiomodulet har en kompakt formfaktor, en indbygget antenne og et dæksel, der begrænser EMI. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Modulet accepterer et input på 1,8 til 3,6 volt, og når det er i dvaletilstand, bruger det kun 0,4 mikroampere (µA). Dets driftsfrekvens dækker ISM-båndet (Industrial, Scientific, og Medical), som er centreret på 2,44 GHz (2,402 til 2,480 GHz). Under ideelle forhold, med 0 dBm udgangseffekt, er line-of-site-rækkevidden mellem senderen og modtageren op til 600 meter (m), og den maksimale Bluetooth LE-gennemstrømning er 2 Mbits/s. Modulet har en indbygget antenne på en kvart bølgelængde (3,13 cm), men det er også muligt at øge rækkevidden ved at tilslutte en ekstern antenne til den førnævnte ANT-terminal på modulet (figur 4).

Figur 4: Setebos-I 2,4 GHz-radiomodulet har et stik til en ekstern antenne (ANT), der kan forlænge radioens rækkevidde. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Setebos-I-radiomodulet giver adgang til nRF52840 SoC'ens ben via loddeøer. Tabel 1 viser funktionen af hvert modulben. Benene "B2" til "B6" er programmerbare GPIO'er, der er nyttige til tilslutning af sensorer som temperatur-, fugtigheds- og luftkvalitetsenheder.

Tabel 1: Her vises Setebos-I 2,4 GHz-radiomodulets benbetegnelser. LED-udgange kan bruges til at indikere radiosending og -modtagelse. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Certificering af trådløse produkter med kort rækkevidde

Selvom 2,4 GHz-båndet er en licensfri spektrumallokering, skal radioenheder, der opererer i båndet, stadig opfylde lokale regler som dem, der er dikteret af U.S. Federal Communications Commission (FCC), European Declaration of Conformity (CE) eller Telecom Engineering Center (TELEC) i Japan. For at opfylde reglerne skal et produkt testes og certificeres, hvilket kan være tidskrævende og dyrt. Hvis RF-produktet ikke består en del af testen, skal der laves en helt ny indsendelse. Hvis modulet skal bruges i Bluetooth-tilstand, skal det også have en Bluetooth-liste fra Bluetooth Special Interest Group (SIG).

Certificering af modulet giver ikke automatisk certificering af det slutprodukt, der bruger modulet. Men det gør typisk certificeringen af slutprodukter til papirarbejde snarere end en omfattende gentestningsopgave - forudsat at de ikke bruger yderligere trådløse enheder som Wi-Fi. Det samme gælder generelt for Bluetooth-listen. Når de er certificeret, bærer produkter, der bruger modulet, en etiket, der angiver FCC, CE og andre relevante ID-numre (figur 5).

Figur 5: Eksempel på et ID-mærke, der er sat på Setebos-I-modulet for at vise, at det har bestået CE- og FCC RF-certificering. Certificering kan generelt arves af slutproduktet uden gentest gennem lidt simpelt papirarbejde. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Modulproducenter går typisk så langt som til at opnå RF-certificering (og Bluetooth-liste, hvis det er relevant) for deres moduler i de regioner, hvor de har til hensigt at sælge produkterne. Würth Elektronik har gjort dette for Setebos-I-radiomodulet, men det skal bruges med fabriksfirmwaren. I tilfælde af Bluetooth-drift er modulet præcertificeret, forudsat at det bruges med Nordics S140 Bluetooth LE-fabriksstack eller en stack, der leveres via virksomhedens nRF Connect SDK-softwareudviklingskit.

Würth- og Nordic-firmwaren er robust og gennemprøvet til enhver applikation. Men hvis designeren beslutter sig for at omprogrammere modulet med enten en åben standard Bluetooth LE eller 2,4 GHz proprietær stack, eller en fra en alternativ kommerciel leverandør, bliver de nødt til at starte certificeringsprogrammerne fra bunden for de regioner, hvor de skal bruges.

Udviklingsværktøjer til Setebos-I-radiomodulet

For avancerede udviklere tilbyder Nordics nRF Connect SDK et omfattende designværktøj til at bygge applikationssoftware til nRF52840 SoC. Udvidelsen nRF Connect for VS Code er det anbefalede integrerede udviklingsmiljø (IDE) til at køre nRF Connect SDK. Det er også muligt at bruge nRF Connect SDK til at uploade en alternativ Bluetooth LE- eller 2,4 GHz-proprietær protokol til nRF52840. (Se kommentarerne ovenfor om den indvirkning, det har på modulcertificeringen).

nRF Connect SDK fungerer sammen med nRF52840 DK-udviklingssættet (figur 6). Hardwaren er udstyret med nRF52840 SoC og understøtter udvikling og test af prototypekode. Når applikationssoftwaren er klar, kan nRF52840 DK fungere som en J-LINK-programmør til at overføre koden til Setebos-I-radiomodulets nRF52840 flashhukommelse via modulets "SWDCLK"- og "SWDIO"-ben.

Figur 6: Nordics nRF52840 DK kan bruges til at udvikle og teste applikationssoftware. Udviklingssættet kan derefter bruges til at programmere andre nRF52840 SoC'er, f.eks. det, der bruges i Setebos-I-modulet. (Billedkilde: Nordic Semiconductor)

Applikationssoftware, der er udviklet med Nordics udviklingsværktøjer, er designet til at køre på nRF52840's indbyggede Arm Cortex-M4 MCU. Men det kan være, at slutproduktet allerede er udstyret med en anden MCU, og at udvikleren ønsker at bruge den til at køre applikationskode og overvåge den trådløse forbindelse. Eller udvikleren er måske mere fortrolig med udviklingsværktøjer til andre populære værtsmikroprocessorer, såsom STMicroelectronics' STM32F429ZIY6TR. Denne processor er også baseret på en Arm Cortex-M4 kerne.

For at gøre det muligt for en ekstern værtsmikroprocessor at køre applikationssoftware og overvåge nRF52840 SoC, tilbyder Würth Elektronik sit Wireless Connectivity SDK. SDK er et sæt softwareværktøjer, der muliggør hurtig softwareintegration af virksomhedens trådløse moduler med mange populære processorer, herunder STM32F429ZIY6TR-chippen. SDK'et består af drivere og eksempler i C, som bruger den underliggende platforms UART-, SPI- eller USB-periferienheder til at kommunikere med den tilsluttede radioenhed (Figur 7). Udvikleren skal blot overføre SDK'ens C-kode til værtsprocessoren. Det reducerer den tid, det tager at designe en softwaregrænseflade til radiomodulet, betydeligt.

Figur 7: Wireless Connectivity SDK driveren gør det nemt for udviklere at styre Setebos-I-radiomodulet via en UART-port ved hjælp af en ekstern værtsmikroprocessor. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Setebos-I-radiomodulet bruger en "kommandogrænseflade" til konfigurations- og driftsopgaver. Denne grænseflade giver op til 30 kommandoer, der udfører opgaver som at opdatere forskellige enhedsindstillinger, sende og modtage data og sætte modulet i en af en række lave strømtilstande. Den tilsluttede radioenhed skal køre i kommandotilstand for at bruge Wireless Connectivity SDK.

Konklusion

Det kan være vanskeligt at beslutte sig for en enkelt trådløs protokol til et tilsluttet produkt, og endnu mere udfordrende at designe radiokredsløbet fra bunden. Et radiomodul som Würth Elektroniks Setebos-I giver ikke kun fleksibilitet i valget af protokol, men det giver også en drop-in-forbindelsesløsning, der opfylder de lovgivningsmæssige krav i forskellige driftsområder. Sebetos-1-modulet leveres med Würths Wireless Connectivity SDK, som gør det nemt og hurtigt for udviklere at styre modulet ved hjælp af deres eget valg af værts-MCU.