Uproszczenie przemysłowej integracji bezprzewodowej z użyciem certyfikowanych fabrycznie modułów Wi-Fi 6 z technologią Bluetooth LE

Wraz z rozwojem Internetu rzeczy (IoT), łączność bezprzewodowa stała się fundamentalnym wymogiem w zastosowaniach przemysłowych, od monitorowania urządzeń, poprzez śledzenie aktywów, aż po automatykę budynków. Projektanci, którzy zamierzają wdrożyć taką łączność stają w obliczu wielu wyzwań, takich jak integracja chipsetów bezprzewodowych, anten, komponentów programowych, a także certyfikacja globalna, zabezpieczenia oraz niezawodność w trudnych warunkach środowiskowych.

Wyzwania te można pokonać wybierając odporne, certyfikowane fabrycznie moduły Wi-Fi 6 z technologią Bluetooth Low Energy (BLE) 5.4, które oferują niezbędne funkcje i upraszczają integrację.

Niniejszy artykuł omawia wyzwania związane z łącznością bezprzewodową, wobec których stoją projektanci systemów przemysłowych, a także przedstawia przykłady certyfikowane fabrycznie modułów Wi-Fi 6 z technologią BLE 5.4 firmy Ezurio. Omawia on również certyfikowane fabrycznie anteny i powiązany zestaw rozwojowy.

Kluczowe wyzwania w przemysłowej komunikacji bezprzewodowej

Środowiska przemysłowe zawierają coraz większą liczbę punktów końcowych, które udostępniają dane z wysokimi prędkościami, a sieci bezprzewodowe często są jedynym praktycznym sposobem na ich przesłanie.

Może to prowadzić do przeciążenia sieci w starszych technologiach bezprzewodowych, a także problemów z latencją i utratą pakietów, które wpływają na parametry działania. Przestarzałe technologie komunikacyjne mogą również narażać sieci na cyberataki.

Nowoczesne technologie, takie jak Wi-Fi 6 oraz BLE 5.4 pozwalają rozwiązać te problemy, jednak ich opracowanie i integracja wymaga rozległej wiedzy fachowej w dziedzinie częstotliwości radiowych (RF), zwłaszcza w urządzeniach z ograniczeniami przestrzennymi oraz w zastosowaniach modernizacyjnych. Ponadto wiele rozwiązań bezprzewodowych wymaga etapów ręcznego montażu, co spowalnia produkcję i zwiększa koszty.

Niezawodność jest kolejnym problemem. W wielu środowiskach przemysłowych występują znaczne zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), ekstremalne temperatury, a także drgania i wstrząsy. Liczne zastosowania wymagają wreszcie niskiego poboru mocy, aby wydłużyć czas pracy baterii, a jednocześnie zapewnić zgodność z normami światowymi.

Solidne rozwiązanie: moduły Wi-Fi 6 z technologią Bluetooth LE 5,4

Moduły Sona TI351 firmy Ezurio stawiają czoła wyzwaniom przemysłowej łączności bezprzewodowej łącząc technologie Wi-Fi oraz BLE w odpornych, certyfikowanych fabrycznie obudowach (ilustracja 1). Omawiane moduły zostały zbudowane na bazie towarzyszącego układu scalonego Wi-Fi oraz BLE SimpleLink CC3351 firmy Texas Instruments i są dostępne w technologii montażu powierzchniowego (SM) oraz wariantach wtykowych, oferując opcje wbudowanych anten czipowych lub złącza antenowego.

Ilustracja 1: grupa Sona TI351 kompaktowych, certyfikowanych fabrycznie modułów Wi-Fi 6 oraz BLE 5.4 dostępna w wariantach SMT i wtykowych z antenami wbudowanymi lub złączami antenowymi. (Źródło ilustracji: Ezurio)

Wszystkie moduły obsługują Wi-Fi 6 (802.11ax) za pośrednictwem interfejsu SDIO 2.0 o wysokiej szybkości przesyłu danych z wbudowanym wykrywaniem i korekcją błędów. Wi-Fi 6 oferuje szereg funkcji, które pozwalają uzyskać niezawodne parametry działania w przeciążonych sieciach przemysłowych:

• Wielodostęp z ortogonalnym podziałem częstotliwości (OFDMA) pozwala na jednoczesną transmisję z wielu urządzeń IoT na tym samym kanale, co zwiększa wydajność we wdrożeniach o wysokiej gęstości.
• Docelowy czas wybudzania (TWT) optymalizuje czas pracy baterii, gdyż pozwala tworzyć precyzyjne harmonogramy wybudzania urządzeń.
• Obsługa dwóch pasm oferuje elastyczność w różnych przypadkach użycia: 2,4GHz zapewnia lepsze przenikanie przeszkód, natomiast 5GHz oferuje większą szerokość pasma.
• Moc nadawania 18dBm zapewnia niezawodne pokrycie dużych przestrzeni przemysłowych.

Technologia BLE 5.4 jest obsługiwana w module za pomocą specjalnego kanału UART wysokiej prędkości (HS-UART). Protokół BLE 5.4 jest dobrze dopasowany do środowisk przemysłowych. Obsługiwane są:

• PAwR (Periodic Advertising with Response), które redukuje pobór mocy z wykorzystaniem wstępnie określonych okien transmisji
• PAST (Periodic Advertising Sync Transfer), które upraszcza zarządzanie siecią, pozwalając urządzeniom głównym na współużytkowanie danych synchronizacji
• Warstwa fizyczna (PHY) LE 2Mbit/s, która obsługuje szybkie przesyłanie danych i szybki powrót do trybu uśpienia, jeszcze bardziej poprawiając sprawność energetyczną
• Tryb dalekiego zasięgu LE, który zapewnia niezawodną komunikację na większe odległości

Moduły obsługują koegzystencję technologii Wi-Fi oraz Bluetooth w zastosowaniach wymagających obydwu protokołów.

Konstrukcja o wysokiej niezawodności

Moduły Sona TI351 zawierają zintegrowany wzmacniacz mocy (PA), który zwiększa siłę nadawanego sygnału w celu zapewnienia niezawodnego działania w wymagających środowiskach. Wzmacniacz niskoszumowy (LNA) po stronie przychodzącej poprawia odbiór sygnałów poprzez wzmocnienie słabych sygnałów i minimalizację szumów zakłócających. Kombinacja ta zapewnia stabilność połączeń bezprzewodowych, nawet w środowiskach, gdzie występują znaczne zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i przeszkody fizyczne.

Moduły te zaprojektowano również pod kątem niezawodności fizycznej. Wersje SMT posiadają odporne połączenia, które wytrzymują drgania i naprężenia mechaniczne, natomiast opcja anteny wbudowanej eliminuje ewentualny punkt usterki. Moduły mają zakres temperatur roboczych od -40°C do 85°C.

Rozbudowana obsługa oprogramowania dla systemów operacyjnych Linux i Android

Moduły Sona TI351 obejmują rozbudowaną obsługę oprogramowania dla systemów operacyjnych Linux i Android. W przypadku systemu Linux, stos łączności został przetestowany dla różnych wersji jądra z łatkami sterowników począwszy od wersji v2.6.37 w celu zapewnienia zgodności ze starszymi jądrami. Stos obsługuje znane środowiska budowy, włączając w to Buildroot, Yocto oraz Ubuntu.

zamiast dostarczać tylko sterowniki specyficzne dla sprzętu, Ezurio dostarcza kompletny, fabrycznie przetestowany stos łączności (ilustracja 2). Podejście to pomaga zapobiegać niekompatybilności pomiędzy komponentami i przyspiesza integrację systemów. Stos jest utrzymywany stale z użyciem najnowszych komponentów źródeł sterowników i jądra, w celu zapewnienia optymalnych parametrów działania.

Ilustracja 2: urządzenia Sona TI351 dostarczane są z rozbudowanym stosem oprogramowania łączności. (Źródło ilustracji: Ezurio)

Zagadnienia dotyczące certyfikacji i zabezpieczeń

Omawiane moduły wykorzystują zaawansowane funkcje zabezpieczeń technologii Wi-Fi 6 oraz BLE 5.4. Po stronie Wi-Fi, zapewniają one solidną obsługę dla protokołów zabezpieczeń WPA2/3 klasy Enterprise, w tym szyfrowanie zaawansowane i mechanizmy uwierzytelniania.

W przypadku BLE, funkcja EAD (Encrypted Advertising Data) pozwala na bezpieczne rozgłaszanie wrażliwych informacji bez narzutu ustanawiania stałych połączeń, co jest szczególnie użyteczne w budowaniu systemów automatyki przesyłających dane środowiskowe lub poświadczenia dostępu. Dodatkowo, charakterystyka poziomów zabezpieczeń ogólnego profilu atrybutów (GATT) BLE pozwala stosować różne poziomy zabezpieczeń dla różnych typów danych, optymalizując równowagę między narzutem zabezpieczeń i parametrami działania.

Zgodność z przepisami może przyprawić o ból głowy, bez względu na to, który protokół wybiorą projektanci, zwłaszcza w przypadku urządzeń wysyłanych do innych krajów. Aby rozwiązać te problemy, grupa Sona TI351 posiada certyfikaty zgodności z normami, włączając w to FCC (USA), IC (Kanada), CE (Europa), UKCA (Wielka Brytania), MIC (Japonia), RCM (Australia i Nowa Zelandia) oraz KCC (Korea Południowa).

Opcje SMT oraz M.2 zapewniają elastyczność montażu

Jak wspomniano wcześniej, grupa Sona TI351 firmy Ezurio jest dostępna w kilku konfiguracjach odpowiednich do konkretnych wymagań zastosowania. Na przykład urządzenie 453-00200R (ilustracja 3) wykorzystuje format 12 x 16mm M.2 1216 SMT i posiada zintegrowaną antenę czipową. Konstrukcja ta pozwala na montaż zautomatyzowany i oferuje wzmocnione połączenia w środowiskach przemysłowych. Dzięki tej kombinacji funkcji, moduł jest szczególnie dobrze dopasowany do masowych wdrożeń, gdzie niezawodność i efektywność produkcji mają znaczenie krytyczne.

Ilustracja 3: kompaktowy moduł Sona TI351 453-00200R w formacie 12 x 12mm M.2 1216 SMT posiada zintegrowaną antenę czipową. (Źródło ilustracji: Ezurio)

W przypadku zastosowań wymagających łączności z użyciem anteny zewnętrznej, urządzenie 453-00199R (ilustracja 4) charakteryzuje się takim samym wzmocnionym formatem M.2 1216, lecz zawiera złącze MHF4L zamiast anteny czipowej. Ta konfiguracja pozwala na użycie anten zewnętrznych dla zapewnienia optymalnego odbioru sygnałów w trudnych środowiskach radiowych, takich jak metalowe obudowy lub obszary o silnych zakłóceniach elektromagnetycznych (EMI).

Ilustracja 4: moduł Sona TI351 453-00199R posiada złącze antenowe MHF4L. (Źródło ilustracji: Ezurio)

W przeciwieństwie do dwóch poprzednich przykładów, urządzenie 453-00209 (ilustracja 5) wykorzystuje złącze M.2 2230 Key E do wtykowej konfiguracji systemów. Funkcja ta pozwala na łatwą instalację i wymianę w terenie oraz jest szczególnie użyteczna w zastosowaniach monitorowania urządzeń, gdzie minimalizacja przestojów systemów podczas konserwacji ma znaczenie krytyczne.

Ilustracja 5: moduł Sona TI351 453-00209 posiada złącze M.2 2230 Key E do wtykowej konfiguracji systemów. (Źródło ilustracji: Ezurio)

Ten zakres opcji pozwala projektantom systemów na optymalizację wdrożeń pod kątem konkretnego użycia, przy zachowaniu niezawodności i łatwości integracji.

Certyfikowane fabrycznie anteny usprawniają projektowanie rozwiązań radiowych (RF)

W przypadku modułów wyposażonych w złącze MHF4L, firma Ezurio oferuje szereg opcji certyfikowanych fabrycznie anten. Przykładem może być antena 5W FlexPiFA (Flexible Planar Inverted-F Antenna) typu EFB2471A3S-10MH4L (ilustracja 6) z podłożem przylepnym, która ułatwia integrację. Ta trzypasmowa antena (2,4/5/6GHz, z obsługą 7,125GHz) utrzymuje niski średni napięciowy współczynnik fali stojącej (VSWR) równy 1,6:1 w zakresie od 5,925 do 7,125GHz. Dzięki wynoszącemu 3,9dBi zyskowi w stosunku do anteny izotropowej przy 5GHz jest ona szczególnie dobrze dopasowana do zastosowań globalnych, które wymagają utrzymania parametrów w różnych pasmach częstotliwości.

Ilustracja 6: trzypasmowa antena 2,4/5/6GHz 5W typu EFB2471A3S-10MH4L. (Źródło ilustracji: Ezurio)

W przypadku stacjonarnych zastosowań przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) i monitorowania sprzętu, urządzenie 001-0021 (ilustracja 7) oferuje rozwiązanie dwupasmowe 2,4/5GHz. Charakteryzuje się ono napięciowym współczynnikiem fali stojącej (VSWR) <2,5:1 przy 2,4GHz oraz zyskiem 3dBi przy 5GHz.

Ilustracja 7: dwupasmowa antena 2,4/5GHz typu 001-0021. (Źródło ilustracji: Ezurio)

Asortyment certyfikowanych fabrycznie anten może w znacznym stopniu usprawnić opracowywanie produktów. Firma Ezurio przebadała już anteny pod kątem użycia z modułami, zmniejszając ryzyko nieoczekiwanych problemów z funkcjonowaniem na częstotliwościach radiowych. Szerzej ujmując, kombinacja formatów modułów i opcji anten pozwala projektantom systemów na optymalizację wdrożeń przy zachowaniu łatwości integracji.

Zestaw rozwojowy zapewnia pełny dostęp

Projektanci mogą wykorzystać zestaw rozwojowy 453-00200-K1 (ilustracja 8), aby szybko rozpocząć pracę z modułami. Ten rozbudowany zestaw wykorzystuje moduł anteny czipowej 453-00200 oraz zawiera liczne interfejsy programowe i sprzętowe do hosta Linux, umożliwiające testowanie funkcjonowania i parametrów modułu.

Ilustracja 8: zestaw rozwojowy Sona TI351 bazuje na module anteny czipowej 453-00200 oraz zapewnia interfejsy sprzętowe i komunikacyjne do hosta Linux. (Źródło ilustracji: Ezurio)

Zestaw zawiera kable wysokiej i niskiej prędkości oraz płytki adaptera/podrzędne, łączone z urządzeniami UART lub SDIO wysokich prędkości. Umieszczone na płytce listwy, mostki i przełączniki ułatwiają rozdzielenie sieci zasilających i sygnałowych w celu testowania i pomiaru poboru mocy na etapie prac rozwojowych nad oprogramowaniem i sprzętem.

Podsumowanie

Moduły Sona TI351 stanowią odpowiedź na kluczowe wyzwania łączności bezprzewodowej w środowiskach przemysłowych dzięki upakowaniu zaawansowanych funkcji bezprzewodowych w kompaktowej i odpornej konstrukcji. Certyfikacja fabryczna modułów i anten, liczne opcje mocowania oraz formaty, a także rozbudowany zestaw rozwojowy minimalizują czas prac rozwojowych oraz ryzyko.