Wykorzystanie wieloprotokołowych modułów bezprzewodowych w celu uproszczenia projektowania i certyfikacji produktów przeznaczonych dla Internetu rzeczy (IoT)

Łączność bezprzewodowa pozwala projektantom przekształcić zwykłe produkty w inteligentne, zintegrowane komponenty połączone z Internetem rzeczy (IoT), które mogą wysyłać dane do chmury w celu przeprowadzania analiz w oparciu o sztuczną inteligencję (AI), jednocześnie umożliwiając urządzeniom odbieranie bezprzewodowo (OTA) instrukcji, aktualizacji oprogramowania układowego i ulepszeń bezpieczeństwa.

Jednak dodanie połączenia bezprzewodowego z produktem wcale nie jest takie proste. Zanim jeszcze rozpocznie się faza projektowania, projektanci muszą wybrać protokół bezprzewodowy, co może być przytłaczające. Na przykład: w popularnym, nielicencjonowanym paśmie 2,4GHz działa kilka standardów bezprzewodowych. Każdy z tych standardów stanowi kompromis pod względem zasięgu, przepustowości i poboru mocy. Wybór najlepszego rozwiązania pod kątem konkretnego zastosowania wymaga starannej oceny wymagań w odniesieniu do charakterystyki protokołu.

Ponadto, nawet w przypadku wysoce zintegrowanych nowoczesnych nadajniko-odbiorników, projektowanie obwodów na częstotliwości radiowe (RF) stanowi wyzwanie dla wielu zespołów projektowych, prowadząc do przekroczenia kosztów i terminów. Co więcej, produkty na częstotliwości radiowe będą wymagać certyfikacji, co samo w sobie może być procesem skomplikowanym, żmudnym i czasochłonnym.

Jednym z rozwiązań jest oparcie projektu na certyfikowanym module, który wykorzystuje wieloprotokołowy układ SoC. Eliminuje to złożoność projektowania układów na częstotliwości radiowe (RF) z dyskretnymi komponentami i pozwala na elastyczność w wyborze protokołu bezprzewodowego. Takie modułowe podejście daje projektantom rozwiązanie bezprzewodowe w formie gotowej do włączenia do produktu końcowego, znacznie ułatwiając integrację łączności bezprzewodowej w produktach i przejście certyfikacji.

W niniejszym artykule omówiono zalety łączności bezprzewodowej i mocne strony niektórych kluczowych protokołów bezprzewodowych 2,4GHz, a także pokrótce przeanalizowano kwestie związane z projektowaniem sprzętu i przedstawiono odpowiedni moduł o częstotliwości radiowej firmy Würth Elektronik. W artykule omówiono również proces certyfikacji wymagany do spełnienia globalnych przepisów, przyjrzano się rozwojowi oprogramowania aplikacyjnego i przedstawiono zestaw rozwojowy oprogramowania (SDK) mający pomóc projektantom rozpocząć pracę z modułem.

Zalety nadajniko-odbiorników wieloprotokołowych

Żaden standard łączności bezprzewodowej krótkiego zasięgu nie zmonopolizował rynku, ponieważ każdy z nich charakteryzuje się pewnymi kompromisami niezbędnymi z punktu widzenia zastosowania docelowego. Na przykład większy zasięg lub przepustowość wiążą się ze zwiększonym poborem mocy. Innymi ważnymi czynnikami, które należy wziąć pod uwagę są: odporność na zakłócenia, możliwość tworzenia sieci kratowych i interoperacyjność protokołu internetowego (IP).

Wśród różnych uznanych technologii bezprzewodowych krótkiego zasięgu istnieje trzech wyraźnych liderów: Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE), Zigbee i Thread. Mają one pewne podobieństwa ze względu na wspólne DNA wywodzące się ze specyfikacji IEEE 802.15.4. Specyfikacja ta opisuje warstwę fizyczną (PHY) i warstwę kontroli dostępu do mediów (MAC) dla bezprzewodowych sieci osobistych (WPAN) o niskiej szybkości transmisji danych. Technologie te generalnie działają na częstotliwości 2,4GHz, chociaż istnieją pewne warianty technologii Zigbee o częstotliwości działania poniżej 1GHz.

Bluetooth LE nadaje się do zastosowań Internetu rzeczy (IoT), takich jak inteligentne czujniki domowe, w których transmisja danych występuje rzadko i charakteryzuje się niską prędkością (ilustracja 1). Interoperacyjność technologii Bluetooth LE z mikroukładami Bluetooth, w które wyposażonych jest większość smartfonów, jest również dużą zaletą dla zastosowań konsumenckich, takich jak urządzenie ubieralne. Kluczowe wady tej technologii to wymóg stosowania drogiej i energochłonnej bramki łączności z chmurą oraz nieporęczne funkcje obsługi sieci kratowych.

Ilustracja 1: technologia Bluetooth LE sprawdza się w obsłudze czujników w domach inteligentnych, np. w kamerach i termostatach. Jej interoperacyjność ze smartfonami upraszcza konfigurację kompatybilnych produktów. (Źródło ilustracji: Nordic Semiconductor)

Technologia Zigbee jest również dobrym wyborem dla zastosowań o niskiej mocy i przepustowości w automatyce przemysłowej, komercyjnej i domowej. Jej przepustowość jest niższa niż Bluetooth LE, natomiast zasięg i pobór mocy są podobne. Technologii Zigbee brakuje interoperacyjności ze smartfonami oraz natywnych funkcji IP. Kluczową zaletą technologii Zigbee jest to, że została zaprojektowana od podstaw z myślą o sieciach kratowych.

Technologia Thread, podobnie jak Zigbee, działa przy użyciu warstw fizycznych (PHY) i warstw kontroli dostępu do mediów (MAC) wg specyfikacji IEEE 802.15.4 i została zaprojektowana do obsługi dużych sieci kratowych zawierających do 250 urządzeń. Thread różni się od Zigbee wykorzystaniem protokołu 6LoWPAN (połączenia protokołu IPv6 i WPAN niskiej mocy), dzięki któremu łączność z innymi urządzeniami i chmurą jest nieskomplikowana, aczkolwiek odbywa się za pośrednictwem sieciowego urządzenia brzegowego zwanego routerem granicznym. (Patrz: „Krótki przewodnik po istotnych aspektach technologii bezprzewodowych krótkiego zasięgu”.)

Wprawdzie dominują protokoły oparte na standardach, jednak nadal istnieje nisza dla zastrzeżonych protokołów 2,4GHz. Chociaż w ich przypadku łączność ogranicza się do innych urządzeń wyposażonych w układ mikroelektroniczny tego samego producenta, takie protokoły można precyzyjnie konfigurować, aby zoptymalizować pobór mocy, zasięg, odporność na zakłócenia lub inne ważne parametry robocze. Warstwa fizyczna (PHY) i warstwa kontroli dostępu do mediów (MAC) wg specyfikacji IEEE 802.15.4 są w pełni zdolne do obsługi zastrzeżonych technologii bezprzewodowych 2,4GHz.

Popularność tych trzech protokołów krótkiego zasięgu i elastyczność oferowana przez zastrzeżone technologie 2,4GHz sprawiają, że trudno jest wybrać właściwy protokół, który będzie pasował do najszerszego wachlarza zastosowań. Wcześniej projektant musiał wybrać jedną technologię bezprzewodową, a następnie przeprojektować produkt, jeśli istniało zapotrzebowanie na wariant wykorzystujący inny protokół. Ponieważ jednak protokoły wykorzystują warstwy fizyczne oparte na podobnej architekturze i działają w paśmie 2,4GHz, wielu producentów układów scalonych oferuje nadajniko-odbiorniki wieloprotokołowe.

Układy te pozwalają na rekonfigurację jednego projektu sprzętowego dla kilku protokołów poprzez wgranie nowego oprogramowania. Co więcej, produkt może być dostarczany z wieloma stosami oprogramowania, a przełączanie między nimi może być nadzorowane przez mikrokontroler MCU. Może to pozwolić, na przykład, na wykorzystanie Bluetooth LE do skonfigurowania termostatu w domu inteligentnym z poziomu smartfona, zanim urządzenie przełączy się między protokołami, aby dołączyć do sieci Thread.

Wyprodukowany przez firmę Nordic Semiconductor układ SoC nRF52840 obsługuje technologie Bluetooth LE, Bluetooth Mesh, Thread, Zigbee, IEEE 802.15.4, ANT+ oraz zastrzeżone stosy 2,4GHz. W układzie SoC firmy Nordic zintegrowano także mikrokontroler MCU Arm® Cortex®-M4, który odpowiada za protokoły częstotliwości radiowych i oprogramowanie aplikacyjne - a także 1Mb pamięci flash i 256Kb pamięci RAM. Podczas pracy w trybie Bluetooth LE układ SoC oferuje maksymalną przepustowość danych nieprzetworzonych na poziomie 2Mbits/s. Pobór prądu nadawania przy zasilaniu 3V= i mocy wyjściowej 0dBm wynosi 5,3mA, natomiast pobór prądu odbioru (RX) przy szybkości transmisji danych nieprzetworzonych na poziomie 1Mbit/s wynosi 6,4mA. Maksymalna moc nadawania układu SoC nRF52840 wynosi +8dBm, a jego czułość to -96dBm (Bluetooth LE przy 1Mbit/s).

Znaczenie jakości projektu na częstotliwości radiowe

Chociaż bezprzewodowe układy SoC, takie jak nRF52840 firmy Nordic, są bardzo wydajnymi urządzeniami, aby zmaksymalizować ich parametry działania na częstotliwościach radiowych (RF), nadal potrzebne są znaczne umiejętności w zakresie projektowania. W szczególności inżynier musi wziąć pod uwagę takie czynniki, jak filtrowanie zasilania, zewnętrzne obwody taktujące na bazie kryształów, konstrukcja i rozmieszczenie anten oraz, co najważniejsze, dopasowanie impedancji.

Kluczowym parametrem odróżniającym dobry obwód częstotliwości radiowej od słabego jest jego impedancja (Z). Przy wysokich częstotliwościach, takich jak 2,4GHz, wykorzystywanych przez radia krótkiego zasięgu, impedancja w danym punkcie na ścieżce częstotliwości radiowej jest związana z impedancją charakterystyczną tej ścieżki, która z kolei zależy od podłoża płytki drukowanej, wymiarów ścieżki, jej odległości od odbiornika i impedancji odbiornika.

Okazuje się, że gdy impedancja odbiornika - którym dla systemu nadawczego będzie antena, a dla systemu odbiorczego będzie układ SoC nadajniko-odbiornika - jest równa impedancji charakterystycznej, zmierzona impedancja pozostaje taka sama w dowolnej odległości wzdłuż ścieżki od wspomnianego odbiornika. W rezultacie straty na linii są zminimalizowane, a z nadajnika do anteny przenoszona jest maksymalna moc, co zwiększa niezawodność i zasięg. To sprawia, że dobrą praktyką projektową jest zbudowanie układu dopasowującego, który zapewni, że impedancja urządzenia na częstotliwości radiowe będzie równa impedancji charakterystycznej ścieżki na płytce drukowanej. (Patrz “Układy SoC i narzędzia zgodne z Bluetooth 4.1, 4.2 i 5 Bluetooth Low Energy spełniają wymagania Internetu rzeczy (IoT) (część 2)”.)

Układ dopasowujący składa się z jednej lub kilku cewek bocznikowych i kondensatorów szeregowych. Wyzwaniem dla projektanta jest dobór najlepszej topologii sieci i parametrów komponentów. Producenci często oferują oprogramowanie symulacyjne, aby pomóc w projektowaniu obwodów dopasowujących, jednak nawet przy przestrzeganiu zasad dobrego projektowania, uzyskany obwód może często charakteryzować się rozczarowującymi parametrami radiowymi, brakiem zasięgu i zawodnością. Skutkuje to potrzebą wykonywania większej liczby iteracji projektowych w celu korekty układu dopasowującego (ilustracja 2).

Ilustracja 2: wykorzystanie funkcji układu SoC nRF52840 firmy Nordic wymaga zastosowania obwodów zewnętrznych. Obwody zewnętrzne odpowiadają za filtrowanie napięcia wejściowego, obsługę zewnętrznego taktowania z użyciem kryształów, połączenie z wtykiem anteny (ANT) układu SoC, a także obwody dopasowujące impedancję między układem SoC a anteną. (Źródło ilustracji: Nordic Semiconductor)

Zalety modułu

Istnieją pewne zalety projektowania obwodów bezprzewodowych krótkiego zasięgu przy użyciu komponentów dyskretnych, w szczególności krótszy wykaz materiałów (BOM) i oszczędność miejsca. Jednak nawet jeśli projektant będzie wzorować się na jednym z wielu znakomitych projektów referencyjnych od dostawców układów SoC, inne czynniki - takie jak jakość i tolerancje komponentów, układ płytki i charakterystyka podłoża oraz obudowa urządzenia końcowego - mogą znacząco wpłynąć na parametry radiowe.

Alternatywnym podejściem jest wdrożenie łączności bezprzewodowej bazując na module innej firmy. Takie moduły są w pełni zmontowanymi, zoptymalizowanymi i przetestowanymi rozwiązaniami zapewniającymi łączność bezprzewodową, gotowymi do włączenia do produktu końcowego. W większości przypadków moduł będzie już certyfikowany do użytku na rynkach globalnych, co oszczędzi projektantowi czasu i pieniędzy potrzebnych do uzyskania wymaganego prawnie certyfikatu dla urządzeń na częstotliwości radiowe.

Korzystanie z modułów ma pewne wady. Są to m.in. zwiększone koszty (w zależności od ilości), większe rozmiary produktu końcowego, zależność od jednego dostawcy i jego możliwości realizacji zamówień oraz (czasami) zmniejszona liczba dostępnych wtyków w stosunku do układu SoC, na którym oparty jest moduł. Jeśli jednak prostota projektu i krótszy czas wprowadzenia produktu na rynek przeważą nad tymi wadami, to moduł będzie odpowiednim rozwiązaniem.

Przykładem może być moduł radiowy Setebos-I 2,4GHz 2611011024020 firmy Würth Elektronik, w którym wykorzystano urządzenie nRF52840 firmy Nordic. Ten kompaktowy moduł ma wymiary 12 × 8 × 2mm, posiada wbudowaną antenę, osłonę minimalizującą zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i jest dostarczany z oprogramowaniem układowym do obsługi Bluetooth 5.1, a także zastrzeżonych protokołów 2,4GHz (ilustracja 3). Jak opisano powyżej, stanowiący rdzeń modułu układ SoC, po dodaniu odpowiedniego oprogramowania układowego, jest również w stanie obsługiwać protokoły Thread i Zigbee.

Ilustracja 3: moduł radiowy Setebos-I 2,4GHz posiada kompaktową obudowę, wbudowaną antenę i osłonę ograniczającą zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Zakres napięć wejściowych modułu wynosi od 1,8 do 3,6V, a sam moduł w trybie uśpienia pobiera zaledwie 0,4µA prądu. Jego częstotliwość robocza obejmuje pasmo przemysłowe, naukowe i medyczne (ISM) (od 2,402 do 2,480GHz), którego środek leży na wartości 2,44GHz. W idealnych warunkach, przy mocy wyjściowej 0dBm, zasięg w linii prostej między nadajnikiem a odbiornikiem wynosi do 600m, a maksymalna przepustowość Bluetooth LE wynosi 2Mb/s. Moduł posiada wbudowaną antenę ćwierćfalową (3,13cm), ale możliwe jest również zwiększenie zasięgu poprzez podłączenie zewnętrznej anteny do wspomnianego przyłącza ANT na module (ilustracja 4).

Ilustracja 4: moduł radiowy Setebos-I 2,4GHz posiada wtyk do podłączenia anteny zewnętrznej (ANT), umożliwiający zwiększenie zasięgu radia. (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Moduł radiowy Setebos-I zapewnia dostęp do wtyków układu SoC nRF52840 poprzez pola lutownicze. Listę funkcji poszczególnych wtyków modułu przedstawiono w tabeli. Wtyki od „B2” do „B6” to programowalne wejścia-wyjścia ogólnego przeznaczenia (GPIO), które mogą służyć do podłączania czujników, np. do pomiaru temperatury, wilgotności i jakości powietrza.

Tabela 1: oznaczenia wtyków modułu radiowego Setebos-I 2,4GHz. Wyjścia LED mogą służyć do sygnalizacji nadawania i odbioru radiowego. (Źródło obrazu: Würth Elektronik)

Certyfikacja produktów bezprzewodowych krótkiego zasięgu

Pomimo że pasmo 2,4GHz jest bezlicencyjnym przydziałem widma, urządzenia radiowe działające w tym paśmie nadal muszą spełniać lokalne przepisy, takie jak te dyktowane przez Federalną Komisję Łączności Stanów Zjednoczonych (FCC), Telecom Engineering Center (TELEC) w Japonii lub wymagania Europejskiej Deklaracji Zgodności (CE). Uzyskanie zgodności z przepisami wymaga poddania produktu próbom i certyfikacji, co może być czasochłonne i kosztowne. Jeśli produkt na częstotliwości radiowe nie przejdzie pomyślnie jakiejkolwiek części prób, należy złożyć całkowicie nowy wniosek. Jeśli moduł ma być używany w trybie Bluetooth, będzie również wymagał wpisu na listę Bluetooth organizacji Bluetooth Special Interest Group (SIG).

Certyfikacja modułu nie nadaje automatycznie certyfikatu produktowi końcowemu, w którym moduł ten się znajduje. Zazwyczaj jednak certyfikacja produktów końcowych polega nie na szeroko zakrojonym zadaniu ponownych prób, a na przedłożeniu dokumentacji - o ile nie wykorzystują one dodatkowych urządzeń bezprzewodowych, takich jak Wi-Fi. Tak samo wygląda sytuacja jeśli chodzi o wpis na listę Bluetooth. Po uzyskaniu certyfikatu, produkty zawierające dany moduł okleja się etykietami z oznaczeniami FCC, CE i tym podobnymi (ilustracja 5).

Ilustracja 5: przykład etykiety identyfikacyjnej przyklejonej do modułu Setebos-I w celu potwierdzenia, że przeszedł on certyfikację dla urządzeń o częstotliwości radiowej CE i FCC. Dzięki prostym formalnościom certyfikat można generalnie przenieść na produkt końcowy bez potrzeby ponownych prób urządzenia. (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Producenci modułów zazwyczaj starają się uzyskać certyfikaty dla urządzeń na częstotliwości radiowe (i w razie potrzeby Bluetooth) dla swoich modułów dla regionów, w których zamierzają sprzedawać produkty. Firma Würth Elektronik zrobiła to dla modułu radiowego Setebos-I, jednak musi on być używany z fabrycznym oprogramowaniem układowym. W przypadku działania w technologii Bluetooth, omawiany moduł posiada wstępnie wydany certyfikat, który jest ważny, o ile moduł jest używany z fabrycznym stosem Bluetooth LE S140 firmy Nordic lub stosem dostarczonym za pośrednictwem zestawu rozwojowego oprogramowania (SDK) nRF Connect.

Oprogramowanie układowe firm Würth i Nordic jest solidne i sprawdza się w każdym zastosowaniu. Jeśli jednak projektant zdecyduje się przeprogramować moduł, wykorzystując otwarty standard Bluetooth LE, zastrzeżony stos 2,4GHz, lub standard innego dostawcy komercyjnego, będzie musiał przystąpić do programu certyfikacji od początku dla każdego z regionów docelowych.

Narzędzia rozwojowe dla modułu radiowego Setebos-I

Zaawansowanym deweloperom zestaw rozwojowy oprogramowania (SDK) nRF Connect firmy Nordic oferuje kompleksowe narzędzie projektowe do tworzenia oprogramowania aplikacyjnego dla układu SoC nRF52840. Zalecanym zintegrowanym środowiskiem deweloperskim (IDE) jest nRF Connect for VS Code extension. Można w nim uruchomić zestaw rozwojowy oprogramowania (SDK) nRF Connect. Zestawu rozwojowego oprogramowania (SDK) nRF Connect można również użyć do przesłania do układu SoC nRF52840 innego protokołu Bluetooth LE lub protokołu zastrzeżonego 2,4GHz. (Wpływ takiego działania na certyfikację modułów opisano powyżej).

Zestaw rozwojowy oprogramowania (SDK) nRF Connect jest kompatybilny z zestawem rozwojowym nRF52840 DK (ilustracja 6). Warstwa sprzętowa zawiera układ SoC nRF52840 i obsługuje tworzenie i testowanie kodu prototypowego. Gdy oprogramowanie aplikacyjne jest gotowe, zestaw rozwojowy nRF52840 DK może posłużyć jako programator J-LINK do przeprowadzenia portowania kodu do pamięci flash modułu radiowego Setebos-I nRF52840 za pośrednictwem wtyków „SWDCLK” i „SWDIO” modułu.

Ilustracja 6: zestaw rozwojowy nRF52840 DK firmy Nordic może być wykorzystywany do rozwoju i testowania oprogramowania aplikacyjnego. Zestaw rozwojowy może być następnie użyty do zaprogramowania innych układów SoC nRF52840, takich jak ten używany w module Setebos-I. (Źródło ilustracji: Nordic Semiconductor)

Oprogramowanie aplikacyjne stworzone przy użyciu narzędzi programistycznych firmy Nordic jest przeznaczone do uruchamiania na wbudowanym mikrokontrolerze MCU Arm Cortex-M4 nRF52840. Może się jednak zdarzyć, że produkt końcowy jest już wyposażony w inny mikrokontroler MCU, a deweloper chce go wykorzystać do uruchamiania kodu aplikacyjnego i nadzorowania łączności bezprzewodowej. Deweloper może też być bardziej zaznajomiony z narzędziami programistycznymi przeznaczonymi dla innych popularnych mikroprocesorów hosta, takich jak STM32F429ZIY6TR firmy STMicroelectronics. Ten procesor jest również oparty na rdzeniu Arm Cortex-M4.

Na potrzeby uruchamiania oprogramowania aplikacyjnego i nadzorowania układu SoC nRF52840 z użyciem zewnętrznego mikroprocesora hosta, firma Würth Elektronik oferuje swój zestaw rozwojowy oprogramowania (SDK) Wireless Connectivity SDK. Wspomniany zestaw rozwojowy oprogramowania (SDK) to zestaw narzędzi programowych, które umożliwiają szybką integrację programową modułów bezprzewodowych firmy z wieloma popularnymi procesorami, na przykład z układem mikroelektronicznym STM32F429ZIY6TR. Ten zestaw rozwojowy oprogramowania (SDK) jest wyposażony w sterowniki i przykłady w języku C, które do komunikacji z podłączonym urządzeniem radiowym wykorzystują protokół UART, szeregowy interfejs urządzeń peryferyjnych (SPI) lub urządzenia peryferyjne USB platformy bazowej (ilustracja 7). Deweloper po prostu portuje kod C zestawu rozwojowego oprogramowania (SDK) do procesora hosta. Znacznie skraca to czas potrzebny na zaprojektowanie interfejsu oprogramowania dla modułu radiowego.

Ilustracja 7: sterownik zestawu rozwojowego oprogramowania (SDK) Wireless Connectivity ułatwia deweloperom sterowanie modułem radiowym Setebos-I za pośrednictwem portu UART, przy użyciu zewnętrznego mikroprocesora hosta. (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Do zadań konfiguracji i obsługi, moduł radiowy Setebos-I wykorzystuje „interfejs poleceń". Interfejs ten daje dostęp do 30 poleceń, które służą do wykonywania takich zadań jak aktualizacja różnych ustawień urządzenia, przesyłanie i odbieranie danych oraz przełączanie modułu w jeden z wielu trybów niskiej mocy. Aby używać rozwojowego oprogramowania (SDK) Wireless Connectivity, podłączone urządzenie radiowe musi działać w trybie poleceń.

Podsumowanie

Wybór jednego protokołu bezprzewodowego dla podłączonego produktu może być trudny, a projektowanie obwodu radiowego od podstaw jest jeszcze większym wyzwaniem. Moduł radiowy, taki jak Setebos-I firmy Würth Elektronik, nie tylko zapewnia elastyczność w wyborze protokołu, ale także stanowi gotowe do włączenia do produktu końcowego rozwiązanie łączności, które spełnia wymagania prawne różnych regionów docelowych. Moduł Sebetos-1 jest dostarczany wraz z zestawem rozwojowym oprogramowania (SDK) Wireless Connectivity firmy Würth, dzięki któremu deweloperzy mogą łatwo i szybko sterować modułem za pomocą wybranego przez siebie mikrokontrolera MCU.