Simplificați integrarea wireless industrială utilizând module Wi-Fi 6 precertificate cu Bluetooth LE
Articolul analizează provocările conectivității wireless în proiectele industriale și prezintă exemple de module precertificate Ezurio Wi-Fi 6 cu BLE 5.4, alături de antene precertificate și un kit de dezvoltare asociat.
Odată cu dezvoltarea Internetului lucrurilor (IoT), conectivitatea wireless a devenit o cerință fundamentală pentru aplicațiile industriale – de la monitorizarea echipamentelor și urmărirea activelor, până la automatizarea clădirilor.
Proiectanții care doresc să implementeze această conectivitate se confruntă cu numeroase provocări: integrarea chipset-urilor wireless, a antenelor și a componentelor software, dar și certificarea globală, securitatea și fiabilitatea în medii dificile.
Aceste obstacole pot fi depășite prin utilizarea unor module Wi-Fi 6 robuste, precertificate, cu Bluetooth® Low Energy (BLE) 5.4, care oferă caracteristicile necesare și simplifică procesul de integrare.
Principalele provocări legate de comunicațiile wireless industriale
Mediile industriale conțin din ce în ce mai multe puncte finale (endpoints) care trebuie să partajeze date de mare viteză, iar rețelele wireless sunt adesea singurul mijloc practic pentru transmiterea datelor.
Creșterea numărului de dispozitive conectate poate duce la congestionarea rețelei în cazul tehnologiilor wireless mai vechi, generând probleme de latență și pierderi de pachete care reduc eficiența operațională. În plus, tehnologiile de comunicații învechite pot expune rețelele la riscuri de securitate cibernetică.
Tehnologiile moderne, precum Wi-Fi 6 și BLE 5.4, pot rezolva aceste probleme. Totuși, dezvoltarea și integrarea lor necesită o expertiză solidă în domeniul RF, mai ales pentru dispozitive compacte și aplicații de modernizare (retrofit). De asemenea, multe soluții wireless implică etape de asamblare manuală, ceea ce încetinește producția și crește costurile.
Un alt aspect critic este fiabilitatea. Multe medii industriale prezintă interferențe electromagnetice (EMI) puternice, temperaturi extreme, vibrații și șocuri mecanice. Nu în ultimul rând, numeroase aplicații necesită consum redus de energie pentru a prelungi durata de viață a bateriei, asigurând în același timp conformitatea cu standardele globale.
O soluție robustă: Module Wi-Fi 6 cu Bluetooth LE 5.4
Figura 1: Sona TI351 este o familie de module compacte, precertificate Wi-Fi 6 și BLE 5.4 în variante SMT și plug-in cu antene integrate sau conectori de antenă. (Sursa imaginii: Ezurio)
Modulele Sona TI351 de la Ezurio răspund provocărilor conectivității wireless industriale prin combinarea Wi-Fi și BLE în pachete robuste, precertificate (figura 1). Construite în jurul circuitului integrat asociat (companion) Wi-Fi și BLE SimpleLink CC3351 de la Texas Instruments, aceste module sunt disponibile în variante cu tehnologie de montare pe suprafață (SMT) și conectabile (pluggable), cu posibilitatea de a alege între o antenă integrată pe cip sau un conector extern de antenă.
Toate modulele acceptă Wi-Fi 6 (802.11ax) prin intermediul unei interfețe SDIO 2.0 de mare viteză, cu detectare și corectare încorporată a erorilor. Wi-Fi 6 oferă funcții care asigură performanță fiabilă în rețele industriale aglomerate:
- OFDMA (Orthogonal frequency division multiple access) permite transmiterea simultană de la mai multe dispozitive IoT pe același canal, sporind eficiența în implementările dense.
- Target Wake Time (TWT) optimizează durata de viață a bateriei prin programarea precisă a momentelor de activare a dispozitivelor.
- Suportul dual-band oferă flexibilitate: banda de 2,4 GHz asigură o mai bună penetrare a obstacolelor, în timp ce banda de 5 GHz furnizează o lățime de bandă mai mare.
- O putere de transmisie de 18 decibeli raportată la 1 miliwatt (dBm) asigură o acoperire fiabilă în spații industriale mari.
Suportul pentru Bluetooth LE 5.4 este asigurat printr-un canal dedicat UART de mare viteză (HS-UART). BLE 5.4 este optimizat pentru mediile industriale și include:
- PawR (Periodic Advertising with Response) – reduce consumul de energie prin ferestre de transmisie prestabilite.
- PAST (Periodic Advertising Sync Transfer) – simplifică gestionarea rețelei, permițând dispozitivelor principale să partajeze datele de sincronizare.
- Stratul fizic (PHY) LE de 2 megabiți pe secundă (Mbit/s) – asigură transmisii rapide de date și revenire rapidă la modul standby, crescând eficiența energetică.
- Modul LE Long Range – permite comunicații fiabile pe distanțe extinse.
Modulele suportă coexistența Wi-Fi și Bluetooth, o caracteristică importantă pentru aplicațiile care necesită simultan ambele protocoale.
Un concept cu fiabilitate ridicată
Modulele Sona TI351 includ un amplificator de putere (PA) care crește nivelul semnalului de ieșire pentru a asigura o funcționare fiabilă în medii solicitante. Pe partea de intrare, un amplificator cu zgomot redus (LNA) îmbunătățește recepția semnalelor slabe, reducând în același timp interferențele de zgomot. Această combinație garantează o conectivitate wireless stabilă, chiar și în medii cu EMI semnificative și cu obstacole fizice.
Modulele sunt, de asemenea, proiectate pentru fiabilitate mecanică. Versiunile SMT au conexiuni robuste, rezistente la vibrații și stres mecanic, în timp ce opțiunea cu antenă încorporată elimină un potențial punct de defecțiune. În plus, modulele funcționează într-un interval larg de temperatură, de la -40°C la +85°C.
Suport software cuprinzător pentru Linux și Android
Figura 2: Sona TI351 este dotată cu un pachet software de conectivitate complet. (Sursa imaginii: Ezurio)
Modulele Sona TI351 includ suport software complet pentru sistemele de operare Linux și Android. Pentru Linux, stiva de conectivitate a fost testată pe mai multe versiuni de kernel, cu drivere backported pentru versiunile începând cu v2.6.37, ceea ce asigură compatibilitatea cu kernel-uri mai vechi. Stiva suportă medii de compilare bine cunoscute, precum Buildroot, Yocto și Ubuntu.
Spre deosebire de soluțiile care furnizează doar driverele specifice hardware-ului, Ezurio oferă o stivă completă de conectivitate, pretestată (figura 2). Această abordare reduce riscul incompatibilităților între componente și accelerează integrarea sistemului. În plus, stiva este menținută permanent la zi cu cele mai recente surse de drivere și componente de kernel, pentru a asigura performanțe optime.
Figura 3: Sona TI351 453-00200R este un modul compact de 12 × 12 mm într-un factor de formă M.2 1216 SMT cu o antenă integrată pe cip. (Sursa imaginii: Ezurio)
Preocupări legate de securitate și certificare
Modulele beneficiază de caracteristicile avansate de securitate oferite de Wi-Fi 6 și BLE 5.4. În cazul Wi-Fi, acestea asigură suport robust pentru protocoalele de securitate la nivel enterprise WPA2/3, inclusiv mecanisme avansate de criptare și autentificare.
Pentru BLE, funcția Encrypted Advertising Data permite transmiterea securizată a informațiilor sensibile fără a fi necesară stabilirea unor conexiuni permanente – o caracteristică deosebit de utilă în sistemele de automatizare a clădirilor, care transmit date referitoare la mediu sau credențiale de acces. De asemenea, funcționalitatea Generic Attribute Profile (GATT) Security Levels permite aplicarea unor niveluri diferite de securitate pentru diverse tipuri de date, optimizând echilibrul dintre cerințele de securitate și performanță.
Conformitatea cu reglementările poate fi o provocare majoră, indiferent de protocolul ales de proiectanți, în special pentru dispozitivele destinate piețelor internaționale. Pentru a răspunde acestor cerințe, familia Sona TI351 este certificată conform standardelor: FCC (SUA), IC (Canada), CE (Europa), UKCA (Marea Britanie), MIC (Japonia), RCM (Australia/Noua Zeelandă) și KCC (Coreea de Sud).
Figura 4: Modulul Sona TI351 453-00199R dispune de un conector de antenă MHF4L. (Sursa imaginii: Ezurio)
Opțiunile SMT și M.2 oferă flexibilitate în asamblare
După cum s-a menționat anterior, familia Ezurio Sona TI351 este disponibilă în diverse configurații pentru a satisface cerințele specifice ale aplicațiilor. De exemplu, modelul 453-00200R (figura 3) utilizează factorul de formă compact M.2 1216 SMT de 12 × 16 milimetri (mm) cu o antenă integrată pe cip. Acest design permite asamblarea automatizată și oferă, în același timp, o conexiune robustă, capabilă să reziste în medii industriale solicitante. Această combinație de caracteristici face ca modulul să fie ideal pentru implementări de volum mare, unde fiabilitatea și eficiența producției sunt esențiale.
Pentru aplicațiile care necesită conectivitate prin antenă externă, modulul 453-00199R (figura 4) păstrează același factor de formă robust M.2 1216, dar include un conector MHF4L, în locul antenei integrate. Această configurație permite utilizarea antenelor externe pentru recepția optimă a semnalului în medii RF dificile, cum ar fi incintele metalice sau zonele cu EMI ridicat.
Spre deosebire de cele două exemple anterioare, modulul 453-00209 (figura 5) utilizează un conector M.2 2230 Key E pentru configurații de sistem plug-in.
Figura 5: Modulul Sona TI351 453-00209 utilizează un conector M.2 2230 Key E pentru configurații de sistem plug-in. (Sursa imaginii: Ezurio)
Această caracteristică permite instalarea și înlocuirea ușoară pe teren, ceea ce îl face deosebit de util pentru aplicațiile de monitorizare a echipamentelor, unde este esențială reducerea la minimum a timpului de nefuncționare în timpul întreținerii.
Această gama de opțiuni permite proiectanților de sisteme să își optimizeze implementările pentru cazuri de utilizare specifice, menținând totodată fiabilitatea și ușurința integrării.
Antenele precertificate simplifică proiectarea RF
Pentru modulele echipate cu conectorul MHF4L, Ezurio oferă o gamă de opțiuni de antene precertificate. Un exemplu este antena FlexPIFA (Flex Planar Inverted-F Antenna) EFB2471A3S-10MH4L de 5W (figura 6), prevăzută cu suport autoadeziv (adhesive backing) pentru o integrare mai ușoară. Această antenă cu bandă triplă (2,4/5/6 GHz, cu suport pentru 7,125 GHz) menține un raport mediu scăzut al undelor staționare de tensiune (VSWR – Voltage Standing Wave Ratio) de 1,6:1 între 5,925 și 7,125 GHz. Are un câștig de 3,9 decibeli în raport cu izotropia (dBi) la 5 GHz și este deosebit de potrivită pentru aplicații globale, unde performanța constantă pe diferite benzi de frecvență este esențială.
Figura 6: EFB2471A3S-10MH4L este o antenă cu bandă triplă de 2,4/5/6 GHz, 5 W. (Sursa imaginii: Ezurio)
Pentru aplicații IoT industriale (IIoT) staționare și de monitorizare a echipamentelor, antena 001-0021 (figura 7) oferă o soluție dual-band (2,4/5 GHz). Aceasta are un VSWR <2,5:1 la 2,4 GHz și un câștig de 3 dBi la 5 GHz.
Gama de antene precertificate simplifică semnificativ procesul de dezvoltare a produselor. Ezurio a testat deja aceste antene împreună cu modulele sale, reducând riscul apariției unor probleme neașteptate de performanță RF.
Figura 7: 001-0021 este o antenă dual-band de 2,4/5 GHz. (Sursa imaginii: Ezurio)
Mai mult, combinația dintre factorii de formă ai modulelor și opțiunile de antene permite proiectanților de sisteme să își optimizeze implementările, menținând în același timp ușurința de integrare.
Kitul de dezvoltare oferă acces complet
Proiectanții pot utiliza kitul de dezvoltare 453-00200-K1 (figura 8) pentru a începe rapid integrarea modulelor. Acest kit complet se bazează pe modulul cu antenă pe cip 453-00200 și pune la dispoziție numeroase interfețe software și hardware pentru o gazdă Linux, facilitând testarea funcționalității și performanței modulului.
Figura 8: Kitul de dezvoltare Sona TI351 se bazează pe un modul de antenă pe cip 453-00200 și oferă interfețe de comunicații și hardware pentru o gazdă Linux. (Sursa imaginii: Ezurio)
Kitul include cabluri de mare și mică viteză, precum și adaptoare sau plăci fiică ce pot fi conectate la dispozitive UART sau SDIO de mare viteză. Conectorii, jumperii și comutatoarele integrate pe placă permit separarea liniilor de alimentare și semnal, ceea ce simplifică testarea și măsurarea consumului de energie în timpul dezvoltării hardware și software.
Concluzie
Modulele Sona TI351 răspund principalelor provocări legate de conectivitatea wireless în mediile industriale, integrând capabilități avansate într-un design compact și robust. Precertificarea modulelor și antenelor, diversitatea opțiunilor de montare și factorii de formă, precum și kitul de dezvoltare complet reduc semnificativ timpul și riscul de dezvoltare.
Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf Horn, inginer de aplicații la DigiKey, face parte din grupul european de asistență tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la orice întrebări legate de dezvoltare și inginerie de la clienții finali din EMEA, precum și de a scrie și corecta articole și bloguri în limba germană pe platformele TechForum și maker.io ale DK. Înainte de DigiKey, a lucrat la mai mulți producători din domeniul semiconductorilor, axându-se pe sisteme embedded FPGA, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto.
Rolf deține o diplomă în inginerie electrică și electronică de la Universitatea de Științe Aplicate din München, Bavaria și și-a început cariera profesională la un distribuitor local de produse electronice în calitate de arhitect de soluții de sistem pentru a-și împărtăși cunoștințele și expertiza în continuă creștere în calitate de consilier de încredere. Hobby-uri: petrecerea timpului cu familia + prietenii, călătoriile cu autorulota personală VW-California și plimbarea cu motocicleta, un BMW GS 100 din 1988.
DigiKey | https://www.digikey.ro
Glosar de termeni
- Wi-Fi 6 (802.11ax) – standard Wi-Fi cu eficiență ridicată în medii dense; introduce OFDMA și TWT pentru latență și consum mai mici.
- BLE 5.4 (Bluetooth Low Energy) – versiune BLE orientată pe consum redus; aduce PAwR, PAST, LE 2M PHY și LE Long Range.
- OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) – împarte canalul în unități de resurse astfel încât mai multe dispozitive pot transmite simultan.
- TWT (Target Wake Time) – mecanism prin care dispozitivul „își programează” trezirile pentru a economisi energie.
- Coexistența Wi-Fi/Bluetooth – funcționare simultană pe aceeași bandă cu mecanisme de evitare a interferențelor.
- SDIO 2.0 (Secure Digital I/O) – interfață host–periferic folosită frecvent pentru conectarea modulelor Wi-Fi.
- HS-UART (High-Speed UART) – interfață serială rapidă dedicată, folosită aici pentru BLE.
- PA (Power Amplifier) – amplificator de putere pe transmisie; crește nivelul semnalului RF.
- LNA (Low-Noise Amplifier) – amplificator cu zgomot redus pe recepție; îmbunătățește sensibilitatea.
- VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) – raportul undelor staționare; indică adaptarea antenă-linie (mai aproape de 1:1 = mai bine).
- dBi (decibeli în raport cu izotropia) – unitate de câștig al antenei; compară cu un radiator izotrop.
- Antena „pe cip” (chip antenna) – antenă miniatură montată pe modul/PCB, nu „în” siliciu.
- MHF4L – conector RF coaxial de tip micro, folosit pentru antene externe.
- 2 1216 (SMT) / M.2 2230 Key E (pluggable) – factori de formă: 1216 se soldează pe placă; 2230 Key E e card conectabil.
- Precertificare (FCC/CE/UKCA/MIC/RCM/KCC) – certificări radio deja obținute la nivel de modul pentru accelerarea lansării pe piață.
- Backport (drivere backported) – portarea unui driver mai nou pe un kernel Linux mai vechi pentru compatibilitate.
- PAwR (Periodic Advertising with Responses) – publicitate periodică cu răspunsuri, reduce consumul în scenarii cu mulți senzori.
- LE 2M PHY / LE Long Range – straturi fizice BLE pentru viteză mai mare (2 Mbit/s) sau acoperire extinsă (cu codare).