Bruk trådløse moduler for flere protokoller til å forenkle IoT-produktutvikling og -sertifisering

Trådløs tilkobling gjør det mulig for konstruktører å forvandle dumme produkter til smarte, integrerte elementer i tingenes Internett (IoT) som kan sende data til skyen for kunstig intelligens-basert (AI – artificial intelligence) analyse, samtidig som enheter kan motta OTA-instruksjoner (OTA – over-the-air), fastvareoppdateringer og sikkerhetsforbedringer.

Det er imidlertid ikke noen liten sak å legge til en trådløs kobling til et produkt. Før konstruksjonsfasen kan starte, må konstruktører velge en trådløs protokoll, noe som kan være vanskelig. For eksempel er flere trådløse standarder virksomme i det populære, lisensfrie spekteret på 2,4 gigahertz (GHz). Hver av disse standardene representerer en avveining når det gjelder rekkevidde, gjennomstrømning og strømforbruk. For å velge den beste for et gitt bruksområde, kreves nøye evaluering av kravene mot egenskapene til en protokoll.

Da vil, selv med svært integrerte moderne transceivere, utformingen av radiofrekvenskretsen (RF – radiofrekvens) være en utfordring for mange designteam, noe som kan føre til kostnads- og tidsplanoverskridelser. Videre må et RF-produkt sertifiseres for drift, noe som i seg selv kan være en involvert, kompleks og tidkrevende prosess.

Én løsning er å basere konstruksjonen på en sertifisert modul som bruker et system-på-brikke (SoC – system-on-chip) for flere protokoller. Dette eliminerer kompleksiteten til RF-konstruksjoner med frittstående komponenter og muliggjør fleksibilitet når det gjelder valg av trådløs protokoll. Denne modultilnærmingen gir konstruktører en trådløs ferdigløsning, noe som gjør det mye enklere å integrere trådløs konnektivitet i produkter og bestå sertifisering.

Denne artikkelen tar for seg fordelene med trådløs tilkobling, ser på styrkene til noen viktige trådløse 2,4 GHz-protokoller, analyserer kort problemer forbundet med maskinvarekonstruksjon og introduserer en egnet RF-modul fra Würth Elektronik. Artikkelen tar også for seg sertifiseringsprosessen som kreves for å tilfredsstille globale forskrifter, ser på programvareutvikling og introduserer et programvareutviklingssett (SDK – Software Development Kit) som kan hjelpe konstruktører med å komme i gang med modulen.

Fordelene til multiprotokoll-transceivere

Det er ikke én enkel trådløssektor med kort rekkevidde som dominerer, fordi hver sektor gjør avveininger for å tilfredsstille målene sine. For eksempel kommer større rekkevidde og/eller gjennomstrømning på bekostning av økt strømforbruk. Andre viktige faktorer å ta i betraktning er interferensimmunitet, nettverksfunksjonalitet og driftskompatibilitet mellom Internett-protokoller (IP).

Av de ulike etablerte trådløs-teknologiene med kort rekkevidde, er det tre klare ledere: lavenergi-Bluetooth (Bluetooth LE), Zigbee og Thread. De deler noen likheter på grunn av et delt DNA fra IEEE 802.15.4-spesifikasjonen. Denne spesifikasjonen beskriver fysiske (PHY) lag og MAC-lag (MAC – media access control – kontrolladresse for nettverkstilgang) for trådløse personlige områdenettverk (WPAN – wireless personal area network) med lav datahastighet. Teknologien fungerer vanligvis ved 2,4 GHz, selv om det finnes noen sub-GHz-varianter fra Zigbee.

Bluetooth LE er egnet for IoT-konstruksjoner, for eksempel sensorer for smarthjem, der dataoverføringshastighetene er beskjedne og forekommer med sjeldne mellomrom (figur 1). Bluetooth LE sin driftskompatibilitet med Bluetooth-brikkene som befinner seg i de fleste smarttelefoner, er også en stor fordel for forbrukerorienterte enheter, slik som kroppsbårne enheter. De viktigste ulempene med teknologien er behovet for en dyr og strømkrevende gateway for å koble til skyen og knotete maskenettverksmuligheter.

Figur 1: Bluetooth LE er godt egnet for sensorer i smarthjem, som kameraer og termostater. Driftskompatibiliteten med smarttelefoner forenkler konfigurasjonen av kompatible produkter. (Bildekilde: Nordic Semiconductor)

Zigbee er også et godt valg for konstruksjoner med lav effekt og lav gjennomstrømning for industriautomasjon, kommersielle bruksområder og i hjemmet. Gjennomstrømningen er lavere enn Bluetooth LE, mens rekkevidden og strømforbruket er likt. Zigbee er ikke driftskompatibel med smarttelefoner, og tilbyr heller ikke integrert IP-funksjonalitet. En viktig fordel med Zigbee er at den er utviklet fra grunnen av for maskenettverk.

Thread, i likhet med Zigbee, bruker IEEE 802.15.4 PHY og MAC, og er utviklet for å støtte store maskenettverk på opptil 250 enheter. Thread skiller seg fra Zigbee gjennom bruken av 6LoWPAN (en kombinasjon av IPv6 og WPAN-er med lavt strømforbruk), noe som gjør konnektivitet med andre enheter og skyen enkelt, om enn via en nettverksenhet på inngangspunktet (edge) kalt en grenseruter. (Se «En kort veiledning til hva som er viktig for trådløse teknologier med kort rekkevidde».)

Selv om standardbaserte protokoller dominerer, er det fortsatt en nisje for proprietære 2,4 GHz-protokoller. Selv om de begrenser konnektivitet til andre enheter utstyrt med brikken til samme produsent, kan slike protokoller finjusteres for å optimalisere strømforbruk, rekkevidde, interferensimmunitet og andre viktige driftsparametere. En IEEE 802.15.4 PHY og MAC er i stand til å støtte proprietær trådløsteknologi på 2,4 GHz.

Populariteten til disse tre kortdistanseprotokollene og fleksibiliteten som tilbys av proprietær 2,4 GHz-teknologi, gjør det vanskelig å velge den som passer til det bredeste settet av bruksområder. Tidligere måtte en konstruktør velge én trådløsteknologi, og deretter utforme produktet på nytt hvis det var behov for en variant med en annen protokoll. Men fordi protokollene bruker PHY-er basert på en lignende arkitektur og fungerer i 2,4 GHz-spektret, tilbyr mange silisiumleverandører transceivere for flere protokoller.

Disse brikkene gjør det mulig å rekonfigurere én enkel maskinvareutforming for flere protokoller ved å ganske enkelt laste opp ny programvare. Enda bedre er at produktet kan leveres med flere programvarestakker, med veksling mellom hver overvåket av en mikrokontroller (MCU – microcontroller unit). Dette kan for eksempel gjøre det mulig å bruke Bluetooth LE til å konfigurere en smarthjem-termostat fra en smarttelefon før enheten veksler protokoll for å bli med i et Thread-nettverk.

Nordic Semiconductor sin nRF52840 system på brikke (SoC) støtter Bluetooth LE, Bluetooth Mesh, Thread, Zigbee, IEEE 802.15.4, ANT+ og proprietære stakker på 2,4 GHz. Nordic sin system på brikke (SoC) integrerer også en Arm® Cortex®-M4-mikrokontroller – som passer på RF-protokollen og applikasjonsprogramvaren – samt 1 megabyte (Mbyte) flashminne og 256 kilobyte (Kbyte) RAM. Når Bluetooth LE-modus kjøres, tilbyr SoC-en en maksimal rå datagjennomstrømning på 2 megabit per sekund (Mb/s). Sendestrømforbruket fra den 3-volts DC-inngangsforsyningen er 5,3 milliampere (mA) ved 0 desibel, referert til som 1 milliwatt (dBm) utgangseffekt, og mottaksstrømforbruket (RX) er 6,4 mA ved en rå datahastighet på 1 Mb/s. Maksimal sendereffekt for nRF52840 er +8 dBm og følsomheten er –96 dBm (Bluetooth LE ved 1 Mb/s).

Betydningen av god RF-konstruksjon

Selv om trådløse SoC-er som Nordic sin nRF52840 er svært kapable enheter, kreves fortsatt betydelige konstruksjonskunnskaper for å maksimere RF-ytelsen. Teknikeren må særlig ta i betraktning faktorer som strømforsyningsfiltrering, eksterne krystalltimingskretser, antenneutforming og -plassering og, viktigst, impedanstilpasning.

Den viktigste parameteren som skiller en god RF-krets fra en dårlig, er impedansen (Z). Ved høye frekvenser, for eksempel 2,4 GHz som brukes av en radio med kort rekkevidde, er impedansen ved et gitt punkt på en RF-bane relatert til den karakteristiske impedansen til denne banen, som igjen avhenger av kretskortets substrat, dimensjonene til banen, avstanden fra lasten og lastens impedans.

Det viser seg at når lastimpedansen – som for et sendersystem vil være antennen og for et mottakersystem vil være transceiver-SoC-en – er lik den karakteristiske impedansen, forblir den målte impedansen den samme i alle avstander langs banen fra lasten. Som et resultat minimeres linjetapene, og maksimal effekt overføres fra senderen til antennen, noe som øker robustheten og rekkevidden. Det er derfor god designpraksis å bygge et tilpasningsnett (matching network) som sikrer at impedansen til en RF-enhet er lik kretskortets karakteristiske impedans. (Se «SoC-er for Lavenergi-Bluetooth og verktøy som er kompatible med Bluetooth 4.1, 4.2 og 5 møter IoT-utfordringer (del 2)».)

Tilpasningsnett består av én eller flere shuntinduktorer og seriekondensatorer. Utfordringen til konstruktøren er å velge den beste nettverkstopologien og de beste komponentverdiene. Produsenter tilbyr ofte simuleringsprogramvare for å hjelpe med konstruksjonen av tilpasningsnett, men selv etter å ha fulgt gode konstruksjonsnormer, kan den resulterende kretsen ofte utvise skuffende RF-ytelse, manglende rekkevidde og lav pålitelighet. Dette fører til flere konstruksjonsiterasjoner for å revidere tilpasningsnettet (figur 2).

Figur 2: Den nordiske nRF52840 krever eksterne kretser for å kunne dra nytte av funksjonaliteten. Eksterne kretser inkluderer filtrering på inngangsspenning, støtte for ekstern krystalltiming og tilkobling til SoC-ens antennepinne (ANT,) impedanstilpasningskretser mellom SoC-en og en antenne. (Bildekilde: Nordic Semiconductor)

Fordelene til en modul

Det er noen fordeler forbundet med å konstruere en trådløs krets med kort rekkevidde ved å bruke frittstående komponenter, spesielt lavere materialkostnader (BoM) og plassbesparelser. Men selv om konstruktøren følger en av de mange utmerkede referansekonstruksjonene fra SoC-leverandører, kan andre faktorer – for eksempel komponentkvalitet og toleranser, kortlayout og substrategenskaper samt emballasje for sluttenheten – dramatisk påvirke RF-ytelsen.

En alternativ tilnærming er å basere den trådløse konnektiviteten rundt en tredjepartsmodul. Modulene er ferdigmonterte, optimaliserte og testede løsninger som muliggjør trådløs konnektivitet med direkte utskiftning (drop-in). I de fleste tilfeller vil modulen allerede være sertifisert for bruk i globale markeder, noe som gir konstruktøren tiden og pengene som trengs for å bestå RF-reguleringssertifisering.

Det er noen ulemper forbundet med modulbruk. Disse omfatter økte utgifter (avhengig av volum), større sluttproduktstørrelse, avhengighet av én enkel leverandør og dens evne til volumleveranse, og (noen ganger) et redusert antall tilgjengelige pinner i forhold til SoC-en som modulen er basert på. Men hvis enkel konstruksjon og redusert tid å få produktet ut på markedet oppveier disse ulempene, er en modul løsningen.

Ett eksempel som bruker Nordic nRF52840 i hjertet, er Würth Elektronik sin Setebos-I 2,4 GHz-radiomodul 2611011024020. Den kompakte modulen måler 12 × 8 × 2 millimeter (mm), har integrert antenne, et deksel for å minimere elektromagnetisk interferens (EMI) og leveres med fastvare for å støtte Bluetooth 5.1 og proprietære 2,4 GHz-protokoller (figur 3). Som beskrevet ovenfor, er SoC-en i hjertet til modulen også i stand til å støtte Thread og Zigbee – når egnet fastvare legges til.

Figur 3: Setebos-I 2,4 GHz-radiomodulen kommer i en kompakt formfaktor, har integrert antenne og leveres med et deksel for å begrense elektromagnetisk interferens (EMI). (Bildekilde: Würth Elektronik)

Modulen tar en inngang på 1,8 til 3,6 volt, og når den er i dvalemodus trekker den bare 0,4 mikroampere (µA). Driftsfrekvensen dekker det industrielle, vitenskapelige og medisinske ISM-båndet (ISM – Industrial, Scientific, Medical), som er sentrert rundt 2,44 GHz (2,402 til 2,480 GHz). Under ideelle forhold, med 0 dBm utgangseffekt, er rekkevidden mellom senderen og mottakeren opptil 600 meter (m), og maksimal lavenergi-Bluetooth-gjennomstrømning er 2 Mb/s. Modulen har en integrert antenne med kvart bølgelengde (3,13 cm), men det er også mulig å øke rekkevidden ved å koble en ekstern antenne til den aktuelle ANT-terminalen på modulen (figur 4).

Figur 4: Setebos-I 2,4 GHz-radiomodulen har en pinne for en ekstern antenne (ANT) for å utvide radioens rekkevidde. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Setebos-I-radiomodulen gir tilgang til nRF52840 SoC-ens pinner via loddeøyer. Tabell 1 viser funksjonen til hver modulpinne. «B2»- til «B6»-pinnene er programmerbare GPIO-er som er nyttige for tilkobling av sensorer for temperatur, fuktighet og luftkvalitet.

Tabell 1: Her vises Setebos-I 2,4 GHz-radiomodulens pinnebetegnelser. LED-utganger kan brukes til å indikere radiosending og -mottak. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Produktsertifisering for kort trådløsrekkevidde

Selv om 2,4 GHz-båndet er en lisensfri spektrumtildeling, kreves det fortsatt at radioenheter som er virksomme i båndet oppfyller lokale forskrifter, for eksempel de som er påbudt av U.S. Federal Communications Commission (FCC), European Declaration of Conformity (CE) eller Telecom Engineering Center (TELEC) i Japan. Godkjenning av forskriftene krever at du sender inn et produkt for testing og sertifisering, noe som kan være tidkrevende og kostbart. Hvis RF-produktet svikter en del av testen, må en helt ny innsending gjøres. Hvis modulen skal brukes i Bluetooth-modus, vil den også trenge en Bluetooth-oppføring fra Bluetooth Special Interest Group (SIG).

Sertifisering for modulen gir ikke automatisk sertifisering til sluttproduktet hvis modulen brukes. Det gjør imidlertid sluttproduktenes sertifisering vanligvis til en stor papirarbeidsoppgave i stedet for en omfattende nytestingsoppgave – forutsatt at de ikke bruker flere trådløse enheter, for eksempel Wi-Fi. Det samme gjelder vanligvis når Bluetooth-oppføring skal innhentes. Når produktene som bruker modulen er sertifisert, får de en etikett som angir FCC- og CE-numre og andre relevante ID-numre (figur 5).

Figur 5: Eksempel på en ID-etikett som er festet på Setebos-I-modulen for å vise at den har bestått CE- og FCC RF-sertifisering. Sertifisering kan vanligvis arves av sluttproduktet uten å måtte testes på nytt, og dette kan gjøres med noe enkelt papirarbeid. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Modulprodusenter velger vanligvis å anskaffe RF-sertifisering (og Bluetooth-oppføring hvis det er hensiktsmessig) for modulene sine for regionene der de har til hensikt å selge produktene. Würth Elektronik har gjort dette for Setebos-I-radiomodulen, men den må brukes med fabrikkens fastvare. Når det gjelder Bluetooth-drift, er modulen forhåndssertifisert, forutsatt at den brukes med Nordic sin S140 lavenergi-Bluetooth-fabrikkstakk eller en stakk som leveres via bedriftens nRF Connect SDK-programvareutviklingssett.

Würth- og Nordic-fastvaren er robust og velprøvd for alle bruksområder. Hvis konstruktøren imidlertid bestemmer seg for å omprogrammere modulen med enten lavenergi-Bluetooth med åpen standard eller 2,4 GHz proprietær stakk, eller en fra en alternativ kommersiell leverandør, må de starte sertifiseringsprogrammene fra begynnelsen av for regionene der den tiltenkte driften skal befinne seg.

Utviklingsverktøy for Setebos-I-radiomodulen

For avanserte utviklere tilbyr Nordic nRF Connect SDK et omfattende designverktøy for å bygge applikasjonsprogramvare for SoC-en til nRF52840. nRF Connect for VS Code-utvidelsen er det anbefalte integrerte utviklingsmiljøet (IDE – integrated development environment) for å kjøre nRF Connect SDK. Det er også mulig å bruke nRF Connect SDK-en til å laste opp en alternativ lavenergi-Bluetooth- eller 2,4 GHz-protokoll til nRF52840. (Se kommentarene ovenfor om hvilke virkninger dette har på modulsertifisering.)

nRF Connect SDK fungerer sammen med nRF52840 DK-utviklingssettet (figur 6). Maskinvaren har nRF52840 SoC-en og støtter kodeutvikling og testing av prototyper. Når applikasjonsprogramvaren er klar kan nRF52840 DK fungere som en J-Link-programmerer for å portere koden til Setebos-I-radiomodulens nRF52840-flashminne via modulens «SWDCLK»- og «SWDIO»-pinner.

Figur 6: Nordic nRF52840 DK kan brukes til å utvikle og teste applikasjonsprogramvare. Utviklingssettet kan deretter brukes til å programmere andre nRF52840 SoC-er, for eksempel den som brukes på Setebos-I-modulen. (Bildekilde: Nordic Semiconductor)

Programvare bygget ved hjelp av Nordic sine utviklingsverktøy er utviklet for å kjøre på den integrerte Arm Cortex-M4-mikrokontrolleren til nRF52840. Det kan imidlertid være slik at sluttproduktet allerede er utstyrt med en annen mikrokontroller, og at utvikleren ønsker å bruke denne til å kjøre applikasjonskode og overvåke trådløs konnektivitet. Det kan også hende at utvikleren er mer kjent med utviklingsverktøy for andre populære vertsmikroprosessorer, for eksempel STMicroelectronics sin STM32F429ZIY6TR. Denne prosessoren er også basert på en Arm Cortex-M4-kjerne.

For å gjøre det mulig for en ekstern vertsmikroprosessor å kjøre applikasjonsprogramvare og overvåke nRF52840 SoC-en, tilbyr Würth Elektronik en SDK for trådløs konnektivitet (Wireless Connectivity SDK). SDK-en er et sett med programvareverktøy som muliggjør rask programvareintegrasjon av selskapets trådløse moduler med mange populære prosessorer, inkludert STM32F429ZIY6TR-brikken. SDK-en består av drivere og eksempler i C som bruker UART-, SPI- eller USB-periferienhetene på den underliggende plattformen til å kommunisere med den tilknyttede radioenheten (figur 7). Utvikleren porterer ganske enkelt SDK C-koden til vertsprosessoren. Dette reduserer tiden som trengs for å utvikle et programvaregrensesnitt for radiomodulen.

Figur 7: SDK-driveren for trådløs konnektivitet gjør det enkelt for utviklere å drive Setebos-I-radiomodulen via en UART-port ved å bruke en ekstern vertsmikroprosessor. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Setebos-I-radiomodulen bruker et «kommandogrensesnitt» for konfigurasjons- og driftsoppgaver. Dette grensesnittet tilbyr opptil 30 kommandoer som utfører oppgaver som å oppdatere forskjellige enhetsinnstillinger, sende og motta data og sette modulen i en av en rekke forskjellige laveffektsmoduser. Den tilkoblede radioenheten må kjøre i kommandomodus for å bruke SDK-en for trådløs konnektivitet.

Konklusjon

Det kan være vanskelig å bestemme seg for én enkel trådløs protokoll for et tilkoblet produkt, og enda mer utfordrende å konstruere radiokretsen fra bunnen av. En radiomodul som Würth Elektronik sin Setebos-I tilbyr ikke bare fleksibilitet når det gjelder valg av protokoll, men den tilbyr også en tilkoblingsløsning for direkte utskiftning (drop-in) som oppfyller de regulatoriske driftskravene til ulike regioner. Setebos-1-modulen leveres med Würth sin SDK for trådløs konnektivitet, noe som gjør det enkelt og raskt for utviklere å styre modulen ved å bruke eget valg av vertsmikrokontroller.