Moduli 802.11x: i kit di sviluppo possono semplificare la progettazione delle comunicazioni wireless per IoT

I progettisti di Internet delle cose (IoT) utilizzano la connettività wireless basata su Wi-Fi perché è molto diffusa e conosciuta. Tuttavia, la RF di qualsiasi tipo è complessa e richiede test di conformità normativa. Senza le necessarie competenze può rallentare lo sviluppo, soprattutto se un progettista sceglie di progettare la sezione RF da zero.

Un modo per accelerare il processo di progettazione è avvalersi di uno dei numerosi moduli pre-certificati disponibili. Questo articolo tratta dei vantaggi del Wi-Fi per le applicazioni wireless; passa poi a spiegare come progettare un prodotto utilizzando un modulo e gli strumenti di progettazione associati.

Perché la tecnologia Wi-Fi?

Il Wi-Fi è una delle numerose tecnologie RF a corto raggio per comunicazioni wireless che sfruttano l'allocazione dello spettro (senza licenza) industriale, scientifica e medica (ISM) a 2,4 GHz. La tecnologia è basata sulle specifiche IEEE 802.11 ed esiste in diverse varianti con diversi throughput e vari metodi di codifica digitale.

Rispetto a tecnologie come Bluetooth Low Energy (BLE) e ZigBee, è relativamente energivora, costosa e richiede notevoli risorse del processore. Tuttavia, è anche estremamente veloce. Dalla vecchia versione 802.11b con una velocità di dati grezzi di 11 Mbit/s agli impressionanti 600 Mbit/s della variante n, nessun'altra tecnologia standard aperta a 2,4 GHz può vantare tali valori. (Vedere l'articolo di DigiKey "Confronto tra le tecnologie wireless a basso consumo".)

Quale Wi-Fi?

Un elemento comune tra le diverse varianti Wi-Fi è che tutte le specifiche operative pertinenti sono dettate dalla Wi-Fi Alliance, i custodi del marchio Wi-Fi e delle specifiche. La Wi-Fi Alliance determina le strutture dei dati, le tecniche di crittografia, le frequenze, le configurazioni dei pacchetti e i sottoprotocolli utilizzati dalle reti locali Wi-Fi (LAN).

È importante sottolineare che il Wi-Fi può anche sfruttare l'allocazione dello spettro a 5 GHz, aumentando ulteriormente il throughput e riducendo potenziali interferenze che incontrerebbe nell'affollata banda a 2,4 GHz. Il rovescio della medaglia è una riduzione del raggio d'azione e una minore penetrazione attraverso ostacoli. (Vedere l'articolo di DigiKey "Qual è la differenza fra le LAN wireless a 2,4 e a 5 GHz nelle applicazioni industriali?")

Esistono numerosi protocolli Wi-Fi: IEEE 802.11b/g che operano nella banda a 2,4 GHz, IEEE 802.11a/ac che sono progettati per il funzionamento nella banda 5 GHz, mentre le radio IEEE 802.11n possono funzionare su entrambe le bande.

IEEE 802.11b è stato adottato già nel 1999 e offriva velocità di trasmissione dati di 5,5 e 11 Mbit/s. Oggi lo ritroviamo praticamente solo in vecchi sistemi. Tuttavia, il supporto per la versione b è incorporato nelle moderne radio n in modo che gli attuali sistemi possano funzionare anche con i sistemi legacy.

IEEE 802.11g è stato adottato nel 2003 impiegando una tecnica di modulazione diversa rispetto al protocollo originale per raggiungere velocità di trasmissione dati fino a 54 Mbit/s. Nelle applicazioni pratiche, la velocità dati utilizzabile è spesso dimezzata a causa di algoritmi di rilevazione e correzione degli errori a valle (FEC). La versione g è compatibile all'indietro con la b.

IEEE 802.11n è stato adottato nel 2009 e ha introdotto la tecnologia di antenna MIMO (Multiple Input, Multiple Output) per codificare diversi "flussi spaziali" simultanei, aumentando la velocità di trasmissione a 216 Mbit/s (ipotizzando una larghezza del canale di 20 MHz e un trasmettitore con tre flussi spaziali). 802.11n specifica anche un canale più ampio, a 40 MHz, formato dalla fusione di due canali da 20 MHz, il che aumenta il throughput a 450 Mbit/s. I dispositivi che supportano tre flussi spaziali sono limitati a computer portatili, tablet di fascia alta e access point (AP). I dispositivi a due flussi spaziali sono più diffusi, ma ancora limitati a computer portatili, tablet e smartphone di ultima generazione.

IEEE 802.11a è identico per molti aspetti alla versione g, tranne che per il funzionamento nella banda dei 5 GHz. La velocità dati massima è la stessa, ossia 54 Mbit/s. Oggigiorno 802.11a è in gran parte considerato un protocollo legacy.

IEEE 802.11ac è stato adottato nel 2013 e offre otto flussi speciali e larghezze di canale fino a 160 MHz per aumentare ulteriormente il throughput. I prodotti commerciali con questo protocollo stanno appena arrivando sul mercato, rimangono costosi e, almeno in un primo momento, la tecnologia è probabilmente destinata a prodotti di consumo di fascia alta.

L'allocazione della banda a 2,4 GHz permette un numero di canali a 20 MHz di 11 (negli Stati Uniti), 13 (nella maggior parte del resto del mondo) e 14 (in Giappone). La larghezza di 83 MHz della banda ospita solo tre canali Wi-Fi non sovrapposti (1, 6 e 11) (Figura 1).

Figura 1: Le assegnazioni dei canali Wi-Fi nella banda ISM a 2,4 GHz consentono tre canali non sovrapposti a 20 MHz (1, 6 e 11). (Immagine per gentile concessione di Cisco)

Per evitare le collisioni che altrimenti potrebbero verificarsi in WLAN adiacenti che utilizzano uno degli 11-14 canali, i produttori di solito progettano le proprie apparecchiature per comunicare solo in quelli non sovrapposti. Ad esempio, una radio Wi-Fi in cui si verificano interferenze eccessive nel canale 1 può essere commutata sui canali 6 o 11 per tentare di trovare un ambiente privo di interferenze.

Per facilitare la condivisione dello spettro, il Wi-Fi include meccanismi di contesa che regolano equamente la larghezza di banda tra i punti di accesso (AP) che utilizzano lo stesso canale. Un AP che funziona su un canale congestionato soffre di un tempo di trasmissione limitato, che influisce su quando può ricevere o inviare dati.

Wi-Fi per IoT

È importante notare che il Wi-Fi, basato sulla specifica IEEE 802.11, definisce solo gli strati fisici (PHY) e di collegamento dati di un protocollo di comunicazione. Gli strati di collegamento dati comprendono il controllo MAC (Media Acces Control) e LLC (Logical Link Control). Tuttavia, tale è la diffusione del Wi-Fi per la connettività Internet che PHY e lo strato di collegamento dati sono tipicamente integrati in uno stack di protocollo TCP/IP completo. Questo stack di protocollo garantisce l'interoperabilità Internet ed è tipicamente (ma non sempre) il software messo a disposizione dal fornitore della soluzione di connettività Wi-Fi. Il resto di questo articolo tratterà delle soluzioni Wi-Fi con stack TCP/IP (Figura 2).

Figura 2: Wi-Fi definisce gli strati fisico e di collegamento dati di uno stack. In genere, i fornitori offrono firmware che integra questi strati con uno stack TCP/IP completo che offre interoperabilità Internet. (Immagine per gentile concessione del Centro internazionale di fisica teorica)

Il Wi-Fi si è conquistato una nicchia profonda come tecnologia chiave per connettere smartphone, computer portatili e PC a Internet e ora si sta rapidamente diversificando per diventare una tecnologia di base per IoT.

Laddove interoperabilità Internet e throughput sono più importanti del consumo energetico, i dispositivi IoT Wi-Fi offrono una soluzione convincente al problema di inoltrare le informazioni direttamente dai sensori wireless a Internet. I sensori IoT Wi-Fi si connettono direttamente a Internet senza ricorrere a complicazioni quali strati di rete aggiuntivi come IPv6 su reti personali wireless a basso consumo (6LoWPAN).

Il Wi-Fi è una buona opzione per "gateway" economicamente convenienti in cui le unità basate su system-on-chip (SoC) Bluetooth LE/ZigBee/Wi-Fi multi-protocollo aggregano i dati da più sensori wireless a basso consumo e inoltrano queste informazioni al cloud.

Tenere presente che sta emergendo una forma di Wi-Fi a basso consumo energetico. Basato su IEEE 802.11ah e soprannominato "HaLow", il consumo energetico della tecnologia è ridotto al minimo sfruttando il ciclo di lavoro ultra-leggero utilizzato da altre tecnologie wireless a basso consumo. Si prevede un consumo energetico attorno all'1% di quello consumato dai tradizionali chip Wi-Fi. HaLow opera nella banda ISM a 900 MHz che aumenta la sua portata a quasi il doppio rispetto al Wi-Fi odierno. Il compromesso riguarda il throughput, che sembra sia paragonabile alla velocità massima dei dati grezzi di Bluetooth LE di 2 Mbit/s.

Accelerazione di progetti basati su Wi-Fi

Progettare da zero una soluzione IoT Wi-Fi riduce i costi e offre l'opportunità di ottimizzare completamente le prestazioni del prodotto wireless. Ma il progettista deve avere una notevole esperienza in hardware RF a frequenze di gigahertz, familiarità con i protocolli TCP/IP e, in più, avere la tenacia di intraprendere un lungo processo di test e verifica delle specifiche dello standard per la certificazione di conformità.

Un aiuto viene dai fornitori di semiconduttori che offrono progetti di riferimento che possono essere utilizzati come base per accelerare il processo di sviluppo. Tuttavia, tali schemi possono essere considerati solo come un punto di partenza: anche lievi variazioni dei componenti magnetici, dei substrati, delle tracce e delle impedenze del circuito possono avere un effetto considerevole sulle prestazioni e in genere comportano diverse iterazioni di progettazione per far sì che tutto funzioni senza intoppi.

Un percorso molto più rapido verso un progetto soddisfacente consiste nel selezionare un modulo assemblato, testato, verificato e provvisto di certificato di conformità. Questi prodotti possono essere rapidamente integrati in una soluzione IoT Wi-Fi, accelerando così il time-to-market.

Moduli IEEE 802.11 di qualsiasi variante per applicazione IoT e i relativi strumenti di sviluppo sono facilmente disponibili da molti fornitori di componenti elettronici. Un modulo base integrerà tipicamente un processore in banda base WLAN e un supporto per transceiver RF, amplificatore di potenza (PA), clock, commutatori RF, filtri, componenti passivi e gestione dell'alimentazione.

Poiché uno stack TCP/IP basato su Wi-Fi è una parte del firmware complessa da supervisionare, richiede le risorse di un microprocessore in grado di supportare un sistema operativo (SO) di alto livello come Linux o Android. I driver comuni per i sistemi operativi che gestiscono stack Wi-Fi sono disponibili presso i fornitori hardware, mentre driver aggiuntivi come quelli necessari per WinCE e una serie di sistemi operativi in tempo reale sono supportati da terze parti.

Spesso il progettista deve procurarsi il microprocessore adatto, insieme ai componenti passivi per realizzare l'adattamento dei circuiti e antenne a 2,4 e/o 5 GHz. Alcune soluzioni di moduli includono un processore embedded e altre ancora comprendono una soluzione operativa completa.

Moduli Wi-Fi per ogni situazione

Un buon esempio di modulo Wi-Fi economicamente conveniente progettato per applicazioni IoT come terminali POS, telecamere di sicurezza remote e sensori medici è WF111 Bluegiga di Silicon Labs. Il dispositivo fornisce connettività Internet tramite Wi-Fi b, g o n. Il prodotto offre solo il funzionamento a 2,4 GHz, una velocità massima di trasmissione dati di 72 Mbit/s e un bilancio di collegamento di 114 dBm (17 dBm di potenza di trasmissione del trasmettitore e -97 dBm di sensibilità del ricevitore). La sua tensione è compresa tra 1,7 e 3,6 V con una corrente di picco Tx di 192 mA e una corrente di picco Rx di 88 mA.

WF111 include un'antenna incorporata (o un connettore per un'antenna esterna) ed è progettato per funzionare con un microprocessore host esterno. Il dispositivo è controllato dal microprocessore host utilizzando un'interfaccia SDIO (Secure Digital Input Output) che opera in modalità 1 bit o 4 bit. L'interfaccia SDIO consente al microprocessore host di accedere direttamente alla funzionalità IEEE 802.11.

Poiché il fornitore del chip prevede che WF111 verrà utilizzato molto vicino ai sensori Bluetooth LE, per gestire la coesistenza wireless sono incluse fino a sei linee di controllo hardware. Le linee di controllo garantiscono che i dispositivi Wi-Fi e Bluetooth comunichino per evitare i trasferimenti simultanei di pacchetti che si verificano in genere quando i dispositivi Wi-Fi e Bluetooth LE si trovano molto vicini. Questi trasferimenti sono noti per deteriorare le prestazioni di collegamento (Figura 3).

Figura 3: WF111 di Silicon Labs include sei linee di controllo per garantire che i dispositivi Wi-Fi e Bluetooth coordinino le comunicazioni per migliorare la coesistenza. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

WL1801 di Texas Instruments (TI) fa compiere un ulteriore balzo in avanti alla partnership con Bluetooth integrando nello stesso dispositivo un IEEE 802.11 a/b/g/n e un transceiver Bluetooth/Bluetooth LE. Tale modulo è una soluzione ideale per i dispositivi gateway IoT descritti sopra in virtù della sua interoperabilità integrata con i protocolli sia Wi-Fi che Bluetooth.

Il dispositivo offre un funzionamento Wi-Fi sia a 2,4 che a 5 GHz, una velocità massima di trasferimento dati di 54 Mbit/s e un bilancio di collegamento di 115 dBm (18,5 dBm di potenza di trasmissione del trasmettitore e -96,5 dBm di sensibilità del ricevitore). L'intervallo di tensione operativa è compreso tra 2,9 e 4,8 V con una corrente di picco Tx di 420 mA e una corrente di picco Rx di 85 mA. I moduli sono certificati FCC, IC, ETSI e Telec.

WL1801 è fornito con stack Wi-Fi e Bluetooth, ma deve essere accoppiato con un microprocessore adatto, un clock a 32 kHz e una o più antenne per formare una soluzione completa. TI suggerisce un microprocessore della sua famiglia Sitara, ad esempio AM3351, un dispositivo ARM^® Cortex^® con core A8 in grado di supportare Linux, Android o sistemi operativi in tempo reale, oltre a un driver Wi-Fi e uno stack Bluetooth LE. Il microprocessore attiva il funzionamento Wi-Fi per mezzo di un'interfaccia SDIO e Bluetooth tramite UART (Figura 4).

Figura 4: WL1801 di TI lascia la scelta del microprocessore al progettista, sebbene la società consigli un chip potente come Sitara basato su ARM Cortex A8. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Il modulo LBEE5ZZ1MD di Murata migliora ulteriormente l'integrazione grazie alla presenza di un processore completo di stack firmware Wi-Fi precaricato. Anche se questo da un lato semplifica le cose abbinando il processore alla radio, dall'altro obbliga gli sviluppatori a scegliere l'hardware del processore del produttore del modulo e un ambiente di sviluppo che potrebbe non essere loro familiare.

Il modulo Murata fornisce connettività Internet tramite Wi-Fi b, g o n. Il dispositivo offre solo il funzionamento a 2,4 GHz, una velocità massima di trasmissione dati di 65 Mbit/s e un bilancio di collegamento di 100 dBm (2 dBm di potenza di trasmissione del trasmettitore e -98 dBm di sensibilità del ricevitore). Funziona con un'alimentazione di 3,3 volt con una corrente di picco Tx di 300 mA e una corrente di picco Rx di 45 mA.

Il modulo abbina MAC/banda base/radio Wi-Fi con il microprocessore STM32F412 di STMicroelectronics, basato su ARM Cortex-M4. Il modulo include clock su scheda, circuiti di adattamento e antenna a 2,4 GHz. È possibile aggiungere un clock periferico a 32,786 kHz. Il processore STM32F412 include UART, SPI, I²C e altre interfacce (Figura 5).

Figura 5: Il modulo Wi-Fi LBEE5ZZ1MD di Murata incorpora un microprocessore basato su ARM Cortex M4 insieme a clock, circuiti di adattamento e antenna. (Immagine per gentile concessione di Murata)

Il modulo è dotato di uno stack TCP/IP e di un sistema operativo Electric Imp per la connessione con il servizio cloud Electric Imp. Questo è utile per i progettisti che non hanno già familiarità con un fornitore terzo di servizi cloud e con le modalità di caricamento e accesso ai dati. Le indicazioni per le fasi di sviluppo sono offerte sul sito Web del centro di sviluppo Electric Imp.

NINA W132 di u-blox è un esempio di dove si può spingere un progettista con una soluzione modulare. Il dispositivo integra funzionalità Wi-Fi e Bluetooth LE, un processore host, gestione dell'alimentazione, 16 Mbit separati di memoria flash e un clock a 40 MHz.

La connettività Internet avviene tramite Wi-Fi 802.11b, g o n. Il dispositivo offre solo il funzionamento a 2,4 GHz, una velocità massima di dati grezzi di 54 Mbit/s e un bilancio di collegamento di 112 dBm (16 dBm di potenza di trasmissione del trasmettitore e -96 dBm di sensibilità del ricevitore). Funziona con un'alimentazione di 3,3 volt, una corrente di picco Tx di 320 mA e una corrente di picco Rx di 140 mA.

L'unità viene fornita con il software applicativo precaricato. Gli sviluppatori devono sapere in anticipo che per la configurazione sono obbligati a utilizzare il software toolbox s-center di u-blox (tramite i comandi AT).

Il modulo NINA-W132 offre una protezione totale del collegamento wireless utilizzando lo standard 802.11i (WPA2) e sicurezza enterprise.

Il vantaggio dei kit di sviluppo

Anche se i moduli fanno risparmiare molto lavoro sull'hardware e sono generalmente forniti con uno stack software Wi-Fi (TCP/IP) consolidato (e spesso esempi di applicazioni), non sempre la soluzione è ottimizzata per l'applicazione di destinazione dello sviluppatore. Tale ottimizzazione può essere spesso ottenuta con il kit di sviluppo del produttore del modulo. Gli strumenti di sviluppo sono spesso costituite da schede di sviluppo assemblate e testate che alloggiano il modulo.

Le schede di sviluppo per moduli che necessitano di un microprocessore complementare in genere possono essere collegate a una piattaforma di sviluppo basata sul microprocessore di destinazione. I kit di sviluppo sono studiati per fornire un'interfaccia API (Application Programmer Interface) al processore host e, a sua volta, allo stack Wi-Fi, facilitando la codifica dell'applicazione aggiuntiva.

Ad esempio, Silicon Labs offre il kit di sviluppo WF111 per valutare il modulo WF111 descritto sopra. Il kit di sviluppo comprende una scheda a circuiti stampati assemblata e testata con il modulo WF111. È fatto per adattarsi a uno slot per schede SDIO standard. Una volta montato, il modulo può essere usato e valutato utilizzando gli strumenti di valutazione del microprocessore target. Un'aggiunta utile è una basetta per accedere facilmente al bus di debug del modulo a fini di certificazione RF.

Un altro esempio è costituito dalla scheda di sviluppo WL1835 di TI. Si tratta di una scheda a circuiti stampati completamente assemblata e testata che comprende i moduli WL1801, tutti i circuiti periferici e l'antenna. Può essere collegata alla scheda di sviluppo Sitara TMDSICE3359, che vanta un processore Sitara idoneo per pilotare il modulo WL1801. Tale configurazione consente allo sviluppatore di testare le prestazioni di un'unità Wi-Fi funzionante nell'applicazione di destinazione.

Conclusione

Il Wi-Fi occupa una posizione unica tra i protocolli wireless IoT perché è in grado di supportare alte velocità di trasmissione dati e allo stesso tempo offre un'interoperabilità senza interruzioni con Internet. Tuttavia, come qualsiasi tecnologia RF, il Wi-Fi è complesso da progettare da zero.

Per molti progettisti, specie quelli con un ciclo di progettazione breve, un modulo può essere un'opzione migliore. Può avere un microprocessore embedded o essere combinato con il loro microprocessore preferito, e faciliterà e accelererà notevolmente il processo di progettazione e certificazione.