Semplificare l'integrazione wireless industriale con moduli Wi-Fi 6 pre-certificati con Bluetooth LE

Con l'avvento dell'Internet delle cose (IoT), la connettività wireless è diventata un requisito fondamentale per le applicazioni industriali, dal monitoraggio delle apparecchiature e delle risorse all'automazione degli edifici. I progettisti che desiderano implementare questa connettività devono affrontare diverse sfide, tra cui l'integrazione di chipset wireless, antenne, componenti software, certificazione globale, sicurezza e affidabilità in ambienti difficili.

Possono superare queste sfide optando per moduli Wi-Fi 6 robusti e pre-certificati con Bluetooth Low Energy (BLE) 5.4, che offrono le caratteristiche necessarie semplificando l'integrazione.

Questo articolo illustra le sfide della connettività wireless per i progettisti di sistemi industriali e presenta esempi di moduli Wi-Fi 6 pre-certificati con BLE 5.4 di Ezurio. Illustra inoltre le antenne pre-certificate e un kit di sviluppo associato.

Le principali sfide delle comunicazioni wireless industriali

Gli ambienti industriali presentano un numero sempre crescente di endpoint che devono condividere dati ad alta velocità; le reti wireless sono spesso l'unico mezzo pratico per comunicare questi dati.

Questo può portare alla congestione della rete per le tecnologie wireless più vecchie, con problemi di latenza e perdita di pacchetti, che incidono sull'efficienza operativa. Una tecnologia di comunicazione obsoleta oltretutto può rendere le reti vulnerabili agli attacchi informatici.

Le moderne tecnologie come il Wi-Fi 6 e il BLE 5.4 possono risolvere questi problemi, ma lo sviluppo e l'integrazione di queste tecnologie richiedono una solida esperienza nel campo delle radiofrequenze, in particolare per i dispositivi con vincoli di spazio e per le applicazioni di riqualificazione. Inoltre, molte soluzioni wireless richiedono fasi di assemblaggio manuale, che rallentano la produzione e aumentano i costi.

L'affidabilità è un'altra preoccupazione. Molti ambienti industriali sono caratterizzati da significative interferenze elettromagnetiche (EMI), temperature estreme, vibrazioni e urti. Per ultimo, numerose applicazioni richiedono un basso consumo energetico per prolungare la durata della batteria e garantire la conformità agli standard globali.

Una soluzione robusta: moduli Wi-Fi 6 con Bluetooth LE 5.4

I moduli Sona TI351 di Ezurio affrontano le sfide della connettività wireless industriale combinando Wi-Fi e BLE in soluzioni robuste e pre-certificate (Figura 1). Costruiti attorno al CI complementare Wi-Fi e BLE SimpleLink CC3351 di Texas Instruments, questi moduli sono disponibili nelle varianti con tecnologia a montaggio superficiale (SMT) e a innesto, con la possibilità di scegliere tra un'antenna incorporata nel chip o un connettore per antenna.

Figura 1: Sona TI351 è una famiglia di moduli compatti e pre-certificati Wi-Fi 6 e BLE 5.4 nelle varianti SMT e a innesto, con antenne incorporate o connettori per antenna. (Immagine per gentile concessione di Ezurio)

Tutti i moduli supportano il Wi-Fi 6 (802.11ax) tramite un'interfaccia SDIO 2.0 con trasferimento dati ad alta velocità, rilevamento e correzione degli errori integrati. Il Wi-Fi 6 offre diverse caratteristiche che supportano prestazioni affidabili nelle reti industriali congestionate:

• L'accesso multiplo a divisione di frequenza ortogonale (OFDMA) consente la trasmissione simultanea da parte di più dispositivi IoT sullo stesso canale, aumentando l'efficienza in installazioni dense.
• Il tempo di riattivazione target (TWT) ottimizza la durata della batteria consentendo una programmazione precisa degli orari di riattivazione del dispositivo.
• Il supporto dual-band offre flessibilità per diversi casi d'uso: 2,4 GHz garantisce una migliore penetrazione degli ostacoli, mentre 5 GHz offre una maggiore larghezza di banda.
• La potenza di trasmissione di 18 dBm garantisce una copertura affidabile in ampi spazi industriali.

Il supporto BLE 5.4 dei moduli avviene tramite un canale UART ad alta velocità (HS-UART) dedicato. BLE 5.4 è un protocollo adatto agli ambienti industriali. Supporta:

• Advertising periodico con risposta (PAwR) per ridurre il consumo energetico utilizzando finestre di trasmissione predeterminate
• Trasferimento periodico di sincronizzazione dell'advertising (PAST) per semplificare la gestione della rete consentendo ai dispositivi primari di condividere i dati di sincronizzazione
• Strato fisico (PHY) LE 2 Mbps per supportare la trasmissione veloce dei dati con un rapido ritorno alla modalità di sospensione, migliorando ulteriormente l'efficienza energetica
• Modalità LE a lungo raggio per una comunicazione affidabile su lunghe distanze

I moduli supportano la coesistenza di Wi-Fi e Bluetooth per le applicazioni che richiedono entrambi i protocolli.

Un progetto ad alta affidabilità

I moduli Sona TI351 incorporano un amplificatore di potenza (PA) che aumenta la potenza del segnale in uscita per garantire un funzionamento affidabile in ambienti difficili. In ingresso, un amplificatore a basso rumore (LNA) migliora la ricezione del segnale amplificando i segnali deboli e riducendo al minimo le interferenze dovute al rumore. Questa combinazione garantisce una connettività wireless stabile anche in ambienti caratterizzati da forti EMI e da ostacoli fisici.

I moduli sono inoltre progettati per garantire l'affidabilità fisica. Le versioni SMT sono dotate di connessioni robuste che tollerano le vibrazioni e le sollecitazioni meccaniche, mentre l'opzione dell'antenna embedded elimina un potenziale punto di guasto. I moduli hanno un intervallo della temperatura di funzionamento da -40 a 85 °C.

Supporto software completo per i sistemi operativi Linux e Android

I moduli Sona TI351 includono un supporto software completo per i sistemi operativi Linux e Android. Per Linux, lo stack di connettività è stato testato su più versioni del kernel, con driver backport per le versioni precedenti alla v2.6.37 per garantire la compatibilità con i kernel precedenti. Lo stack supporta ambienti di compilazione già noti, tra cui Buildroot, Yocto e Ubuntu.

Anziché fornire solo i driver specifici per l'hardware, Ezurio offre uno stack di connettività completo e pre-testato (Figura 2). Questo approccio aiuta a prevenire le incompatibilità tra i componenti e accelera l'integrazione del sistema. Lo stack viene continuamente aggiornato con i più recenti componenti dei driver e del kernel per garantire prestazioni ottimali.

Figura 2: Sona TI351 è dotato di uno stack software completo per la connettività. (Immagine per gentile concessione di Ezurio)

Problemi di sicurezza e certificazione

I moduli sfruttano le funzioni di sicurezza avanzate Wi-Fi 6 e BLE 5.4. Per Wi-Fi, offrono un solido supporto per i protocolli di sicurezza WPA2/3 di livello aziendale, compresi meccanismi avanzati di crittografia e autenticazione.

Per BLE, la funzione Dati advertising criptati consente la trasmissione sicura di informazioni sensibili senza l'onere di stabilire connessioni continue, particolarmente utile nei sistemi di automazione degli edifici che trasmettono dati ambientali o credenziali di accesso. Inoltre, la caratteristica dei livelli di sicurezza del BLE Generic Attribute Profile (GATT) offre diversi livelli di sicurezza per vari tipi di dati, ottimizzando l'equilibrio tra sovraccarico di sicurezza e prestazioni.

La conformità alle normative può essere un problema non indifferente, indipendentemente dal protocollo scelto dai progettisti, soprattutto per i dispositivi spediti nei mercati internazionali. Per rispondere a queste esigenze, la famiglia Sona TI351 è certificata secondo gli standard FCC (USA), IC (Canada), CE (Europa), UKCA (Regno Unito), MIC (Giappone), RCM (Australia/Nuova Zelanda) e KCC (Corea del Sud).

Le opzioni SMT e M.2 offrono flessibilità di assemblaggio

Come già detto, la famiglia Sona TI351 di Ezurio è disponibile in diverse configurazioni per soddisfare i requisiti di applicazioni specifiche. Ad esempio, il modello 453-00200R (Figura 3) utilizza il fattore di forma compatto M.2 1216 SMT di 12 x 16 mm con un'antenna in chip integrata. Questa soluzione consente l'assemblaggio automatizzato e fornisce una connessione robusta in grado di resistere agli ambienti industriali. Questa combinazione di caratteristiche rende il modulo particolarmente adatto a implementazioni in grandi volumi, dove l'affidabilità e l'efficienza di produzione sono fondamentali.

Figura 3: Sona TI351 453-00200R è un modulo compatto di 12 x 12 mm in formato M.2 1216 SMT con antenna in chip integrata. (Immagine per gentile concessione di Ezurio)

Per le applicazioni che richiedono la connettività di un'antenna esterna, il modello 453-00199R (Figura 4) ha lo stesso fattore di forma M.2 1216, ma offre un connettore MHF4L al posto dell'antenna in chip. Questa configurazione consente l'uso di antenne esterne per una ricezione ottimale del segnale in ambienti RF difficili, come gli involucri metallici o le aree ad alta emissione di EMI.

Figura 4: Il modulo Sona TI351 453-00199R è dotato di un connettore per antenna MHF4L. (Immagine per gentile concessione di Ezurio)

A differenza dei due esempi precedenti, il modello 453-00209 (Figura 5) utilizza un connettore M.2 2230 Key E per configurazioni di sistema innestabili. Questa caratteristica assicura una facile installazione e sostituzione sul campo, rendendo il modulo particolarmente utile per le applicazioni di monitoraggio delle apparecchiature in cui è fondamentale ridurre al minimo i tempi di inattività del sistema durante la manutenzione.

Figura 5: Il modulo Sona TI351 453-00209 utilizza un connettore M.2 2230 Key E per configurazioni di sistema innestabili. (Immagine per gentile concessione di Ezurio)

Questa gamma di opzioni consente ai progettisti di sistemi di ottimizzare le implementazioni per casi d'uso specifici, assicurando l'affidabilità e la facilità di integrazione.

Le antenne pre-certificate semplificano la progettazione RF

Per i moduli dotati di connettore MHF4L, Ezurio offre una gamma di antenne pre-certificate. Un esempio è l'antenna planare a F invertita flessibile (FlexPIFA) da 5 W EFB2471A3S-10MH4L (Figura 6) con supporto adesivo per facilitare l'integrazione. Questa antenna tribanda (2,4/5/6 GHz, con supporto per 7,125 GHz) mantiene un basso rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione medio di 1,6:1 a 5,925-7,125 GHz. Ha un guadagno di 3,9 dBi a 5 GHz ed è particolarmente adatta alle applicazioni globali in cui sono essenziali prestazioni su diverse bande di frequenza.

Figura 6: EFB2471A3S-10MH4L è un'antenna tribanda da 2,4/5/6 GHz, 5 W. (Immagine per gentile concessione di Ezurio)

Per le applicazioni stazionarie Industrial IoT (IIoT) e di monitoraggio delle apparecchiature, il modello 001-0021 (Figura 7) offre una soluzione dual-band a 2,4/5 GHz. Ha un ROS in tensione di <2,5:1 a 2,4 GHz e un guadagno di 3 dBi a 5 GHz.

Figura 7: Il modello 001-0021 è un'antenna dual-band a 2,4/5 GHz. (Immagine per gentile concessione di Ezurio)

La linea di antenne pre-certificate può semplificare significativamente lo sviluppo dei prodotti. Ezurio ha già testato le antenne da utilizzare con i moduli, riducendo il rischio di problemi imprevisti in fatto di prestazioni RF. Più in generale, la combinazione dei fattori di forma dei moduli e della scelta dell'antenna consente ai progettisti di sistemi di ottimizzare le implementazioni mantenendo la facilità di integrazione.

Il kit di sviluppo fornisce accesso completo

I progettisti possono utilizzare il kit di sviluppo 453-00200-K1 (Figura 8) per iniziare rapidamente a utilizzare i moduli. Questo kit completo utilizza un modulo antenna in chip 453-00200 e offre diverse interfacce software e hardware con un host Linux per testare la funzionalità e le prestazioni del modulo.

Figura 8: Il kit di sviluppo Sona TI351 è basato su un modulo antenna in chip 453-00200 e fornisce interfacce di comunicazione e hardware a un host Linux. (Immagine per gentile concessione di Ezurio)

Il kit comprende cavi ad alta e bassa velocità e schede/figlie che si collegano a dispositivi UART o SDIO ad alta velocità. Le basette, i ponticelli e gli interruttori su scheda consentono di separare facilmente le reti di alimentazione da quelle di segnale per effettuare test e misurare il consumo energetico durante lo sviluppo hardware e software.

Conclusione

I moduli Sona TI351 risolvono le principali sfide di connettività wireless negli ambienti industriali, offrendo funzionalità wireless avanzate in un progetto compatto e robusto. La pre-certificazione di moduli e antenne, le molteplici opzioni di montaggio e fattori di forma e un kit di sviluppo completo riducono al minimo i tempi e i rischi insiti nello sviluppo.