Förenkla industriell trådlös integration med hjälp av förcertifierade WiFi 6-moduler med Bluetooth LE

I och med utvecklingen av Internet of Things (IoT) har trådlös uppkoppling blivit ett grundläggande krav i industriella tillämpningar som omfattar allt från övervakning av utrustning och spårning av tillgångar till fastighetsautomation. Konstruktörer som vill implementera denna uppkopplingsmöjlighet står inför flera utmaningar, bland annat integrering av trådlösa kretsuppsättningar, antenner, programkomponenter, global certifiering, säkerhet och tillförlitlighet i tuffa miljöer.

Utmaningarna kan lösas genom att välja stabila, förcertifierade WiFi 6-moduler med Bluetooth Low Energy (BLE) 5.4 som tillhandahåller de funktioner som krävs samtidigt som integrationen förenklas.

Artikeln går igenom utmaningar med trådlösa anslutningar för konstruktörer av industriella system och visar exempel på förcertifierade WiFi-6 moduler med BLE 5.4 från Ezurio. Dessutom diskuteras förcertifierade antenner och en tillhörande utvecklingssats.

Huvudsakliga utmaningar inom industriell trådlös kommunikation

Industriella miljöer innehåller ett ständigt växande antal slutpunkter som behöver dela information med hög hastighet, och trådlösa nätverk är ofta det enda praktiska sättet att kommunicera denna information.

Det kan leda till överbelastning av nätverket med äldre trådlösa tekniker, med latensproblem och paketförluster som påverkar verksamhetens effektivitet. Föråldrad kommunikationsteknik kan även göra nätverken sårbara för cyberattacker.

Moderna tekniker som Wi-Fi 6 och BLE 5.4 kan lösa dessa problem, men för att utveckla och integrera dem krävs gedigen RF-expertis, särskilt när det gäller enheter med begränsat utrymme och eftermonterade tillämpningar. Dessutom kräver många trådlösa lösningar manuella monteringssteg, vilket sänker tillverkningstakten och ökar kostnaderna.

Tillförlitligheten är ett annat problem. Många industriella miljöer kännetecknas av betydande elektromagnetiska störningar, extrema temperaturer samt vibrationer och stötar. Dessutom finns det många tillämpningar som kräver låg strömförbrukning för att förlänga batteritiden men samtidigt måste säkerställa att globala standarder efterlevs.

En stabil lösning: WiFi 6-moduler med Bluetooth LE 5.4

Modulerna Sona TI351 från Ezurio hanterar utmaningarna med industriell trådlös uppkoppling genom att kombinera Wi-Fi och BLE i stabila, förcertifierade paket (bild 1). Modulerna, som bygger på WiFi- och BLE-stödkretsen SimpleLink CC3351 från Texas Instruments finns i ytmonterade (SMT) och insticksbara modeller, med möjlighet att välja mellan en inbyggd kretsantenn eller en antennkontakt.

Bild 1: Sona TI351 är en familj av kompakta, förcertifierade Wi-Fi 6- och BLE 5.4-moduler och finns som ytmonterade modeller eller insticksmodeller med inbyggda antenner eller antennkontakter. (Bildkälla: Ezurio)

Alla moduler har stöd för Wi-Fi 6 (802.11ax) via ett SDIO 2.0-gränssnitt med dataöverföring i hög hastighet och inbyggd feldetektering samt felkorrigering. Wi-Fi 6 har flera funktioner som stödjer tillförlitlig prestanda i överbelastade industriella nätverk:

• OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) möjliggör samtidig överföring från flera IoT-enheter på samma kanal, vilket ökar effektiviteten i täta installationer.
• Target Wake Time (TWT) optimerar batteritiden genom att möjliggöra exakt schemaläggning av enhetens väckningstider.
• Stöd för dubbla band ger flexibilitet i olika användningsområden: 2,4 GHz ger bättre genomträngning av hinder, medan 5 GHz ger högre bandbredd.
• Sändareffekten på 18 dBm ger tillförlitlig täckning i stora industriområden.

Modulernas stöd för BLE 5.4 sker via en dedicerad HS-UART-kanal (UART med hög hastighet). BLE 5.4 är ett protokoll som är väl lämpat för industriella miljöer. Det har stöd för:

• Periodic Advertising with Response (PAwR) för att minska strömförbrukningen genom att använda förutbestämda sändningsfönster
• Periodic Advertising Sync Transfer (PAST) för att förenkla nätverkshanteringen genom att göra det möjligt för primära enheter att dela synkroniseringsinformation
• LE med fysiskt lager (PHY) på 2 Mbit/s för att stödja snabb dataöverföring och snabb återgång till viloläge, vilket ytterligare förbättrar energieffektiviteten
• LE Long Range-läge för tillförlitlig kommunikation över längre avstånd

Modulerna har stöd för samexistens mellan Wi-Fi och Bluetooth för tillämpningar som kräver båda protokollen.

En konstruktion med hög tillförlitlighet

Modulerna Sona TI351 har en inbyggd effektförstärkare (PA) som ökar den utgående signalstyrkan för att garantera tillförlitlig drift i krävande miljöer. På den inkommande sidan förbättras signalmottagningen av en förstärkare med lågt brus (LNA) som förstärker svaga signaler och samtidigt minimerar störningarna från brus. Kombinationen garanterar en stabil trådlös anslutning även i miljöer med betydande elektromagnetiska störningar och fysiska hinder.

Modulerna är även konstruerade för fysisk tillförlitlighet. De ytmonterade modellerna har stabila anslutningar som tål vibrationer och mekanisk belastning, medan alternativet med inbyggd antenn eliminerar en potentiell felkälla. Modulerna har även ett driftstemperaturområde på -40 °C till 85 °C.

Omfattande mjukvarustöd för operativsystemen Linux och Android

Modulerna Sona TI351 har ett omfattande mjukvarustöd för operativsystemen Linux och Android. För Linux har anslutningsstacken testats i flera versioner av kärnan, med bakåtkompatibilitet för drivrutiner i ända tillbaka till v2.6.37 för att säkerställa kompatibilitet med äldre kärnor. Stacken stödjer välkända byggmiljöer, inklusive Buildroot, Yocto och Ubuntu.

I stället för att bara tillhandahålla de hårdvaruspecifika drivrutinerna levererar Ezurio en komplett, förtestad anslutningsstack (figur 2). Detta tillvägagångssätt bidrar till att förhindra inkompatibilitet mellan komponenter och påskyndar systemintegrationen. Stacken underhålls kontinuerligt med de senaste drivrutinerna och kärnkomponenterna för att garantera optimal prestanda.

Figur 2: Sona TI351 levereras med en omfattande mjukvarustack för anslutning. (Bildkälla: Ezurio)

Säkerhets- och certifieringsfrågor

Modulerna drar nytta av de avancerade säkerhetsfunktionerna i Wi-Fi 6 och BLE 5.4. På WiFi-sidan har de ett stabilt stöd för säkerhetsprotokollet WPA2/3 enterprise, inklusive mekanismer för avancerad kryptering och autentisering.

För BLE möjliggör funktionen Encrypted Advertising Data säker sändning av känslig information utan att behöva upprätta kontinuerliga anslutningar, vilket är särskilt användbart i system för fastighetsautomation som sänder miljöinformation eller autentiseringsuppgifter. Dessutom tillåter BLE Generic Attribute Profile (GATT) Security Levels Characteristic olika säkerhetsnivåer för olika datatyper, vilket optimerar balansen mellan extra kostnader för säkerhet och prestanda.

Överensstämmelse med bestämmelser kan vara ett betydande bekymmer, oavsett vilket protokoll konstruktörerna väljer, särskilt i enheter som levereras internationellt. Därför är Sona TI351-familjen certifierad enligt standarder som FCC (USA), IC (Kanada), CE (Europa), UKCA (Storbritannien), MIC (Japan), RCM (Australien/Nya Zeeland) och KCC (Sydkorea).

Alternativ för ytmontering eller M.2 ger flexibilitet vid montering

Som tidigare nämnts finns familjen Sona TI351 i flera konfigurationer för att uppfylla specifika tillämpningskrav. Som exempel använder 453-00200R (bild 3) det kompakta M2 1216 SMT-formatet på 12 x 16 mm med en inbyggd kretsantenn. Konstruktionen möjliggör automatiserad montering samtidigt som den tillhandahåller en robust anslutning som tål industriella miljöer. Kombinationen av egenskaper gör modulen särskilt väl lämpad för installationer med höga volymer där tillförlitlighet och tillverkningseffektivitet är avgörande.

Bild 3: Sona TI351 453-00200R är en kompakt modul på 12 x 12 mm M.2 1216 SMT-format och en inbyggd kretsantenn. (Bildkälla: Ezurio)

För tillämpningar som kräver anslutning till en extern antenn har 453-00199R (bild 4) samma robusta M.2 1216-format men med en MHF4L-kontakt istället för en kretsantenn. Konfigurationen gör det möjligt att använda externa antenner för optimal signalmottagning i utmanande RF-miljöer, som t.ex. metallkapslingar eller områden med höga elektromagnetiska störningar.

Bild 4: Modulen Sona TI351 453-00199R har en MHF4L-antennkontakt. (Bildkälla: Ezurio)

Till skillnad från de två tidigare exemplen använder 453-00209 (bild 5) en M.2 2230 Key E-kontakt för insticksbara systemkonfigurationer. Funktionen gör det enkelt att installera och byta den på fältet, vilket gör den särskilt användbar i tillämpningar för övervakning av utrustning där det är viktigt att minimera systemets stilleståndstid vid underhåll.

Bild 5: Modulen Sona TI351 453-00209 använder en M.2 2230 Key E-kontakt för insticksbara systemkonfigurationer. (Bildkälla: Ezurio)

Detta utbud av alternativ gör det möjligt för systemkonstruktörer att optimera sina implementeringar för specifika användningsfall samtidigt som tillförlitligheten och den enkla integrationen bibehålls.

Förcertifierade antenner effektiviserar RF-designen

För moduler som är utrustade med MHF4L-kontakten har Ezurio en mängd förcertifierade antennalternativ. Ett exempel är FlexPIFA-antennen (flexibel Planar Inverted-F Antenna) EFB2471A3S-10MH4L på 5 W (bild 6) med självhäftande baksida för enkel integrering. Denna trippelbandsantenn (2,4/5/6 GHz, med stöd för 7,125 GHz) har ett lågt genomsnittligt stående våg-förhållande (Voltage Standing Wave Ratio) på 1,6:1 vid 5,925 till 7,125 GHz. Den har en förstärkning på 3,9 decibel i förhållande till isotropisk (dBi) vid 5 GHz och är särskilt lämplig för globala tillämpningar där prestanda för olika frekvensband är avgörande.

Bild 6: EFB2471A3S-10MH4L är en antenn för trippelband på 2,4/5/6 GHz och 5 W. (Bildkälla: Ezurio)

För stationära tillämpningar inom Industrial IoT (IIoT) och övervakning av utrustning finns 001-0021 (bild 7) en lösning med dubbla band för 2,4/5 GHz. Den har ett stående-vågförhållande på <2,5:1 vid 2,4 GHz och en förstärkning på 3 dBi vid 5 GHz.

Bild 7: 001-0021 är en antenn för dubbelband på 2,4/5 GHz. (Bildkälla: Ezurio)

Utbudet av förcertifierade antenner kan på ett meningsfullt sätt effektivisera produktutvecklingen. Ezurio har redan testat antennerna för användning med modulerna, vilket minskar risken för oväntade problem med RF-prestanda. Kombinationen av modulens format och antennval gör det möjligt för systemkonstruktörer att optimera sina implementeringar samtidigt som integrationen blir enkel.

Utvecklingssats ger full tillgänglighet

Konstruktörer kan använda utvecklingssatsen 453-00200-K1 (bild 8) för att komma igång snabbt med modulerna. Denna omfattande sats använder en 453-00200 modul med kretsantenn och har flera mjuk- och hårdvarugränssnitt till en Linux-värd för testning av modulens funktionalitet och prestanda.

Bild 8: Utvecklingssatsen Sona TI351 är baserad på en antennmodul med 453-00200-krets och tillhandahåller kommunikations- och hårdvarugränssnitt för en Linux-värd. (Bildkälla: Ezurio)

I satsen ingår kablar för hög och låg hastighet samt adapter-/tilläggskort som ansluts till UART- eller SDIO-enheter med hög hastighet. Kretskortslister, byglar och omkopplare på kortet gör det enkelt att separera ström- och signalnät för testning och mätning av strömförbrukning vid utveckling av hård- och mjukvara.

Sammanfattning

Modulerna Sona TI351 löser viktiga utmaningar inom trådlösa anslutningar i industriella miljöer genom att paketera avancerade trådlösa funktioner i en kompakt och stabil konstruktion. Förhandscertifiering av både moduler och antenner, flera monteringsalternativ och format samt en omfattande utvecklingssats minimerar utvecklingstiden och riskerna.