Använd trådlösa multiband-SoC-enheter med multiprotokoll för att förenkla distribueringen av IIoT-nätverk

På grund av konstanta innovationer finns det flera, inkompatibla trådlösa alternativ för IoT-tillämpningar. Det är alltid bra att ha alternativ, men det komplicerar distribueringen av trådlösa nätverk – särskilt när det gäller föråldrade IIoT-installationer (det industriella sakernas internet) där flera trådlösa nätverk redan kan ha distribuerats och där hundratusentals sensorer nu måste läggas till i flera anläggningar.

För att åtgärda problemet har tillverkare av IoT-sändtagare utvecklat billiga SoC-lösningar med låg effekt som har stöd för flera protokoll över många RF-band, i en enda enhet.

Den här artikeln tar en snabb titt på designutmaningarna som den utbredda användningen av flera kortvågsbaserade trådlösa kommunikationsstandarder och specifikationer medför. Den introducerar därefter SoC:er (system-on-chip) från NXP, Texas Instruments, Silicon Labs och Analog Devices som ger konstruktörerna flexibiliteten att hantera flera RF-gränssnitt och utforska deras möjligheter och de trådlösa protokoll de har stöd för.

Utmaningen med trådlösa alternativ

För bara några år sedan fanns det mycket få IoT-sändtagare eller microcontroller-SoC:er som hade stöd för mer än ett trådlöst protokoll, så tillverkare av edge-utrustning valde ett och använde det genomgående i sina produktionslinjer. Vid hemautomatisering, till exempel, den första synliga IoT-tillämpningen, kunde en tillverkare av "smarta" belysningsprodukter använda Zigbee, en annan Z-Wave och ännu en Wi-Fi, vilket gör en redan komplex ny teknik ännu mer förvirrande för konsumenter.

IIoT-marknaden står nu inför samma utmaningar, men i mycket större skala. Till skillnad från hem som är geografiskt väldefinierade ytor kan stora tillverkare ha anläggningar runt om i världen med behov av stöd för brett varierande utrustning och lagstadgade krav. Framväxten av multibandsändtagare med flera protokoll och microcontroller-SoC:er gör det här enklare för såväl tekniker som distribuerar sådana enheter, som system- och nätverksarkitekter. Eftersom dessa SoC:er används allt mer i edge-enheter börjar det bli möjligt att konfigurera ett nätverk med flera trådlösa protokoll vid gränssnittet med SoC:er från en enda leverantör.

Typiska IoT SoC-egenskaper

En typisk SoC för IoT inkluderar ett basband och ett RF-avsnitt baserat på IEEE 802.15.4 trådlösa PHY-gränssnittet för LR-WPAN (low-rate wireless personal area networks); en Arm-värdprocessor och hjälpprocessor; en viss grad av kryptering, som AES-128; och en äkta slumpnummergenerator (TRNG). Dessutom ingår ström- och sensorhanteringskretsar, flera klockor och timers samt flera I/O-alternativ (figur 1). Eftersom Zigbee har blivit ett mycket populärt protokoll för industriella tillämpningar har det nästan allmänt stöd i dessa enheter, tillsammans med liknande protokoll med låg datahastighet som Thread.

Figur 1: Texas Instruments CC26xx-serie av SimpleLink-SoC:er, som visas i det här blockdiagrammet, är representativ för trådlösa IoT-SoC:er. Värdprocessorn är en Arm Cortex-M3, som stöds av en Arm Cortex-M0-hjälpprocessor. (Bildkälla: Texas Instruments)

Bluetooth Low Energy (Version 4) ingår också i det här exemplet och Bluetooth 5 (version 5.1) stöds i allt högre grad. I version 5.1 infördes meshnätverk, vilket gjorde Bluetooth till en annan spelare inom storskaliga IoT-tillämpningar. Dock har inte alla SoC:er stöd för den här versionen, så det är viktigt att avgöra om en kandidatenhet för IIoT har stöd för version 5.1.

Vissa enheter har även stöd för IPv6 över strömsnåla trådlösa privata områdesnätverk (6LoWPAN), en öppen standard som definierats av IETF (Internet Engineering Task Force) baserat på 802.15.4 PHY. 6LoWPAN inkluderar den IPHC (IP header compression) som krävs för att implementera IPv6, standard TCP/UDP lagrad på 802.15.4 PHY- och MAC-lagren (media access control) och arbetar vid frekvenser på 900 megahertz (MHz) (eller lägre) samt 2,45 GHz.

Upplänken till internet hanteras via en IPv6-edge-router som flera datorer och servrar också är anslutna till (figur 2). 6LoWPAN-nätverket i sig är anslutet till IPv6-nätverksroutern med en egen edge-router.

Figur 2: Ett IPv6-nätverk med ett 6LoWPAN-meshnätverk. Upplänken till internet hanteras via en åtkomstpunkt som fungerar som en IPv6-router ansluten till en IPv6-edge-router som flera datorer och servrar också kan vara anslutna till. 6LoWPAN-nätverket är anslutet till IPv6-nätverket med en kantrouter. (Bildkälla: Texas Instruments)

En av 6LoWPAN:s unika egenskaper är att det kan erbjuda paketleverans från start-till-slutpunkt var som helst med standardinternetprotokoll, vilket gör det möjligt för konstruktörerna att använda högnivåmeddelandeprotokoll som MQTT, CoAP och HTTP med alla applikationer.

Som de andra protokollen som nämns i den här artikeln kan det också köras på "sub 1 GHz"-radioenheter, utöver 2,4 GHz, så den har goda utbredningsegenskaper. Till exempel har demonstrationer av 6LoWPAN täckt avstånd på upp till 6 km vid 900 MHz med en sändtagare med RF-uteffekt på +12 dBm. Lägre frekvenser är särskilt användbara inomhus eftersom de kan tränga igenom väggar bättre. Med rätt konfiguration och med en lämplig brygga är 6LoWPAN kompatibel med alla andra IP-nätverk som Ethernet, Wi-Fi eller till och med mobildatanätverk.

Väsentliga protokoll

För ögonblicket har ingen SoC stöd för alla trådlösa protokoll som används i sakernas internet. Det är inte särskilt viktigt för konstruktörer av IIoT-nätverk eftersom vissa av protokollen, som Thread och Z-Wave, används mest på konsumentmarknaden. Detta gör att de aktuella protokollen begränsas till Zigbee – det överlägset mest populära protokollet för det industriella IoT – tillsammans med 6LoWPAN och Bluetooth. Med detta sagt bör alla SoC:er som har stöd för standarden 802.15.4 kunna fungera med Zigbee, LPWAN, Thread och möjligen egenutvecklade lösningar om dessa lösningar kan fungera i samma band.

Wi-Fi inkluderas typiskt sett inte i multiprotokoll-SoC:er för edge-enhetstillämpningar med låg effekt som drivs med små batterier på grund av den relativt höga strömförbrukningen. Dess huvudsakliga användning inom IoT har varit för backhaul och gateway-till-internetåtkomst där strömförbrukning inte är en avgörande faktor. Dock är Wi-Fi väsentligt när städer uppgraderar belysning, övervakning och annan infrastruktur på grund av de höga datahastigheterna och den stora spridningen.

För dessa tillämpningar har Wi-Fi i krets-SoC:er funnits tillgängliga i flera år och deras användning växer eftersom tekniken är en viktig del av så många IoT-tillämpningar där mycket höga datahastigheter är väsentliga. En av dessa SoC:er med endast Wi-Fi är Texas Instruments CC3100R11MRGCR Wi-Fi-nätverksprocessor, med en 2,4 GHz Wi-Fi-radio och nätverksprocessor med on-chip-webbserver och TCP/IP-stack. I kombination med en microcontroller från TI eller någon annan tillverkare utgör det en komplett Wi-Fi-lösning i två små enheter.

Dock finns det relativt många SoC:er som kombinerar Wi-Fi och Bluetooth eftersom dessa protokoll är så populära och kompletterar varandra. Till exempel ger Texas Instruments WL1831MODGBMOCR i företagets WiLink 8 kombinerade Wi-Fi/Bluetooth-modulfamilj stöd för Bluetooth och Bluetooth Low Energy. För Wi-Fi ingår IEEE 802.11b/g/n med en maximal datahastighet på 100 megabit per sekund (Mbit/s) tillsammans med Wi-Fi Direct. Dess 2 x 2 MIMO-kapacitet ger 1,4 gånger så hög räckvidd som en enhet med en enda antenn och i Wi-Fi-läge förbrukar den mindre än 800 mikroampere (µA). Bluetooth-egenskaper inkluderar överensstämmelse med Bluetooth 4.2 Secure Connection, ett värdstyrgränssnitt för Bluetooth över UART och en ljudprocessor med stöd för en sub-bandcodec för Bluetooths Advanced Audio Distribution Profile (A2DP).

I inkapslingen på 13,3 × 13,4 × 2 mm finns RF-strömförstärkare och strömställare, filter och andra passiva komponenter, samt resurser för strömhantering m.m., såsom ett 4-bitars SDIO-värdgränssnitt.

Multiprotokoll-SoC:n Mighty Gecko EFR32MG13P733F512GM48-D från Silicon Labs använder en intressant metod som består i att kombinera en microcontroller med en sändtagare som arbetar vid nyckelfrekvenser mellan 169 MHz och 2,450 GHz. Det gör den kompatibel med Bluetooth Low Energy och Bluetooth 5.1, Zigbee, Thread och även 802.15g, en variant av standarden som utformats för mycket stora tillämpningar inom infrastruktur i smarta nät som kan ha miljontals fasta slutpunkter i ett vidsträckt område.

Vissa enheter i Mighty Gecko-familjen har stöd för nätverk som arbetar under 1 GHz vilket möjliggör anpassningar för specifika tillämpningar och därmed stöd för många olika moduleringsscheman som OOK, shaped FSK, shaped OQPSK och DSSS-modulering.

Texas Instruments SimpleLink-plattform inkluderar maskinvara med stöd för Bluetooth Low Energy och 5.1, Thread, W-Fi, Zigbee och "sub 1 GHz"-lösningar som 6LoWPAN, samt för trådbundna standarder, inklusive Ethernet, CAN och USB. Två eller tre trådlösa protokoll stöds i en enhet beroende på modell. Varje modell i familjen stöds i en enskild programutvecklingsmiljö.

Till exempel har den trådlösa MCU:n CC2650F128RHBR SimpleLink multistandard stöd för Bluetooth, Zigbee och 6LoWPAN samt för fjärrstyrningstillämpningar som Zigbee Radio Frequency for Consumer Electronics (RF4CE). Det senare protokollet är en förbättring av IEEE 802.15.4 och har nätverks- och tillämpningslager för att skapa lösningar som är kompatibla med flera återförsäljare. CC2650 använder en 32-bitars Arm Cortex-M3 som värdprocessor som matchas med en strömsensorstyrenhet som fungerar autonomt, till och med när det övergripande systemet är i viloläge. Bluetooth-styrenheten och 802.15.4 MAC använder en separat Arm Cortex-M0-processor som frigör minne för applikationsstödet.

MKW40Z160VHT4 SoC från NXP Semiconductors har stöd för Bluetooth Low Energy och 802.15.4 för Zigbee och Thread, körs på mellan 2,36 GHz och 2,48 GHz och använder en Arm Cortex-M0+-processor, Bluetooth link-layer-maskinvara och en 802.15.4-paketprocessor. Utöver sin huvudsakliga användning som komplett subsystem, kan den även fungera som modem och lägga till Bluetooth- eller 802.15.4-anslutning till en befintlig inbäddad styrenhet, eller som en fristående trådlös sensor med en inbäddad tillämpning där ingen värdstyrenhet krävs.

Multiprotokoll-SoC:n LTC5800IWR-IPMA#PBF från Analog Devices har stöd för de 802.15.4-baserade protokoll som redan nämnts samt för ett annat protokoll, SmartMesh, som har en intressant historia. Det utvecklades av Kris Pister, professor i elektroteknik och datavetenskap på University of California Berkeley i slutet av 90-talet med finansiering från DARPA:s Smart Dust-projekt. Målet med programmet var att skapa en minimal, mycket tillförlitlig radio som kunde drivas med batteri eller genom energiutvinning. Viktiga kunder skulle kunna finnas i rörledningsbranschen med utbredd infrastruktur och ofta tuffa miljöförhållanden.

För att kunna ta tekniken till marknaden blev Pister medgrundare till Dust Networks som började tillverka ett meshnätverk med trådlösa sensorer som kallades SmartMesh. 2011 förvärvades företaget av Linear Technology, som i sin tur förvärvades 2017 av Analog Devices och där lever SmartMesh vidare, nu även inom IIoT.

SmartMesh innehåller ett självutformande nät av noder som samlar in och förmedlar data, och en nätverkshanterare som samordnar prestanda och säkerhet utbyter data med en värdtillämpning (figur 3). Eftersom tillförlitlighet var ett av huvudkraven i DARPA-programmet har SmartMesh fortfarande en tillgänglighetstid på 99 % även under krävande miljöförhållanden. Dess kommunikationsprotokoll är en bandspridningsvariant som kallas TSCH (time-slotted channel hopping) som synkroniserar alla noder i nätverket till ett värde inom några få mikrosekunder.

Figur 3: I ett SmartMesh-nätverk fungerar varje nod som en router, så nya noder kan anslutas var som helst. Tekniken har stöd för upp till 50 000 noder. (Bildkälla: Analog Devices)

Alla noder i nätverket synkroniseras till ett värde inom 1 ms och kan ha en batterilivslängd på mer än 10 år. Endast frånkoppling av strömkällan, kristaller och en antenn behövs för att skapa en komplett trådlös nod. Vid användning av en rundstrålande förstärkningsantenn på 2 dBi har LTC5800-IPM en typisk räckvidd på 300 meter (m) utomhus och 100 m inomhus.

Slutsats

Med alla variationer i trådlösa protokoll är det svårt att välja rätt trådlöst gränssnitt och protokoll för IIoT-distribueringar eftersom det även finns föråldrade system som kan kräva stöd. Som visats kan IoT-SoC:er med stöd för flera trådlösa kortvågsprotokoll i flera RF-band förenkla distribueringen av IIoT-nätverk betydligt genom att erbjuda konstruktörerna högre flexibilitet.