Använd trådlösa moduler med flera protokoll för att förenkla konstruktion och certifiering av IoT-produkter

Trådlösa anslutningar gör det möjligt för konstruktörer att förvandla dumma produkter till smarta, integrerade delar av Internet of Things (IoT) som kan skicka data till molnet för AI-baserad analys, samtidigt som enheterna trådlöst kan ta emot instruktioner, firmware-uppdateringar och säkerhetsförbättringar via OTA (over the air).

Men att lägga till en trådlös länk i en produkt är inte trivialt. Innan konstruktionsfasen ens kan börja måste konstruktörerna välja ett trådlöst protokoll, vilket kan vara skrämmande. Exempelvis används flera trådlösa standarder i det populära, licensfria 2,4 GHz-området. Var och en av dessa standarder innebär en kompromiss när det gäller räckvidd, genomströmning och strömförbrukning. För att välja det bästa protokollet för en viss tillämpning krävs en noggrann utvärdering av kraven i förhållande till protokollets egenskaper.

Även med högintegrerade moderna transceivrar är konstruktionen av radiofrekvenskretsen en utmaning för många konstruktionsteam, vilket leder till överskridna kostnader och försenade tidsplaner. En RF-produkt måste dessutom certifieras för drift, vilket i sig kan vara en omfattande, komplicerad och tidskrävande process.

En lösning är att basera konstruktionen på en certifierad modul som använder en systemkrets (SoC) med flera protokoll. Detta eliminerar komplexiteten i RF-konstruktionen med diskreta komponenter och möjliggör flexibilitet i valet av trådlöst protokoll. Denna modulbaserade metod ger konstruktörer en trådlös direkt användbar lösning, vilket gör det mycket enklare att integrera trådlösa anslutningar i produkter och att klara certifieringen.

Artikeln tar upp fördelarna med trådlösa anslutningar, tittar på styrkorna hos några viktiga trådlösa protokoll för 2,4 GHz-bandet, analyserar kortfattat frågor om hårdvarukonstruktion och introducerar en lämplig RF-modul från Würth Elektronik. I artikeln diskuteras även den certifieringsprocess som krävs för att uppfylla globala regler, utveckling av program för tillämpningen och ett SDK (Software Development Kit) som gör det lättare för konstruktörer att komma igång med modulen.

Fördelarna med transceivrar med flera protokoll

Ingen enskild sektor för trådlös kommunikation med kort räckvidd dominerar eftersom alla gör kompromisser för att uppfylla sina måltillämpningar. Större räckvidd och/eller genomströmning sker exempelvis på bekostnad av en ökad strömförbrukning. Andra viktiga faktorer att ta hänsyn till är störningsimmunitet, förmåga till mesh-nätverk och driftskompatibilitet med Internetprotokoll (IP).

Av de olika etablerade trådlösa teknikerna för korta avstånd, finns det tre tydliga ledare: Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE), Zigbee och Thread. De har vissa likheter tack vare ett gemensamt DNA från specifikationen IEEE 802.15.4. Specifikationen beskriver det fysiska lagret (PHY) och MAC-lagret (Media Access Control) för trådlösa personliga nätverk (WPAN) med låg datahastighet. Teknikerna arbetar i allmänhet på 2,4 GHz, även om det finns några varianter av Zigbee för frekvenser under GHz.

Bluetooth LE är lämpligt för IoT-tillämpningar som t.ex. sensorer för smarta hem där dataöverföringshastigheterna är blygsamma och överföring sker sällan (figur 1). Samverkan mellan Bluetooth LE och de Bluetooth-kretsar som finns i de flesta smartphones är också en stor fördel för konsumentorienterade tillämpningar såsom bärbara enheter. De största nackdelarna med tekniken är att det krävs en dyr och strömkrävande gateway för att ansluta till molnet och att funktionerna för mesh-nätverk är klumpiga.

Figur 1: Bluetooth LE lämpar sig väl för sensorer i smarta hem, t.ex. kameror och termostater. Dess samverkan med smartphones förenklar konfigurationen av kompatibla produkter. (Bildkälla: Nordic Semiconductor)

Zigbee är också ett bra val för tillämpningar med låg effekt och låg genomströmning inom industriell automation, kommersiella tillämpningar och i hemmet. Genomströmningen är lägre än Bluetooth LE, medan räckvidden och strömförbrukningen är ungefär densamma. Zigbee är inte kompatibelt med smartphones och har inte heller inbyggd IP-kapacitet. En viktig fördel med Zigbee är att den från grunden är utformad för mesh-nätverk.

Thread, liksom Zigbee, använder IEEE 802.15.4 PHY och MAC och har utformats för att stödja stora mesh-nätverk med upp till 250 enheter. Det som skiljer Thread från Zigbee är användningen av 6LoWPAN (en kombination av IPv6 och WPAN med låg effekt), vilket gör det enkelt att ansluta till andra enheter och molnet, om än via en enhet i nätverkskanten som kallas en gränsrouter. (Se "En kort guide till vad som är viktigt inom trådlösa tekniker med kort avstånd").

Medan standardbaserade protokoll dominerar, finns det fortfarande en nisch för proprietära 2,4 GHz-protokoll. Även om de begränsar anslutningen till andra enheter som är utrustade med samma tillverkares krets, kan sådana protokoll finjusteras för att optimera strömförbrukning, räckvidd, störningsimmunitet och andra viktiga driftsparametrar. En IEEE 802.15.4 PHY och MAC är fullt kapabel att stödja proprietär trådlös 2,4 GHz-teknik.

Populariteten hos dessa tre kortdistansprotokoll och den flexibilitet som erbjuds av den proprietära 2,4 GHz-tekniken gör det svårt att välja rätt protokoll för att passa den största mängden tillämpningar. Tidigare var en konstruktör tvungen att välja en trådlös teknik och sedan konstruera om produkten om det fanns en efterfrågan på en variant med ett annat protokoll. Men eftersom protokollen använder PHY-lager baserade på en liknande arkitektur och arbetar i området 2,4 GHz, har många kiseltillverkare transceivrar för flera protokoll.

Kretsarna gör det möjligt för en enda hårdvarukonstruktion att konfigureras om för flera protokoll genom att ett nytt program laddas upp. Ännu desto bättre är att produkten kan levereras med flera olika programvarustackar, där växlingen mellan dem övervakas av en mikrocontroller (MCU). Detta kan exempelvis göra det möjligt att använda Bluetooth LE för att konfigurera en smart hemtermostat från en smartphone innan enheten byter protokoll för att ansluta till ett Thread-nätverk.

Nordic Semiconductors systemkrets nRF52840 har stöd för Bluetooth LE, Bluetooth mesh, Thread, Zigbee, IEEE 802.15.4, ANT+ och proprietära 2,4 GHz-stackar. Systemkretsen från Nordic innehåller även en Arm®Cortex®-M4 MCU - som hanterar RF-protokollet och tillämpningens program - samt 1 Mb flashminne och 256 kB RAM-minne. När systemkretsen körs i läget för Bluetooth LE har den en maximal genomströmning av rådata på 2 Mbit/s. Strömförbrukningen vid sändning med 3 V DC är 5,3 mA vid 0 decibel, vilket motsvarar en uteffekt på 1 milliwatt (dBm), och vid mottagning (RX) är strömförbrukningen 6,4 mA vid en rådatahastighet på 1 Mbit/s. Den maximala sändareffekten för nRF52840 är +8 dBm och känsligheten är -96 dBm (Bluetooth LE vid 1 Mbit/s).

Vikten av en god RF-konstruktion

Även om trådlösa systemkretsar såsom nRF52840 från Nordic är mycket kapabla enheter, krävs det fortfarande betydande konstruktionskunskaper för att maximera dess RF-prestanda. I synnerhet måste ingenjören ta hänsyn till faktorer som filtrering av strömförsörjning, externa kristallkretsar för tidsinställning, antenndesign och placering samt, vilket är avgörande, impedansmatchning.

Den viktigaste parametern som skiljer en bra RF-krets från en dålig är dess impedans (Z). Vid höga frekvenser, som t.ex. 2,4 GHz som används av en kortdistansradio, är impedansen vid en given punkt på en RF-bana relaterad till banans karakteristiska impedans, som i sin tur beror på kretskortets substrat, banans mått, dess avstånd från lasten och lastens impedans.

Det visar sig att när belastningsimpedansen - som för ett sändande system är antennen och för ett mottagande system är transceiverns systemkrets - är lika med den karakteristiska impedansen, förblir den uppmätta impedansen densamma på alla avstånd längs banan från belastningen. På så sätt minimeras linjeförlusterna och maximal effekt överförs från sändaren till antennen, vilket ökar robustheten och räckvidden. Därför är det god konstruktionssed att bygga ett matchningsnätverk som garanterar att en RF-enhets impedans är lika med kretskortets karakteristiska impedans. (Se "Systemkretsar och verktyg för Bluetooth Low Energy som är kompatibla med Bluetooth 4.1, 4.2 och 5 möter IoT-utmaningar (del 2)")

Matchningsnätverket består av en eller flera shuntinduktorer och seriekopplade kondensatorer. Konstruktörens utmaning är att välja den bästa nätverkstopologin och de bästa komponentvärdena. Tillverkare erbjuder ofta simuleringsprogram för att underlätta konstruktionen av matchningskretsar, men även om man följer god konstruktionssed kan resultatet ofta bli en besvikelse när det gäller RF-prestanda, räckvidd och tillförlitlighet. Detta leder till fler konstruktionsiterationer för att revidera det matchande nätverket (figur 2).

Figur 2: Nordic nRF52840 kräver externa kretsar för att dra nytta av dess funktionalitet. De externa kretsarna omfattar filtrering av ingångsspänning, stöd för tidtagning med extern kristall och anslutning till systemkretsens antennstift (ANT), impedansmatchningskretsar mellan systemkretsen och en antenn. (Bildkälla: Nordic Semiconductor)

Fördelarna med en modul

Det finns vissa fördelar med att konstruera en trådlös krets för kort räckvidd med diskreta komponenter, framför allt lägre materialkostnader och utrymmesbesparing. Men även om konstruktören följer en av de många utmärkta referenskonstruktionerna från systemkretsleverantörerna kan andra faktorer - som t.ex. komponentkvalitet och toleranser, kortlayout och substrategenskaper samt förpackning av slutenheten - dramatiskt påverka RF-prestandan.

Ett alternativ är att basera den trådlösa anslutningen på en modul från en tredje part. Modulerna är färdigmonterade, optimerade och testade lösningar som möjliggör trådlös anslutning med "direktmontering". I de flesta fall är modulen redan certifierad för användning på globala marknader, vilket besparar konstruktören den tid och de pengar som krävs för att klara certifiering enligt RF-bestämmelserna.

Det finns vissa nackdelar med modulanvändning. Dessa inkluderar ökade kostnader (beroende på volym), större slutprodukt, beroende av en enda leverantör och dess förmåga att leverera i volym, och (ibland) ett minskat antal åtkomliga stift i förhållande till den systemkrets som modulen är baserad på. Men om enkel konstruktion och snabbare marknadsintroduktion väger tyngre än dessa nackdelar, då är en modul svaret.

Ett exempel som använder nRF52840 från Nordic i sin grundkonstruktion är radiomodulen Setebos-I 2,4 GHz 2611011024020 från Würth Elektronik. Den kompakta modulen har måtten 12 x 8 x 2 mm, en inbyggd antenn, skydd för att minimera elektromagnetiska störningar (EMI) och levereras med en firmware som stödjer Bluetooth 5.1 samt proprietära 2,4 GHz-protokoll (figur 3). Som beskrivits ovan kan systemkretsen i modulens grundkonstruktion även stödja Thread och Zigbee - med tillägg av lämplig firmware.

Bild 3: Radiomodulen Setebos-I 2,4 GHz har ett kompakt format, en inbyggd antenn och skydd för att begränsa EMI. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Modulen accepterar en ingång på 1,8 till 3,6 V och drar i viloläge endast 0,4 µA. Arbetsfrekvensen klarar ISM-bandet (Industrial, Scientific och Medical), som är centrerat på 2,44 GHz (2,402 till 2,480 GHz). Vid idealiska förhållanden, med 0 dBm uteffekt, är räckvidden utan hinder mellan sändaren och mottagaren upp till 600 m, och den maximala Bluetooth LE-genomströmningen är 2 Mbit/s. Modulen har en inbyggd antenn med en kvarts våglängd (3,13 cm), men det är också möjligt att öka räckvidden genom att ansluta en extern antenn till den tidigare nämnda ANT-anslutningen på modulen (bild 4).

Bild 4: Radiomodulen Setebos-I 2,4 GHz har ett stift för en extern antenn (ANT) för att förlänga radions räckvidd. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Radiomodulen Setebos-I ger tillgång till stiften på systemkretsen nRF52840 via lödpunkter. Tabell 1 visar funktionen för modulens respektive stift. Stift "B2" till "B6" är programmerbara allmänna in- och utgångar som är användbara för att ansluta sensorer för temperatur, luftfuktighet och luftkvalitet.

Tabell 1: Stiftbeteckningarna för radiomodulen Setebos-I 2,4 GHz visas. LED-utgångarna kan användas för att indikera sändning och mottagning av radio. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Produktcertifiering för trådlös kommunikation med kort räckvidd

Även om 2,4 GHz-bandet är ett område med licensfri tilldelning, måste radioenheter som arbetar i bandet fortfarande uppfylla lokala bestämmelser, t.ex. de som bestäms av den amerikanska federala kommunikationskommissionen (FCC), den europeiska deklarationen om överensstämmelse (CE) eller Telecom Engineering Center (TELEC) i Japan. För att klara kraven måste en produkt genomgå testning och certifiering, vilket kan vara både tidskrävande och dyrt. Om RF-produkten inte klarar någon del av testet måste en helt ny ansökan lämnas in. Om modulen ska användas i Bluetooth-läge behöver den även en Bluetooth-listning från Bluetooth Special Interest Group (SIG).

Certifiering av modulen innebär inte automatiskt certifiering av den slutprodukt som använder modulen. Men det gör att certifieringen av slutprodukter vanligtvis blir ett pappersarbete snarare än en omfattande omtestning - förutsatt att de inte använder ytterligare trådlösa enheter som WiFi. Detsamma gäller i allmänhet för att få Bluetooth-listningen. Efter certifieringen förses de produkter som använder modulen med en etikett som anger FCC, CE och andra relevanta ID-nummer (figur 5).

Bild 5: Exempel på en ID-etikett som fästs på modulen Setebos-I för att visa att den har klarat RF-certifieringen för CE- och FCC. Certifiering kan i allmänhet ärvas av slutprodukten utan omtestning genom lite enkelt pappersarbete. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Modultillverkare går vanligtvis så långt som att erhålla RF-certifiering (och Bluetooth-listning i förekommande fall) för sina moduler för de områden där de avser att sälja produkterna. Würth Elektronik har gjort detta för radiomodulen Setebos-I, men den måste användas med fabrikslevererad firmware. När det gäller drift med Bluetooth är modulen förcertifierad, förutsatt att den används med Nordics Bluetooth LE-fabriksstack för S140 eller en stack som levereras via företagets programutvecklingssats nRF Connect SDK.

Würths och Nordics firmware är robust och beprövad i alla tillämpningar. Men om konstruktören bestämmer sig för att programmera om modulen med antingen en Bluetooth LE-stack med öppen standard, eller en proprietär 2,4 GHz-stack, eller en stack från en annan kommersiell leverantör, måste man göra om certifieringsprogrammen från början i de områden där de är avsedda att användas.

Utvecklingsverktyg för radiomodulen Setebos-I

För avancerade utvecklare finns nRF Connect SDK från Nordic, ett omfattande konstruktionsverktyg för att bygga tillämpningsprogram för systemkretsen nRF52840. Tillägget nRF Connect för VS Code är den rekommenderade integrerade utvecklingsmiljön (IDE) för att köra nRF Connect SDK. Det är även möjligt att använda nRF Connect SDK för att ladda upp ett alternativt Bluetooth LE- eller 2,4 GHz-protokoll till nRF52840. (Se kommentarerna ovan om hur detta påverkar certifieringen av modulen).

SDK för nRF Connect fungerar med utvecklingssatsen nRF52840 DK (figur 6). Hårdvaran innehåller systemkretsen nRF52840 och stödjer utveckling och testning av prototypkod. När tillämpningsprogrammet är klart kan nRF52840 DK fungera som en J-LINK-programmerare för att överföra koden till flashminnet i nRF52840 i radiomodulen Setebos-I via modulens stift "SWDCLK" och "SWDIO".

Figur 6: nRF52840 DK från Nordic kan användas för att utveckla och testa tillämpningsprogram. Utvecklingssatsen kan sedan användas för att programmera andra nRF52840-systemkretsar, t.ex. den som används i modulen Setebos-I. (Bildkälla: Nordic Semiconductor)

Tillämpningsprogram som utvecklats med hjälp av utvecklingsverktyg från Nordic är konstruerade för att köras på den inbyggda Arm Cortex-M4 MCU:n i nRF52840. Men det kan hända att slutprodukten redan är utrustad med en annan MCU och att utvecklaren vill använda den för att köra tillämpningens kod och övervaka den trådlösa anslutningen. Eller så är utvecklaren mer bekant med utvecklingsverktyg för andra populära värdmikroprocessorer, t.ex. STMicroelectronics STM32F429ZIY6TR. Denna processor är också baserad på en Arm Cortex-M4-kärna.

För att en extern värdmikroprocessor ska kunna köra tillämpningsprogram och övervaka systemkretsen nRF52840, har Würth Elektronik sitt Wireless Connectivity SDK. SDK är en uppsättning programvaruverktyg som möjliggör snabb programintegration av företagets trådlösa moduler till många populära processorer, inklusive kretsen STM32F429ZIY6TR. SDK består av drivrutiner och exempel i C som använder den underliggande plattformens UART-, SPI- eller USB-kringutrustning för att kommunicera med den anslutna radioenheten (figur 7). Utvecklaren överför helt enkelt C-koden i SDK:n till värdprocessorn. Detta minskar betydligt den tid som krävs för att utforma ett programgränssnitt för radiomodulen.

Bild 7: SDK-drivrutinen för trådlös anslutning gör det enkelt för utvecklare att driva radiomodulen Setebos-I via en UART-port med hjälp av en extern värdmikroprocessor. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Radiomodulen Setebos-I använder ett "kommandogränssnitt" för konfigurering och drift. Gränssnittet tillhandahåller upp till 30 kommandon som utför uppgifter som att uppdatera olika enhetsinställningar, sända och ta emot data och försätta modulen i ett av en mängd olika lågeffektlägen. Den anslutna radioenheten måste köras i kommandoläge för att SDK för trådlös anslutning ska kunna användas.

Sammanfattning

Det kan vara svårt att bestämma sig för ett enda trådlöst protokoll för en ansluten produkt, och ännu svårare att konstruera radiokretsen från grunden. En radiomodul som Setebos-I från Würth Elektronik ger inte bara flexibilitet i valet av protokoll, utan har även en anslutningslösning för direkt inkoppling som uppfyller regelkraven i olika driftsområden. Modulen Sebetos-1 levereras med SDK för trådlös anslutning från Würth, som gör det enkelt och snabbt för utvecklare att styra modulen med hjälp av den värd-MCU de själva väljer.