Vereenvoudig industriële draadloze integratie met vooraf gecertificeerde Wi-Fi 6-modules met Bluetooth LE

Met de opkomst van het Internet of Things (IoT) is draadloze connectiviteit een fundamentele vereiste geworden voor industriële toepassingen, variërend van apparatuurbewaking en het volgen van bedrijfsmiddelen tot gebouwautomatisering. Ontwerpers die deze connectiviteit willen implementeren worden geconfronteerd met meerdere uitdagingen, waaronder de integratie van draadloze chipsets, antennes, softwarecomponenten, wereldwijde certificering, beveiliging en betrouwbaarheid in ruwe omgevingen.

Deze uitdagingen kunnen worden overwonnen door te kiezen voor robuuste, vooraf gecertificeerde Wi-Fi 6-modules met Bluetooth Low Energy (BLE) 5.4 die de benodigde functies leveren en tegelijkertijd de integratie vereenvoudigen.

Dit artikel bespreekt draadloze connectiviteitsuitdagingen voor industriële systeemontwerpers en introduceert voorbeelden van vooraf gecertificeerde Ezurio Wi-Fi 6-modules met BLE 5.4. Het bespreekt ook vooraf gecertificeerde antennes en een bijbehorende ontwikkelingskit.

Belangrijkste uitdagingen in industriële draadloze communicatie

Industriële omgevingen bevatten een steeds groeiend aantal eindpunten die gegevens met hoge snelheid moeten delen en draadloze netwerken zijn vaak de enige praktische manier om deze gegevens te communiceren.

Dit kan leiden tot netwerkcongestie bij oudere draadloze technologieën, waarbij latentieproblemen en pakketverlies de operationele efficiëntie beïnvloeden. Verouderde communicatietechnologie kan netwerken ook kwetsbaar maken voor cyberaanvallen.

Moderne technologieën zoals Wi-Fi 6 en BLE 5.4 kunnen deze problemen oplossen, maar voor de ontwikkeling en integratie ervan is sterke RF-expertise nodig, vooral bij apparaten met beperkte ruimte en retrofit-toepassingen. Bovendien vereisen veel draadloze oplossingen handmatige assemblagestappen, wat de productie vertraagt en de kosten verhoogt.

Betrouwbaarheid is een ander punt van zorg. Veel industriële omgevingen worden gekenmerkt door aanzienlijke elektromagnetische interferentie (EMI), extreme temperaturen en trillingen en schokken. Tot slot vereisen veel toepassingen een laag energieverbruik om de levensduur van de batterij te verlengen en tegelijkertijd te voldoen aan wereldwijde standaarden.

Een robuuste oplossing: Wi-Fi 6 modules met Bluetooth LE 5.4

Ezurio's Sona TI351-modules pakken de uitdagingen van industriële draadloze connectiviteit aan door Wi-Fi en BLE te combineren in robuuste, vooraf gecertificeerde pakketten (afbeelding 1). Deze modules zijn gebouwd rond de Texas Instruments SimpleLink CC3351 Wi-Fi en BLE companion IC en zijn beschikbaar in surface mount technology (SMT) en insteekbare varianten, met de keuze tussen een ingebouwde chipantenne of een antenneconnector.

Afbeelding 1: De Sona TI351 is een familie van compacte, vooraf gecertificeerde Wi-Fi 6- en BLE 5.4-modules in SMT en insteekbare varianten met ingebouwde antennes of antenneconnectors. (Bron afbeelding: Ezurio)

Alle modules ondersteunen Wi-Fi 6 (802.11ax) via een SDIO 2.0-interface met snelle gegevensoverdracht en ingebouwde foutdetectie en -correctie. Wi-Fi 6 biedt verschillende functies die betrouwbare prestaties in overbelaste industriële netwerken ondersteunen:

• Orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) maakt gelijktijdige transmissie van meerdere IoT-apparaten op hetzelfde kanaal mogelijk, waardoor de efficiëntie in dichtbevolkte omgevingen toeneemt.
• Target wake time (TWT) optimaliseert de levensduur van de batterij door de ontwaaktijden van het apparaat nauwkeurig te plannen.
• Dual-band ondersteuning biedt flexibiliteit voor verschillende gebruikssituaties: 2,4 gigahertz (GHz) zorgt voor een betere penetratie van obstakels, terwijl 5 GHz een hogere bandbreedte levert.
• Een zendvermogen van 18 decibel, gerelateerd aan 1 milliwatt (dBm), biedt een betrouwbare dekking in grote industriële ruimtes.

De BLE 5.4-ondersteuning van de modules verloopt via een speciaal snel UART-kanaal (HS-UART). BLE 5.4 is een protocol dat zeer geschikt is voor industriële omgevingen. Het ondersteunt:

• Periodic advertising with response (PAwR) om stroomverbruik te verminderen door vooraf bepaalde zendvensters te gebruiken
• Periodic advertising sync transfer (PAST) om netwerkbeheer te vereenvoudigen door primaire apparaten in staat te stellen synchronisatiegegevens te delen
• LE 2 megabit per seconde (Mbit/s) fysieke laag (PHY) om snelle gegevenstransmissie te ondersteunen met een snelle terugkeer naar de slaapstand, waardoor de energiezuinigheid nog verder wordt verbeterd
• LE Long range-modus voor betrouwbare communicatie over langere afstanden

De modules ondersteunen Wi-Fi- en Bluetooth-coëxistentie voor toepassingen die beide protocollen vereisen.

Een zeer betrouwbaar ontwerp

Sona TI351-modules bevatten een geïntegreerde vermogensversterker (PA) die de uitgaande signaalsterkte versterkt om een betrouwbare werking in veeleisende omgevingen te garanderen. Aan de inkomende kant verbetert een ruisarme versterker (LNA) de signaalontvangst door zwakke signalen te versterken terwijl ruisstoringen worden geminimaliseerd. Deze combinatie zorgt voor een stabiele draadloze verbinding, zelfs in omgevingen met aanzienlijke EMI en fysieke obstakels.

De modules zijn ook ontworpen met het oog op fysieke betrouwbaarheid. De SMT-versies hebben robuuste verbindingen die bestand zijn tegen trillingen en mechanische belasting, terwijl de optie met ingebouwde antenne een potentieel storingspunt wegneemt. De modules hebben ook een bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot 85 °C.

Uitgebreide software-ondersteuning voor Linux- en Android-besturingssystemen

Sona TI351-modules bevatten uitgebreide softwareondersteuning voor Linux- en Android-besturingssystemen. Voor Linux is de connectiviteits-stack getest in meerdere kernelversies, met backported stuurprogramma's voor versies vanaf v2.6.37 om compatibiliteit met oudere kernels te garanderen. De stack ondersteunt bekende bouwomgevingen, waaronder Buildroot, Yocto en Ubuntu.

In plaats van alleen de hardwarespecifieke stuurprogramma's te leveren, levert Ezurio een complete, vooraf geteste connectiviteitsstack (Afbeelding 2). Deze aanpak helpt incompatibiliteiten tussen componenten te voorkomen en versnelt de systeemintegratie. De stack wordt voortdurend onderhouden met de nieuwste broncode voor stuurprogramma's en kernelcomponenten om optimale prestaties te garanderen.

Afbeelding 2: De Sona TI351 wordt geleverd met een uitgebreide connectiviteitssoftware. (Bron afbeelding: Ezurio)

Beveiliging en certificering

De modules maken gebruik van de geavanceerde beveiligingsfuncties van Wi-Fi 6 en BLE 5.4. Aan de Wi-Fi-kant bieden ze robuuste ondersteuning voor WPA2/3-beveiligingsprotocollen op bedrijfsniveau, inclusief geavanceerde versleutelings- en verificatiemechanismen.

Voor BLE maakt de functie encrypted advertising data het mogelijk om gevoelige informatie veilig uit te zenden zonder de overhead van het tot stand brengen van continue verbindingen, wat vooral handig is in gebouwautomatiseringssystemen die omgevingsgegevens of toegangsgegevens verzenden. Daarnaast maakt het BLE generic attribute profile (GATT) Security Levels Characteristic verschillende beveiligingsniveaus mogelijk voor verschillende gegevenstypen, waardoor de balans tussen beveiligingsoverhead en prestaties wordt geoptimaliseerd.

Naleving van regelgeving kan een behoorlijke hoofdpijn zijn, ongeacht het protocol dat ontwerpers kiezen, vooral voor apparaten die internationaal worden verzonden. Om aan deze zorgen tegemoet te komen, is de Sona TI351-serie gecertificeerd volgens standaarden als FCC (VS), IC (Canada), CE (Europa), UKCA (VK), MIC (Japan), RCM (Australië/Nieuw-Zeeland) en KCC (Zuid-Korea).

SMT- en M.2-opties bieden assemblageflexibiliteit

Zoals eerder vermeld is de Ezurio Sona TI351-familie verkrijgbaar in verschillende configuraties om te voldoen aan specifieke toepassingsvereisten. De 453-00200R (Afbeelding 3) maakt bijvoorbeeld gebruik van de compacte 12 x 16 millimeter (mm) M.2 1216 SMT-vormfactor met een geïntegreerde chipantenne. Dit ontwerp maakt geautomatiseerde assemblage mogelijk en biedt tegelijkertijd een robuuste verbinding die bestand is tegen industriële omgevingen. Deze combinatie van eigenschappen maakt de module bijzonder geschikt voor grote volumes waarbij betrouwbaarheid en productie-efficiëntie van cruciaal belang zijn.

Afbeelding 3: De Sona TI351 453-00200R is een compacte module van 12 x 12 mm in een M.2 1216 SMT-vormfactor met een geïntegreerde chipantenne. (Bron afbeelding: Ezurio)

Voor toepassingen die externe antenneconnectiviteit vereisen, heeft de 453-00199R (Afbeelding 4) dezelfde robuuste M.2 1216-vormfactor, maar biedt een MHF4L-connector in plaats van een chipantenne. Deze configuratie maakt het gebruik van externe antennes mogelijk voor optimale signaalontvangst in lastige RF-omgevingen, zoals metalen behuizingen of gebieden met hoge EMI.

Afbeelding 4: De Sona TI351 453-00199R-module heeft een MHF4L-antenneconnector. (Bron afbeelding: Ezurio)

In tegenstelling tot de twee vorige voorbeelden gebruikt de 453-00209 (Afbeelding 5) een M.2 2230 Key E-connector voor insteekbare systeemconfiguraties. Deze functie maakt eenvoudige installatie en vervanging in het veld mogelijk, waardoor het bijzonder nuttig is voor apparatuurbewakingstoepassingen waarbij het minimaliseren van systeemuitval tijdens onderhoud van cruciaal belang is.

Afbeelding 5: De Sona TI351 453-00209-module gebruikt een M.2 2230 Key E-connector voor insteekbare systeemconfiguraties. (Bron afbeelding: Ezurio)

Dankzij deze reeks opties kunnen systeemontwerpers hun implementaties optimaliseren voor specifieke gebruikssituaties, terwijl de betrouwbaarheid en het integratiegemak behouden blijven.

Vooraf gecertificeerde antennes stroomlijnen RF-ontwerp

Voor modules die zijn uitgerust met de MHF4L-connector biedt Ezurio een reeks vooraf gecertificeerde antenneopties. Een voorbeeld is de EFB2471A3S-10MH4L 5 W flexibele planar inverted-F antenne (FlexPIFA) (Afbeelding 6) met zelfklevende achterkant voor eenvoudige integratie. Deze drievoudige band (2,4/5/6 GHz, met ondersteuning voor 7,125 GHz) antenne handhaaft een lage gemiddelde spannings staande golfverhouding (VSWR) van 1,6:1 bij 5,925 tot 7,125 GHz. Het heeft een versterking van 3,9 decibel ten opzichte van isotroop (dBi) op 5 GHz en is bijzonder geschikt voor wereldwijde toepassingen waarbij prestaties op verschillende frequentiebanden essentieel zijn.

Afbeelding 6: De EFB2471A3S-10MH4L is een driebands 2,4/5/6 GHz, 5 W antenne. (Bron afbeelding: Ezurio)

Voor stationaire industriële IoT (IIoT) en apparatuurbewakingstoepassingen biedt de 001-0021 (Afbeelding 7) een dualband 2,4/5 GHz-oplossing. Het heeft een VSWR van <2,5:1 op 2,4 GHz en een versterking van 3 dBi op 5 GHz.

Afbeelding 7: De 001-0021 is een dualband 2,4/5 GHz antenne. (Bron afbeelding: Ezurio)

Het aanbod van vooraf gecertificeerde antennes kan de productontwikkeling aanzienlijk stroomlijnen. Ezurio heeft de antennes voor gebruik met de modules al getest, waardoor het risico op onverwachte RF-prestatieproblemen wordt beperkt. Meer in het algemeen stelt de combinatie van modulevormfactoren en antennekeuzes systeemontwerpers in staat om hun implementaties te optimaliseren met behoud van integratiegemak.

Development kit biedt volledige toegang

Ontwerpers kunnen de 453-00200-K1-ontwikkelkit (Afbeelding 8) gebruiken om snel aan de slag te gaan met de modules. Deze uitgebreide kit gebruikt een 453-00200-chipantennemodule en heeft meerdere software en hardware interfaces naar een Linux host om de functionaliteit en prestaties van de module te testen.

Afbeelding 8: De Sona TI351-ontwikkelingskit is gebaseerd op een 453-00200-chipantennemodule en biedt communicatie en hardware interfaces naar een Linux host. (Bron afbeelding: Ezurio)

De kit bevat kabels voor hoge en lage snelheid en adapter/dochterkaarten die verbinding maken met UART- of SDIO-apparaten met hoge snelheid. Met on-board headers, jumpers en schakelaars is het eenvoudig om stroom- en signaalnetten te scheiden voor het testen en meten van stroomverbruik tijdens hardware- en softwareontwikkeling.

Conclusie

De Sona TI351-modules pakken de belangrijkste uitdagingen op het gebied van draadloze connectiviteit in industriële omgevingen aan door geavanceerde draadloze mogelijkheden te verpakken in een compact, robuust ontwerp. De pre-certificering van zowel modules als antennes, meerdere montageopties en vormfactoren, en een uitgebreide ontwikkelkit minimaliseren de ontwikkelingstijd en risico's.