Multiprotocol draadloze modules gebruiken om het ontwerp en de certificering van IoT-producten te vereenvoudigen

Draadloze connectiviteit stelt ontwerpers in staat om domme producten te veranderen in slimme, geïntegreerde elementen van het Internet of Things (IoT) die gegevens naar de cloud kunnen sturen voor analyse op basis van kunstmatige intelligentie (AI), terwijl apparaten over-the-air (OTA) instructies, firmware-updates en beveiligingsverbeteringen kunnen ontvangen.

Maar een draadloze verbinding toevoegen aan een product is niet triviaal. Voordat de ontwerpfase zelfs maar kan beginnen, moeten ontwerpers een draadloos protocol kiezen, wat ontmoedigend kan zijn. Verschillende draadloze standaarden werken bijvoorbeeld in het populaire, licentievrije 2,4 gigahertz (GHz) spectrum. Elk van deze standaarden vertegenwoordigt een afweging in termen van bereik, doorvoer en stroomverbruik. Om het beste protocol voor een bepaalde toepassing te kiezen, moeten de vereisten zorgvuldig worden afgewogen tegen de kenmerken van een protocol.

Vervolgens is, zelfs met sterk geïntegreerde moderne zendontvangers, het ontwerpen van het radiofrequentie (RF) circuit een uitdaging voor veel ontwerpteams, wat leidt tot kosten- en tijdoverschrijdingen. Bovendien moet een RF-product gecertificeerd worden voor gebruik, wat op zich al een ingewikkeld en tijdrovend proces kan zijn.

Eén oplossing is om het ontwerp te baseren op een gecertificeerde module die gebruik maakt van een multiprotocol system-on-chip (SoC). Dit elimineert de complexiteit van RF-ontwerp met discrete componenten en biedt flexibiliteit in de keuze van het draadloze protocol. Deze modulebenadering biedt ontwerpers een drop-in draadloze oplossing, waardoor het veel eenvoudiger wordt om draadloze connectiviteit in producten te integreren en voor certificering te slagen.

Dit artikel gaat in op de voordelen van draadloze connectiviteit, bekijkt de sterke punten van enkele belangrijke draadloze 2,4 GHz protocollen, analyseert kort de hardware-ontwerpproblemen en introduceert een geschikte RF-module van Würth Elektronik. Het artikel bespreekt ook het certificeringsproces dat nodig is om te voldoen aan wereldwijde voorschriften, gaat in op de ontwikkeling van toepassingssoftware en introduceert een SDK (Software Development Kit) om ontwerpers te helpen aan de slag te gaan met de module.

De voordelen van multiprotocol zendontvangers

Geen enkele draadloze korteafstandssector domineert, omdat elke sector compromissen sluit om aan de beoogde toepassingen te voldoen. Een groter bereik en/of hogere verwerkingscapaciteit gaat bijvoorbeeld ten koste van een hoger energieverbruik. Andere belangrijke factoren om rekening mee te houden zijn interferentiebestendigheid, de mogelijkheid van mesh-netwerken en interoperabiliteit met het Internet Protocol (IP).

Van de verschillende gevestigde draadloze technologieën met kort bereik zijn er drie duidelijke leiders: Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE), Zigbee en Thread. Ze delen enkele overeenkomsten door een gedeeld DNA van de IEEE 802.15.4-specificatie. Deze specificatie beschrijft fysieke (PHY) en media access control (MAC) lagen voor draadloze persoonlijke netwerken met lage datasnelheid (WPANs). De technologieën werken over het algemeen op 2,4 GHz, hoewel er enkele sub-GHz varianten van Zigbee zijn.

Bluetooth LE is geschikt voor IoT-toepassingen zoals smart home-sensors waarbij de gegevensoverdracht bescheiden is en niet vaak voorkomt (Afbeelding 1). De interoperabiliteit van Bluetooth LE met de Bluetooth-chips van de meeste smartphones is ook een groot voordeel voor consumentgerichte toepassingen zoals wearables. De belangrijkste nadelen van de technologie zijn de vereiste van een dure en energieverslindende gateway om verbinding te maken met de cloud en de onhandige mesh-netwerkmogelijkheden.

Afbeelding 1: Bluetooth LE is zeer geschikt voor smart home sensors zoals camera's en thermostaten. De interoperabiliteit met smartphones vereenvoudigt de configuratie van compatibele producten. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

Zigbee is ook een goede keuze voor toepassingen met laag vermogen en lage doorvoer in industriële automatisering, commerciële toepassingen en thuisgebruik. De verwerkingscapaciteit is lager dan Bluetooth LE, terwijl het bereik en het stroomverbruik vergelijkbaar zijn. Zigbee is niet interoperabel met smartphones en biedt ook geen native IP-mogelijkheden. Een belangrijk voordeel van Zigbee is dat het vanaf de basis ontworpen is voor mesh netwerken.

Thread maakt net als Zigbee gebruik van de IEEE 802.15.4 PHY en MAC en is ontworpen om grote mesh-netwerken tot 250 apparaten te ondersteunen. Thread verschilt van Zigbee door het gebruik van 6LoWPAN (een combinatie van IPv6 en WPAN's met laag vermogen), waardoor connectiviteit met andere apparaten en de cloud eenvoudig is, zij het via een randapparaat genaamd border router. (Zie "Een korte handleiding voor wat belangrijk is in draadloze technologieën met kort bereik").

Hoewel op standaarden gebaseerde protocollen domineren, is er nog steeds een niche voor 2,4 GHz bedrijfseigen protocollen. Hoewel ze de connectiviteit beperken tot andere apparaten die zijn uitgerust met de chip van dezelfde fabrikant, kunnen dergelijke protocollen fijn worden afgesteld om het stroomverbruik, het bereik, de ongevoeligheid voor interferentie of andere belangrijke operationele parameters te optimaliseren. Een IEEE 802.15.4 PHY en MAC is perfect in staat om 2,4 GHz propriëtaire draadloze technologie te ondersteunen.

De populariteit van deze drie korte-afstandsprotocollen en de flexibiliteit die de eigen 2,4 GHz technologie biedt, maakt het moeilijk om de juiste te kiezen voor de meest uiteenlopende toepassingen. Voorheen moest een ontwerper één draadloze technologie kiezen en vervolgens het product opnieuw ontwerpen als er vraag was naar een variant met een ander protocol. Maar omdat de protocollen PHY's gebruiken die gebaseerd zijn op een vergelijkbare architectuur en werken in het 2,4 GHz spectrum, bieden veel siliciumleveranciers multiprotocol-zendontvangers aan.

Met deze chips kan een enkel hardwareontwerp opnieuw geconfigureerd worden voor verschillende protocollen door eenvoudigweg nieuwe software te uploaden. Beter nog, het product zou geleverd kunnen worden met meerdere softwarestacks, waarbij het schakelen tussen elk wordt bewaakt door een microcontroller unit (MCU). Hierdoor kan bijvoorbeeld Bluetooth LE worden gebruikt om een slimme thuisthermostaat te configureren vanaf een smartphone voordat het apparaat overschakelt op een ander protocol om zich aan te sluiten bij een Thread-netwerk.

De nRF52840-SoC van Nordic Semiconductor ondersteunt Bluetooth LE, Bluetooth mesh, Thread, Zigbee, IEEE 802.15.4, ANT+ en eigen 2,4 GHz stacks. De Nordic SoC bevat ook een Arm®Cortex®-M4 MCU die zorgt voor het RF-protocol en de toepassingssoftware, evenals 1 megabyte (Mbyte) flashgeheugen en 256 kilobytes (Kbytes) RAM. In de Bluetooth LE-modus biedt de SoC een maximale ruwe gegevensdoorvoer van 2 megabit per seconde (Mbits/s). De stroomafname voor zenden vanaf de 3 volt DC-ingangsvoeding is 5,3 milliampère (mA) bij 0 decibel gerefereerd aan 1 milliwatt (dBm) uitgangsvermogen en de stroomafname voor ontvangen (RX) is 6,4 mA bij een ruwe gegevenssnelheid van 1 Mbit/s. Het maximale zendvermogen van de nRF52840 is +8 dBm en de gevoeligheid is -96 dBm (Bluetooth LE bij 1 Mbit/s).

Het belang van een goed RF-ontwerp

Hoewel draadloze SoC's zoals Nordic's nRF52840 zeer capabele apparaten zijn, vereist het nog steeds een aanzienlijke ontwerpvaardigheid om de RF-prestaties te maximaliseren. De ingenieur moet in het bijzonder rekening houden met factoren zoals voedingfiltering, externe kristaltimingcircuits, antenneontwerp en -plaatsing en, wat cruciaal is, impedantieaanpassing.

De belangrijkste parameter die een goede van een slechte RF-schakeling onderscheidt, is de impedantie (Z). Bij hoge frequenties, zoals de 2,4 GHz die gebruikt wordt door een korteafstandsradio, is de impedantie op een bepaald punt op een RF-spoor gerelateerd aan de karakteristieke impedantie van dat spoor, die op zijn beurt afhangt van het substraat van de printplaat, de afmetingen van het spoor, de afstand tot de belasting en de impedantie van de belasting.

Het blijkt dat wanneer de belastingsimpedantie - voor een zendsysteem is dat de antenne en voor een ontvangsysteem is dat de SoC van de zendontvanger - gelijk is aan de karakteristieke impedantie, de gemeten impedantie gelijk blijft op elke afstand langs het spoor vanaf de belasting. Hierdoor worden lijnverliezen geminimaliseerd en wordt maximaal vermogen overgedragen van de zender naar de antenne, waardoor de robuustheid en het bereik toenemen. Daarom is het een goede ontwerppraktijk om een aanpassingsnetwerk te bouwen dat ervoor zorgt dat de impedantie van een RF-apparaat gelijk is aan de karakteristieke impedantie van de printplaat. (Zie "Bluetooth 4.1, 4.2 en 5 compatibele Bluetooth Low Energy SoC's en tools komen tegemoet aan IoT-uitdagingen (deel 2)").

Het aanpassingsnetwerk bestaat uit een of meer shuntspoelen en seriecondensatoren. De uitdaging voor de ontwerper is om de beste netwerktopologie en componentwaarden te kiezen. Fabrikanten bieden vaak simulatiesoftware aan om te helpen bij het ontwerpen van bijpassende schakelingen, maar zelfs na het volgen van goede ontwerpregels kan de resulterende schakeling vaak teleurstellende RF-prestaties laten zien, met een gebrek aan bereik en betrouwbaarheid. Dit leidt tot meer ontwerpiteraties om het bijpassende netwerk te herzien (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De Nordic nRF52840 heeft externe schakelingen nodig om zijn functionaliteit te benutten. Externe schakelingen omvatten filters voor ingangsspanning, ondersteuning voor externe kristaltiming en aangesloten op de antenne (ANT) pin van de SoC, impedantieaanpassingsschakelingen tussen de SoC en een antenne. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

De voordelen van een module

Het ontwerpen van een draadloos circuit voor de korte afstand met discrete componenten heeft een aantal voordelen, met name lagere materiaalkosten en ruimtebesparing. Maar zelfs als de ontwerper een van de vele uitstekende referentieontwerpen van SoC-leveranciers volgt, kunnen andere factoren, zoals de kwaliteit en toleranties van componenten, de lay-out van de printplaat en substrateigenschappen, en de verpakking van het eindproduct, de RF-prestaties dramatisch beïnvloeden.

Een alternatieve aanpak is om de draadloze connectiviteit te baseren op een module van een derde partij. De modules zijn volledig geassembleerde, geoptimaliseerde en geteste oplossingen die "drop-in" draadloze connectiviteit mogelijk maken. In de meeste gevallen is de module al gecertificeerd voor gebruik in wereldwijde markten, waardoor de ontwerper de tijd en het geld bespaart die nodig zijn om te voldoen aan de RF-regelgeving.

Er zijn enkele nadelen aan het gebruik van modules. Dit zijn onder andere hogere kosten (afhankelijk van het volume), een groter eindproduct, afhankelijkheid van een enkele leverancier en zijn vermogen om grote aantallen te leveren, en (soms) een kleiner aantal toegankelijke pinnen ten opzichte van de SoC waarop de module is gebaseerd. Maar als de eenvoud van het ontwerp en de snellere marktintroductietijd opwegen tegen deze nadelen, dan is een module het antwoord.

Een voorbeeld dat gebruik maakt van de Nordic nRF52840 in het hart is de Setebos-I 2,4 GHz radiomodule 2611011024020 van Würth Elektronik. De compacte module meet 12 × 8 × 2 millimeter (mm), heeft een ingebouwde antenne, een deksel om elektromagnetische interferentie (EMI) te minimaliseren en wordt geleverd met firmware om zowel Bluetooth 5.1 als eigen 2,4 GHz protocollen te ondersteunen (afbeelding 3). Zoals hierboven beschreven, kan de SoC in het hart van de module ook Thread en Zigbee ondersteunen - met toevoeging van de juiste firmware.

Afbeelding 3: De Setebos-I 2,4 GHz radiomodule heeft een compacte vormfactor, een ingebouwde antenne en een afdekking om EMI te beperken. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

De module accepteert een ingang van 1,8 tot 3,6 volt en verbruikt in de slaapstand slechts 0,4 microampère (µA). De werkfrequentie beslaat de industriële, wetenschappelijke en medische (ISM) band, die is gecentreerd op 2,44 GHz (2,402 tot 2,480 GHz). In ideale omstandigheden, met 0 dBm uitgangsvermogen, is het line-of-site bereik tussen de zender en de ontvanger tot 600 meter (m), en de maximale Bluetooth LE doorvoer is 2 Mbits/s. De module heeft een ingebouwde antenne met een kwartgolflengte (3,13 centimeter (cm)), maar het is ook mogelijk om het bereik te vergroten door een externe antenne aan te sluiten op de eerder genoemde ANT-aansluiting op de module (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De Setebos-I 2,4 GHz radiomodule bevat een pin voor een externe antenne (ANT) om het bereik van de radio te vergroten. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

De Setebos-I radiomodule biedt toegang tot de pinnen van de nRF52840 SoC via soldeerpads. Tabel 1 toont de functie van elke modulepin. Pinnen "B2" tot "B6" zijn programmeerbare GPIO's die handig zijn voor het aansluiten van sensors zoals temperatuur, vochtigheid en luchtkwaliteitsapparaten.

Tabel 1: De pinaansluitingen van de Setebos-I 2,4 GHz radiomodule. LED-uitgangen kunnen worden gebruikt om radiotransmissie en -ontvangst aan te geven. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

Certificering van draadloze producten met kort bereik

Hoewel de 2,4 GHz band een vergunningsvrije spectrumtoewijzing is, moeten radioapparaten die in de band werken nog steeds voldoen aan lokale voorschriften zoals die van de U.S. Federal Communications Commission (FCC), de Europese Verklaring van Conformiteit (CE) of het Telecom Engineering Center (TELEC) in Japan. Om aan de voorschriften te voldoen, moet een product getest en gecertificeerd worden, wat tijdrovend en duur kan zijn. Als het RF-product niet slaagt voor een onderdeel van de test, moet het volledig opnieuw worden ingediend. Als de module in Bluetooth-modus gebruikt gaat worden, heeft deze ook een Bluetooth-vermelding van de Bluetooth Special Interest Group (SIG) nodig.

Certificering voor de module leidt niet automatisch tot certificering van het eindproduct dat de module gebruikt. Maar het maakt de certificering van eindproducten meestal tot een papieren exercitie in plaats van een uitgebreide testtaak, op voorwaarde dat ze geen gebruik maken van extra draadloze apparaten zoals Wi-Fi. Hetzelfde geldt over het algemeen voor het verkrijgen van de Bluetooth-lijst. Na certificering dragen producten die de module gebruiken een label met FCC-, CE- en andere relevante identificatienummers (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Voorbeeld van een ID-label dat op de Setebos-I-module is aangebracht om aan te tonen dat de module de CE- en FCC RF-certificering heeft doorstaan. Certificering kan over het algemeen worden geërfd door het eindproduct zonder opnieuw te testen door middel van eenvoudig papierwerk. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

Fabrikanten van modules gaan gewoonlijk zover dat ze RF-certificering (en Bluetooth-vermelding indien van toepassing) verkrijgen voor hun modules voor de regio's waarin ze de producten willen verkopen. Würth Elektronik heeft dit gedaan voor de Setebos-I radiomodule, maar het moet gebruikt worden met de fabrieksfirmware. In het geval van Bluetooth is de module vooraf gecertificeerd, op voorwaarde dat deze wordt gebruikt met Nordic's S140 Bluetooth LE-fabrieksstack of een stack die wordt geleverd via de nRF Connect SDK-softwareontwikkelingskit van het bedrijf.

De firmware van Würth en Nordic is robuust en beproefd voor elke toepassing. Maar als de ontwerper beslist om de module te herprogrammeren met een open Bluetooth LE of 2,4 GHz eigen stack, of eentje van een alternatieve commerciële leverancier, dan zullen ze de certificatieprogramma's van nul moeten beginnen voor de regio's waarin ze willen werken.

Ontwikkeltools voor de Setebos-I radiomodule

Voor geavanceerde ontwikkelaars biedt Nordic's nRF Connect SDK een uitgebreide ontwerptool voor het bouwen van toepassingssoftware voor de nRF52840 SoC. De nRF Connect voor VS Code-extensie is de aanbevolen geïntegreerde ontwikkelomgeving (IDE) waarin u de nRF Connect SDK kunt uitvoeren. Het is ook mogelijk om de nRF Connect SDK te gebruiken om een alternatief Bluetooth LE of 2,4 GHz eigen protocol te uploaden naar de nRF52840. (Zie de opmerkingen hierboven over de invloed die dit heeft op modulecertificering).

De nRF Connect SDK werkt met de nRF52840 DK-ontwikkelingskit (Afbeelding 6). De hardware is voorzien van de nRF52840 SoC en ondersteunt de ontwikkeling en het testen van prototypecode. Zodra de toepassingssoftware klaar is, kan de nRF52840 DK fungeren als een J-LINK-programmer om de code over te dragen naar het flashgeheugen van de Setebos-I radiomodule via de "SWDCLK" en "SWDIO" pinnen van de module.

Afbeelding 6: Nordic's nRF52840 DK kan worden gebruikt om applicatiesoftware te ontwikkelen en te testen. De ontwikkelkit kan vervolgens worden gebruikt om andere nRF52840 SoC's te programmeren, zoals de SoC die wordt gebruikt in de Setebos-I module. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

Toepassingssoftware die is gebouwd met de ontwikkelingstools van Nordic is ontworpen om te draaien op de ingebedde Arm Cortex-M4 MCU van de nRF52840. Maar het kan ook zijn dat het eindproduct al is uitgerust met een andere MCU en dat de ontwikkelaar die wil gebruiken om applicatiecode uit te voeren en draadloze connectiviteit te bewaken. Of de ontwikkelaar is misschien meer vertrouwd met ontwikkeltools voor andere populaire hostmicroprocessors, zoals de STM32F429ZIY6TR van STMicroelectronics. Deze processor is ook gebaseerd op een Arm Cortex-M4-kern.

Om een externe host-microprocessor in staat te stellen toepassingssoftware uit te voeren en toezicht te houden op de nRF52840 SoC, biedt Würth Elektronik zijn Wireless Connectivity SDK. De SDK is een set softwaretools die een snelle software-integratie van de draadloze modules van het bedrijf met veel populaire processors, waaronder de STM32F429ZIY6TR-chip, mogelijk maakt. De SDK bestaat uit drivers en voorbeelden in C die de UART-, SPI- of USB-randapparatuur van het onderliggende platform gebruiken om te communiceren met het aangesloten radioapparaat (Afbeelding 7). De ontwikkelaar port eenvoudigweg de C-code van de SDK naar de hostprocessor. Dit vermindert de tijd die nodig is om een software-interface voor de radiomodule te ontwerpen aanzienlijk.

Afbeelding 7: De draadloze connectiviteit SDK-driver maakt het eenvoudig voor ontwikkelaars om de Setebos-I-radiomodule aan te sturen via een UART-poort met behulp van een externe hostmicroprocessor. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

De Setebos-I radiomodule gebruikt een "commando-interface" voor configuratie- en bedieningstaken. Deze interface biedt tot 30 commando's om taken uit te voeren zoals het bijwerken van verschillende apparaatinstellingen, het verzenden en ontvangen van gegevens en het in een van de vele spaarstanden zetten van de module. Het aangesloten radioapparaat moet in opdrachtmodus werken om de SDK voor draadloze connectiviteit te kunnen gebruiken.

Conclusie

Het kan lastig zijn om één enkel draadloos protocol te kiezen voor een aangesloten product en het is zelfs nog lastiger om het radiocircuit helemaal opnieuw te ontwerpen. Een radiomodule zoals Setebos-I van Würth Elektronik biedt niet alleen flexibiliteit in de protocolkeuze, maar biedt ook een drop-in connectiviteitsoplossing die voldoet aan de regelgevingseisen van verschillende regio's waar wordt gewerkt. De Sebetos-1-module wordt geleverd met Würth's Wireless Connectivity SDK, waarmee ontwikkelaars de module eenvoudig en snel kunnen besturen met behulp van hun eigen keuze van host MCU.