Tento článek pojednává o problémech integrace bezdrátového připojení do průmyslových systémů a představuje certifikované moduly Ezurio Wi-Fi 6 s BLE 5.4, související antény a vývojové sady.

Bezdrátová komunikace v průmyslu

V průmyslovém prostředí roste počet koncových bodů, které potřebují sdílet vysokorychlostní data a bezdrátové sítě jsou často jediným prostředkem jak tohoto cíle dosáhnout. To může vést až k zahlcení sítě u starších bezdrátových technologií, které tak začnou mít problémy s latencí a ztrátou paketů, a tím klesne provozní efektivita. Zastaralé komunikační technologie jsou také zranitelné vůči kybernetickým útokům.

Moderní bezdrátové technologie jako je Wi-Fi 6 či BLE 5.4 dokážou tyto problémy vyřešit, ale jejich vývoj a integrace vyžaduje vysokou odbornost v oblasti RF, a to zejména v prostorově omezených zařízeních. Mnoho bezdrátových řešení navíc vyžaduje ruční montážní kroky, a to zase zpomaluje výrobu a zvyšuje náklady. V průmyslovém prostředí je výrazné elektromagnetické rušením (EMI), jsou extrémní teploty, vibrace a otřesy, které mohou ovlivnit spolehlivost komunikace. Průmyslové aplikace hlavně vyžadují nízkou spotřebu energie, aby se prodloužila životnost baterie.

Robustní řešení: moduly Wi-Fi 6 s Bluetooth LE 5.4

Moduly Sona TI351 od Ezurio řeší výzvy průmyslové bezdrátové konektivity kombinací Wi-Fi a BLE v robustních, předem certifikovaných modulech (obrázek 1). Tyto moduly jsou postavené na wifi čipu SimpleLink CC3351 od Texas Instruments a doprovodného integrovaného obvodu BLE. Moduly jsou určené pro povrchovou montáž (SMT) nebo jako zásuvná varianta s možností výběru mezi vestavěnou čipovou anténou nebo anténním konektorem.

Obrázek 1: Sona TI351 je rodina kompaktních, předem certifikovaných modulů Wi-Fi 6 a BLE 5.4 v variantě SMT a zásuvných variantách s vestavěnými anténami nebo anténními konektory. (Zdroj obrázku: Ezurio)

Všechny moduly podporují Wi-Fi 6 (802.11ax) přes rozhraní SDIO 2.0 s vysokorychlostním přenosem dat, vestavěnou detekcí a opravou chyb. Wi-Fi 6 nabízí několik funkcí, které podporují spolehlivý výkon v přetížených průmyslových sítích:

• Vícenásobný přístup s ortogonálním frekvenčním dělením (OFDMA) umožňuje simultánní přenos z více zařízení IoT na stejném kanálu, a to zvyšuje efektivitu v hustých sítích.
• Target Wake Time (TWT) optimalizuje životnost baterie tím, že umožňuje přesné plánování časů probuzení jednotlivých zařízení.
• Podpora dvou pásem nabízí flexibilitu pro různé případy použití: 2,4 GHz (GHz) zajišťuje lepší pronikání překážkami, zatímco 5 GHz poskytuje vyšší šířku pásma.
• 18 dBm vysílacího výkonu poskytuje spolehlivé pokrytí velkých průmyslových prostor.

Podpora BLE 5.4 je přes vyhrazený vysokorychlostní kanál UART (HS-UART). BLE 5.4 je protokol, který je vhodný pro průmyslová prostředí.

Vlastnosti Bluetooth Low Energy 5.4:

• Periodický advertisement s odezvou (PAwR) snižuje spotřebu energie pomocí předem stanovených přenosových oken
• Periodic Advertising Sync Transfer (PAST) zjednodušuje správu sítě tím, že primárním zařízením umožní sdílet synchronizační data
• 2 Mbit/s fyzická vrstva (PHY) pro rychlý přenos dat s rychlým návratem do režimu spánku. Díky tomu se dosáhne lepší energetické účinnosti
• Režim LE Long Range pro spolehlivou komunikaci na velké vzdálenosti

Moduly podporují koexistenci Wi-Fi a Bluetooth pro aplikace vyžadující komunikaci obou protokolů současně.

Vysoce spolehlivý design – stabilní bezdrátové připjení

Moduly Sona TI351 obsahují integrovaný výkonový zesilovač (PA), který zesiluje odchozí signál a zajišťuje spolehlivý provoz v náročných prostředích. Nízkošumový zesilovač (LNA) na vstupní straně zlepšuje příjem signálu zesílením slabých signálů a zároveň minimalizuje rušení šumem. Tato kombinace zajišťuje stabilní bezdrátové připojení i v prostředí se značnými elektromagnetickými a fyzickými překážkami. Verze SMT mají robustní připojení, která jsou odolná vůči vibracím a mechanickému namáhání. Volitelná vestavěná anténa odstraňuje potenciální bod selhání. Moduly mají průmyslový rozsah provozních teplot -40 °C až 85 °C.

Komplexní softwarová podpora pro OS Linux a Android

Moduly Sona TI351 zahrnují komplexní softwarovou podporu pro operační systémy Linux a Android. Pro Linux byl stack konektivity testován napříč více verzemi jádra se zpětně portovanými drivery již pro verzi 2.6.37, aby byla zajištěna kompatibilita se staršími jádry. Stack podporuje známá prostředí jako je Buildroot, Yocto a Ubuntu. Namísto poskytování pouze hardwarově specifických driverů, Ezurio poskytuje kompletní, předem otestovanou sadu konektivity (obrázek 2). Tento přístup pomáhá předcházet nekompatibilitě mezi komponentami a urychluje integraci systému. Stack je neustále udržován nejnovějšími zdroji driverů a komponentami jádra, aby byl zajištěn optimální výkon.

Obrázek 2: Sona TI351 se dodává s komplexním softwarovým balíkem pro konektivitu. (Zdroj obrázku: Ezurio)

Bezpečnost a certifikace

Moduly využívají pokročilé bezpečnostní funkce Wi-Fi 6 a BLE 5.4. Na straně Wi-Fi poskytují robustní podporu pro podnikové bezpečnostní protokoly WPA2/3 včetně pokročilých mechanismů šifrování a ověřování. Pro BLE část umožňuje funkce Encrypted Advertising Data bezpečné vysílání citlivých informací bez režie navazování nepřetržitých připojení, a to je užitečné zejména v systémech automatizace budov přenášejících data o prostředí nebo přístupové údaje. Charakteristiky úrovní zabezpečení BLE Generic Attribute Profile (GATT) navíc umožňují různé úrovně zabezpečení pro různé typy dat, čímž se optimalizuje rovnováha mezi režií zabezpečení a výkonem.

Certifikace neboli shoda s předpisy je někdy složitou a zdlouhavou záležitostí bez ohledu na to, který protokol je vybrán, zejména u zařízení dodávaných mezinárodně. K vyřešení těchto problémů je řada Sona TI351 certifikována podle norem, které zahrnují FCC (USA), IC (Kanada), CE (Evropa), UKCA (Spojené království), MIC (Japonsko), RCM (Austrálie/Nový Zéland) a KCC (Jižní Korea).

Možnosti SMT a M.2 poskytují flexibilitu montáže

Jak již bylo uvedeno výše, řada Ezurio Sona TI351 je k dispozici v několika konfiguracích, které splňují specifické požadavky aplikací. Například 453-00200R (obrázek 3) používá kompaktní 12 x 16 mm M.2 1216 SMT pouzdro s integrovanou čipovou anténou. Tato konstrukce umožňuje automatizovanou montáž a zároveň poskytuje robustní spojení, které odolá průmyslovému prostředí. Modul je vhodný pro velkoobjemová nasazení, kde je kladen důraz na spolehlivost a výrobní efektivitu.

Obrázek 3: Sona TI351 453-00200R je kompaktní modul o velikosti 12 x 16 mm v provedení M.2 1216 SMT s integrovanou čipovou anténou. (Zdroj obrázku: Ezurio)

Pro aplikace vyžadující připojení externí antény má 453-00199R (obrázek 4) stejně odolné pouzdro M.2 1216, ale místo čipové antény je k dispozici konektor MHF4L. Tato konfigurace umožňuje použití externí antény pro optimální příjem signálu v náročných RF prostředích jako jsou kovové kryty nebo prostory s vysokým elektromagnetickým rušením (EMI).

Obrázek 4: Modul Sona TI351 453-00199R je vybaven anténním konektorem MHF4L. (Zdroj obrázku: Ezurio)

Na rozdíl od dvou předchozích příkladů používá 453-00209 (obrázek 5) konektor M.2 2230 Key E pro zásuvné konfigurace systému. Tato možnost umožňuje snadnou instalaci a výměnu přímo na místě, a to je užitečné pro aplikace jako jsou monitorovací zařízení, kde je redukce prostojů systému během údržby zásadním faktorem.

Obrázek 5: Modul Sona TI351 453-00209 používá konektor M.2 2230 Key E pro zásuvné systémové konfigurace. (Zdroj obrázku: Ezurio)

Předem certifikované antény zjednodušují RF design

Pro moduly vybavené konektorem MHF4L nabízí Ezurio řadu předem certifikovaných antén. Jedním příkladem je 5 W flexibilní planární invertovaná anténa F (FlexPIFA) EFB2471A3S-10MH4L (obrázek 6) s lepicí zadní stranou pro snadnou integraci. Tato třípásmová (2,4/5/6 GHz, s podporou pro 7,125 GHz) anténa udržuje poměr stojatých vln při nízkém průměrném napětí (VSWR) 1,6:1 při 5,925 až 7,125 GHz. Zisk je 3,9 dBi na 5 GHz a je vhodná pro globální aplikace, kde je kladen důraz na výkon v různých frekvenčních pásmech.

Obrázek 6: EFB2471A3S-10MH4L je třípásmová 2,4/5/6 GHz, 5W anténa. (Zdroj obrázku: Ezurio)

Pro stacionární průmyslové IoT (IIoT) a aplikace pro monitorování zařízení nabízí 001-0021 (obrázek 7) dvoupásmové řešení 2,4/5 GHz. Má VSWR <2,5:1 při 2,4 GHz a zisk 3 dBi při 5 GHz.

Obrázek 7: 001-0021 je dvoupásmová 2,4/5 GHz anténa. (Zdroj obrázku: Ezurio)

Řada předem certifikovaných antén může významně zefektivnit vývoj produktů. Ezurio již otestovala antény pro použití s ​​moduly, čímž se snížilo riziko neočekávaných problémů s výkonem RF. Obecně se dá konstatovat, že kombinace tvarových faktorů modulů a voleb antén umožňuje návrhářům systémů optimalizovat jejich implementaci při zachování snadné integraci.

Vývojová sada poskytuje plný přístup ke všem funkcím

K dispozici je vývojová sada 453-00200-K1 (obrázek 8) pro rychlý start s moduly. Tato komplexní sada používá modul s čipovou anténou 453-00200 a obsahuje několik softwarových a hardwarových rozhraní pro připojení k operačnímu systému Linux. Díky tomu lze provádět testování funkčnosti a výkonu celého modulu.

Obrázek 8: Vývojová sada Sona TI351 je založena na čipovém anténním modulu 453-00200 a poskytuje komunikační a hardwarová rozhraní k Linuxu. (Zdroj obrázku: Ezurio)

Sada obsahuje vysokorychlostní, nízkorychlostní kabely a adaptéry, které se připojují pomocí UART nebo vysokorychlostní SDIO. Integrované hlavičky, propojky a přepínače usnadňují oddělení napájecí a signálové cesty pro testování a měření spotřeby energie během vývoje.

Závěr

Moduly Sona TI351 řeší klíčové výzvy bezdrátového připojení v průmyslových prostředích tím, že jsou pokročilé bezdrátové funkce zabaleny do kompaktního a odolného designu. Předběžná certifikace modulů i antén, více možností montáže a tvarových faktorů a komplexní vývojová sada minimalizují čas a zjednodušují vývoj.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com