Použití multiprotokolových bezdrátových modulů ke zjednodušení návrhu a certifikace produktů IoT

Bezdrátová konektivita umožňuje konstruktérům proměnit zavržené produkty v chytré integrované prvky internetu věcí (IoT), které mohou odesílat data do cloudu k analýze založené na umělé inteligenci („artificial intelligence“, AI), a zároveň umožňuje zařízením přijímat pokyny, aktualizace firmwaru a vylepšení zabezpečení vzduchem („over-the-air“, OTA).

Přidání bezdrátového připojení k produktu však není triviální. Než může vůbec začít fáze návrhu, musí konstruktéři zvolit bezdrátový protokol, což může být náročné. Například v populárním 2,4gigahertzovém bezlicenčním spektru funguje několik bezdrátových standardů. Každý z těchto standardů představuje kompromis, pokud jde o dosah, propustnost a spotřebu energie. Výběr toho nejlepšího pro danou aplikaci vyžaduje pečlivé vyhodnocení jejích požadavků v porovnání s charakteristikami protokolu.

Pak i u vysoce integrovaných moderních transceiverů je návrh radiofrekvenčního („radio frequency“, RF) obvodu pro mnoho konstrukčních týmů výzvou, která vede k překračování nákladů a zpožďování harmonogramu. Kromě toho bude muset být RF produkt certifikován pro provoz, což může být samo o sobě obtížný, složitý a časově náročný proces.

Jedním z řešení je založit návrh na certifikovaném modulu, který využívá multiprotokolový systém na čipu („system-on-chip“, SoC). To složitost RF návrhu s diskrétními součástkami eliminuje a umožňuje flexibilitu při volbě bezdrátového protokolu. Tento modulový přístup představuje pro konstruktéry bezdrátové řešení typu drop-in, které výrazně usnadňuje integraci bezdrátové konektivity do produktů a certifikaci.

Tento článek pojednává o výhodách bezdrátové konektivity, jsou v něm zkoumány silné stránky některých klíčových bezdrátových 2,4GHz protokolů, stručně analyzovány problémy návrhu hardwaru a je zde představen vhodný RF modul od společnosti Würth Elektronik. Článek se také zabývá certifikačním procesem požadovaným ke splnění globálních předpisů, je v něm zvažován vývoj aplikačního softwaru a představena sada pro vývoj softwaru („software development kit“, SDK), která konstruktérům pomůže s modulem začít.

Výhody multiprotokolových transceiverů

Žádný z bezdrátových sektorů krátkého dosahu není dominantní, protože každý z nich dělá kompromisy, aby vyhověl svým cílovým aplikacím. Například větší dosah anebo propustnost jsou za cenu zvýšené spotřeby energie. Dalšími důležitými faktory, které je třeba vzít v úvahu, jsou odolnost proti rušení, schopnost tvořit mesh sítě a interoperabilita internetového protokolu („Internet protocol“, IP).

Mezi různými zavedenými bezdrátovými technologiemi krátkého dosahu jsou tři jasně hlavní: Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE), Zigbee a Thread. Díky sdílené DNA ze specifikace IEEE 802.15.4 mají některé charakteristiky stejné. Tato specifikace popisuje fyzické („physical“, PHY) vrstvy a vrstvy řízení přístupu k médiím („media access control“, MAC) pro bezdrátové osobní sítě („wireless personal area network“, WPAN) s nízkou přenosovou rychlostí. Technologie obecně pracují na frekvenci 2,4 GHz, i když existují některé subgigahertzové varianty protokolu Zigbee.

Protokol Bluetooth LE je vhodný pro aplikace internetu věcí, jako jsou senzory chytré domácnosti, kde jsou rychlosti přenosu dat nízké a dochází k nim zřídka (obrázek 1). Interoperabilita protokolu Bluetooth LE s čipy Bluetooth, které jsou součástí většiny chytrých telefonů, je také velkou výhodou pro spotřebitelsky orientované aplikace, jako je nositelná elektronika. Klíčovými nevýhodami této technologie je požadavek na drahou a energeticky náročnou bránu pro připojení ke cloudu a neohrabané možnosti mesh sítí.

Obrázek 1: Protokol Bluetooth LE se dobře hodí pro senzory chytré domácnosti, jako jsou kamery a termostaty. Jeho interoperabilita s chytrými telefony zjednodušuje konfiguraci kompatibilních produktů. (Zdroj obrázku: společnost Nordic Semiconductor)

Dobrou volbou pro aplikace s nízkou spotřebou a nízkou propustností v průmyslové automatizaci, komerčním a domácím prostředí je také protokol Zigbee. Jeho propustnost je nižší než u protokolu Bluetooth LE, ale jeho dosah a spotřeba energie jsou podobné. Protokol Zigbee není interoperabilní s chytrými telefony ani nenabízí nativní IP funkci. Klíčová výhoda tohoto protokolu spočívá v tom, že je od základu navržen pro mesh sítě.

Protokol Thread pracuje stejně jako protokol Zigbee s vrstvami PHY a MAC podle normy IEEE 802.15.4 a byl navržen pro podporu velkých mesh sítí tvořených až 250 zařízeními. Protokol Thread se od protokolu Zigbee liší tím, že používá připojení 6LoWPAN (kombinace protokolu IPv6 a sítí WPAN s nízkou spotřebou energie), díky čemuž je konektivita s ostatními zařízeními a cloudem přímočará, i když prostřednictvím síťového edge zařízení nazývaného hraniční router. (Viz článek „Stručný průvodce důležitými vlastnostmi bezdrátových technologií krátkého dosahu“.)

Zatímco protokoly založené na standardech dominují, na frekvenci 2,4 GHz stále existuje místo pro proprietární protokoly. Tyto protokoly lze jemně vyladit tak, aby optimalizovaly spotřebu energie, dosah, odolnost proti rušení nebo jiné důležité provozní parametry, ačkoli omezují konektivitu na jiná zařízení vybavená čipem stejného výrobce. Vrstvy PHY a MAC jsou dle normy IEEE 802.15.4 dokonale schopné podporovat proprietární bezdrátovou 2,4GHz technologii.

Popularita těchto tří protokolů s krátkým dosahem a flexibilita, kterou nabízí proprietární 2,4GHz technologie, ztěžují výběr toho správného protokolu, který by vyhovoval nejširší sadě aplikací. Dříve musel konstruktér vybrat jednu bezdrátovou technologii a poté produkt přepracovat, pokud se objevila poptávka po variantě využívající jiný protokol. Ale protože protokoly používají vrstvy PHY založené na podobné architektuře a fungují ve spektru 2,4 GHz, mnoho dodavatelů čipů nabízí multiprotokolové transceivery.

Tyto čipy umožňují překonfigurování jednoho návrhu hardwaru pro několik protokolů jednoduše nahráním nového softwaru. Ještě lepší je, že produkt by mohl být dodáván s více softwarovými sadami, přičemž přepínání mezi nimi by bylo řízeno mikrokontrolérem („microcontroller unit“, MCU). To by mohlo umožnit například použití protokolu Bluetooth LE ke konfiguraci termostatu chytré domácnosti z chytrého telefonu předtím, než zařízení přepne protokoly a připojí se k síti Thread.

Systém SoC nRF52840 společnosti Nordic Semiconductor podporuje protokoly Bluetooth LE, Bluetooth mesh, Thread, Zigbee, IEEE 802.15.4, ANT+ a proprietární sady 2,4 GHz. Systém SoC společnosti Nordic má také integrován MCU Arm® Cortex®-M4, který se stará o RF protokol a aplikační software, a obsahuje také 1 Mbyte flash paměti a 256 kbytů paměti RAM. Při provozu v režimu Bluetooth LE nabízí SoC maximální propustnost nezpracovaných dat 2 Mbit/s. Odběr proudu vysílání z jeho 3voltového stejnosměrného vstupního zdroje je 5,3 mA při 0 decibelech vztažených na 1 miliwatt (dBm) výstupního výkonu a odběr proudu příjmu (RX) je 6,4 mA při rychlosti nezpracovaných dat 1 Mbit/s. Maximální vysílací výkon zařízení nRF52840 je +8 dBm a jeho citlivost je −96 dBm (Bluetooth LE při 1 Mbit/s).

Důležitost dobrého RF návrhu

Zatímco jsou bezdrátové systémy SoC, jako je zařízení nRF52840 společnosti Nordic, velmi schopná zařízení, stále vyžadují značné konstrukční dovednosti, aby se jejich RF výkon maximalizoval. Technik musí zvážit zejména faktory, jako je filtrování napájecího zdroje, externí časovací obvody krystalů, návrh a umístění antény a především přizpůsobení impedance.

Klíčovým parametrem, který odlišuje dobrý RF obvod od špatného, je jeho impedance (Z). Při vysokých frekvencích, jako je frekvence 2,4 GHz používaná rádiem s krátkým dosahem, souvisí impedance v daném bodě na RF spoji s charakteristickou impedancí tohoto spoje, který zase závisí na substrátu desky plošných spojů, rozměrech spoje, jeho vzdálenosti od zátěže a impedance zátěže.

Ukazuje se, že když je impedance zátěže, kterou bude pro vysílací systém anténa a pro přijímací systém to bude SoC transceiveru, rovna charakteristické impedanci, naměřená impedance zůstane stejná v jakékoli vzdálenosti podél spoje od zátěže. V důsledku toho jsou minimalizovány ztráty ve vedení a maximální výkon je přenášen z vysílače na anténu, čímž se zvyšuje robustnost a dosah. Díky tomu je při návrhu osvědčeným postupem vybudovat přizpůsobovací síť, která zajistí, že impedance RF zařízení bude rovna charakteristické impedanci spoje desky plošných spojů. (Viz článek „Systémy SoC a nástroje Bluetooth Low Energy kompatibilní s Bluetooth 4.1, 4.2 a 5 splňují podmínky IoT (část 2)“.)

Přizpůsobovací síť obsahuje jednu nebo více bočníkových tlumivek a sériových kondenzátorů. Úkolem konstruktéra je vybrat nejlepší topologii sítě a hodnoty součástek. Výrobci často nabízejí simulační software, který pomáhá s přizpůsobením návrhu obvodu, ale i po dodržení správných pravidel návrhu může výsledný obvod často vykazovat neuspokojivý RF výkon, nedostatečný dosah a spolehlivost. To vede k dalším iteracím návrhu za účelem revize přizpůsobovací sítě (obrázek 2).

Obrázek 2: Zařízení nRF52840 společnosti Nordic vyžaduje pro využití svých funkcí externí obvody. Externí obvody zahrnují filtrování vstupního napětí, podporu externího časování krystalů a přizpůsobovací obvody impedance mezi systémem SoC a anténou, připojené k anténnímu pinu systému SoC (ANT). (Zdroj obrázku: společnost Nordic Semiconductor)

Výhody modulu

Návrh bezdrátového obvodu s krátkým dosahem pomocí diskrétních součástek má určité výhody, zejména nižší náklady na kusovník („bill-of-material“, BoM) a úsporu místa. I když se však konstruktér řídí jedním z mnoha vynikajících referenčních návrhů od dodavatelů systému SoC, mohou výkon RF výrazně ovlivnit další faktory, jako je kvalita a tolerance součástek, rozložení desky a substrátu a pouzdro koncového zařízení.

Alternativním přístupem je založit bezdrátovou konektivitu na modulu třetí strany. Moduly jsou plně sestavená, optimalizovaná a testovaná řešení, která umožňují bezdrátovou konektivitu typu „drop-in“. Ve většině případů bude modul již certifikován pro použití na globálních trzích, což konstruktérovi ušetří čas a peníze potřebné k absolvování certifikace RF regulace.

Použití modulu má i některé nevýhody. Patří mezi ně zvýšené náklady (v závislosti na objemu), větší velikost koncového produktu, spoléhání se na jednoho dodavatele a jeho schopnost dodávat ve velkém a (někdy) snížený počet přístupných pinů v porovnání se systémem SoC, na kterém je modul založen. Pokud však jednoduchost návrhu a rychlejší doba do uvedení na trh tyto nevýhody převáží, pak je modul řešením.

Jedním z příkladů, který jako základ využívají zařízení nRF52840 společnosti Nordic, je rádiový modul Setebos-I 2,4 GHz 2611011024020 společnosti Würth Elektronik. Kompaktní modul měří 12 × 8 × 2 mm, má vestavěnou anténu, kryt pro minimalizaci elektromagnetického rušení („electromagnetic interference“, EMI) a je dodáván s firmwarem pro podporu Bluetooth 5.1 a proprietárních 2,4GHz protokolů (obrázek 3). Jak je popsáno výše, systém SoC v základu modulu je s přidáním vhodného firmwaru schopen podporovat také protokoly Thread a Zigbee.

Obrázek 3: Rádiový modul Setebos-I 2,4 GHz je dodáván v kompaktním provedení, má vestavěnou anténu a je dodáván s krytem pro omezení elektromagnetického rušení. (Zdroj obrázku: společnost Würth Elektronik)

Modul přijímá vstup 1,8 až 3,6 V a v režimu spánku odebírá pouze 0,4 µA. Jeho pracovní frekvence pokrývá průmyslové, vědecké a lékařské („industrial, scientific, and medical“, ISM) pásmo, které je soustředěno na frekvenci 2,44 GHz (2,402 až 2,480 GHz). V ideálních podmínkách s výstupním výkonem 0 dBm je dosah mezi vysílačem a přijímačem až 600 m a maximální propustnost protokolu Bluetooth LE je 2 Mbit/s. Modul je vybaven vestavěnou anténou se čtvrtvlnnou délkou (3,13 cm), ale je také možné zvýšit dosah připojením externí antény k výše uvedené svorce ANT na modulu (obrázek 4).

Obrázek 4: Rádiový modul Setebos-I 2,4 GHz obsahuje pin pro externí anténu (ANT), která rozšiřuje rádiový dosah. (Zdroj obrázku: společnost Würth Elektronik)

Rádiový modul Setebos-I poskytuje přístup k pinům systému SoC nRF52840 pomocí pájecích podložek. V tabulce 1 jsou uvedeny funkce jednotlivých pinů modulu. Piny „B2“ až „B6“ jsou programovatelná rozhraní GPIO, která jsou užitečné k připojení senzorů, jako jsou zařízení pro měření teploty, vlhkosti a kvality vzduchu.

Tabulka 1: Označení pinů rádiového modulu Setebos-I 2,4 GHz. LED výstupy mohou být použity k indikaci rádiového vysílání a příjmu. (Zdroj obrázku: společnost Würth Elektronik)

Certifikace bezdrátového produktu s krátkým dosahem

Zatímco se pásmo 2,4 GHz přiděluje bez licence, rádiová zařízení provozovaná v tomto pásmu musí stále splňovat místní předpisy, jako jsou předpisy stanovené Federální komisí pro komunikaci USA („Federal Communications Commission“, FCC), Evropským prohlášením o shodě (CE) nebo organizací Telecom Engineering Center (TELEC) v Japonsku. Schválení předpisů vyžaduje předložení produktu k testování a certifikaci, což může být časově náročné a drahé. Pokud RF produkt v kterékoli části testu neuspěje, musí být provedeno zcela nové podání. Pokud bude modul používán v režimu Bluetooth, musí být také zařazen do seznamu Bluetooth organizace Bluetooth Special Interest Group (SIG).

Certifikace modulu neznamená automaticky certifikaci koncového produktu, který modul využívá. Obvykle se však certifikace pro koncové produkty proměňuje spíše v papírování než v rozsáhlé opakované testování – za předpokladu, že nepoužívají další bezdrátová zařízení, jako je síť Wi-Fi. Totéž obecně platí pro získání zápisu na seznam Bluetooth. Po certifikaci jsou produkty využívající modul opatřeny štítkem s označením FCC, CE a dalšími relevantními identifikačními čísly (obrázek 5).

Obrázek 5: Příklad identifikačního štítku připojeného k modulu Setebos-I, který ukazuje, že prošel certifikací CE a FCC RF. Certifikaci může koncový výrobek obecně zdědit bez opětovného testování prostřednictvím několika jednoduchých dokumentů. (Zdroj obrázku: společnost Würth Elektronik)

Výrobci modulů se pro své moduly obvykle snaží získat certifikaci RF (a případně zápis na seznam Bluetooth) pro regiony, ve kterých zamýšlejí produkty prodávat. Společnost Würth Elektronik to učinila pro rádiový modul Setebos-I, který je však nutné používat s továrním firmwarem. V případě provozu Bluetooth je modul předem certifikován za předpokladu, že je používán s tovární sadou S140 Bluetooth LE společnosti Nordic nebo se sadou dodávanou prostřednictvím firemní sady pro vývoj softwaru nRF Connect SDK.

Firmware společností Würth a Nordic je robustní a osvědčený pro jakoukoli aplikaci. Pokud se však konstruktér rozhodne modul přeprogramovat buď otevřeným standardem Bluetooth LE, nebo proprietárním sadou 2,4 GHz, či sadou od alternativního komerčního dodavatele, bude muset pro oblasti zamýšleného provozu začít certifikační programy od začátku.

Vývojové nástroje pro rádiový modul Setebos-I

Pro pokročilé vývojáře nabízí sada nRF Connect SDK společnosti Nordic komplexní návrhový nástroj pro vytváření aplikačního softwaru pro systém SoC nRF52840. Doporučeným integrovaným vývojovým prostředím („integrated development environment“, IDE), ve kterém lze spouštět sadu nRF Connect SDK, je rozšíření nRF Connect for VS Code. Sadu nRF Connect SDK je také možné použít k nahrání alternativního protokolu Bluetooth LE nebo 2,4GHz proprietárního protokolu do systému nRF52840. (Viz výše uvedené poznámky o dopadu, který to má na certifikaci modulu.)

Sada nRF Connect SDK pracuje s vývojovou sadou nRF52840 DK (obrázek 6). Hardware obsahuje systém SoC nRF52840 a podporuje vývoj a testování prototypového kódu. Jakmile je aplikační software připraven, může sada nRF52840 DK fungovat jako programátor J-LINK a přenést kód do flash paměti systému nRF52840 rádiového modulu Setebos-I prostřednictvím pinů modulu „SWDCLK“ a „SWDIO“.

Obrázek 6: Sadu nRF52840 DK společnosti Nordic lze použít k vývoji a testování aplikačního softwaru. Vývojovou sadu pak lze použít k programování dalších SoC nRF52840, jako je ten, který je použit v modulu Setebos-I. (Zdroj obrázku: společnost Nordic Semiconductor)

Aplikační software vytvořený pomocí vývojových nástrojů společnosti Nordic je navržen tak, aby běžel na integrovaném MCU Arm Cortex-M4 systému nRF52840. Může se však stát, že koncový produkt je již vybaven jiným MCU a vývojář ho chce použít ke spouštění kódu aplikace a k dohledu nad bezdrátovou konektivitou. Nebo může být vývojář lépe obeznámen s vývojovými nástroji pro jiné oblíbené hostitelské mikroprocesory, jako je např. procesor STM32F429ZIY6TR společnosti STMicroelectronics. Tento procesor je také založen na jádru Arm Cortex-M4.

Aby mohl externí hostitelský mikroprocesor spouštět aplikační software a dohlížet na systém SoC nRF52840, nabízí společnost Würth Elektronik svou sadu Wireless Connectivity SDK. SDK je sada softwarových nástrojů, které umožňují rychlou softwarovou integraci bezdrátových modulů společnosti s mnoha populárními procesory, včetně čipu STM32F429ZIY6TR. Sada SDK se skládá z ovladačů a příkladů v jazyce C, které používají periferní zařízení UART, SPI nebo USB základní platformy ke komunikaci s připojeným rádiovým zařízením (obrázek 7). Vývojář jednoduše přenese kód C sady SDK do hostitelského procesoru. To výrazně zkracuje čas potřebný k návrhu softwarového rozhraní pro rádiový modul.

Obrázek 7: Ovladač sady Wireless Connectivity SDK usnadňuje vývojářům ovládání rádiového modulu Setebos-I přes port UART pomocí externího hostitelského mikroprocesoru. (Zdroj obrázku: společnost Würth Elektronik)

Rádiový modul Setebos-I používá pro konfigurační a provozní úlohy „příkazové rozhraní“. Toto rozhraní poskytuje až 30 příkazů, které plní úkoly, jako je aktualizace různých nastavení zařízení, přenos a příjem dat a uvedení modulu do jednoho z řady režimů s nízkou spotřebou. K tomu, aby bylo možné sadu Wireless Connectivity SDK používat, musí připojené rádiové zařízení běžet v příkazovém režimu.

Závěr

Rozhodnout se pro jeden bezdrátový protokol pro připojený produkt může být složité a ještě náročnější je navrhnout rádiový obvod od samotného začátku. Rádiový modul, jako je zařízení Setebos-I od společnosti Würth Elektronik, nabízí nejen flexibilitu při volbě protokolu, ale nabízí také řešení pro připojení typu drop-in, které splňuje regulační požadavky různých provozních oblastí. Modul Sebetos-1 se dodává se sadou Wireless Connectivity SDK společnosti Würth, která umožňuje vývojářům snadno a rychle ovládat modul pomocí vlastního výběru hostitelského MCU.