DigiKey
Avtor: Rolf Horn
Z vzponom interneta stvari (IoT) je brezžična povezljivost postala temeljna zahteva za industrijske aplikacije, ki obsegajo vse od spremljanja opreme in sledenja sredstvom do avtomatizacije gradnje. Oblikovalci, ki želijo implementirati to povezljivost, se soočajo s številnimi izzivi, vključno z integracijo naborov brezžičnih čipov, anten, komponent programske opreme, globalne certifikacije, varnosti in zanesljivosti v težkih pogojih.
Te izzive je mogoče premagati z izbiro robustnih, predhodno certificiranih Wi-Fi 6 modulov z nizko porabo energije Bluetooth Low Energy (BLE) 5.4, ki zagotavljajo potrebne funkcije in hkrati poenostavljajo integracijo.
Ta članek obravnava izzive brezžične povezljivosti za oblikovalce industrijskih sistemov in predstavlja primere predhodno certificiranih modulov povezave Wi-Fi 6 s tehnologijo BLE 5.4. podjetjaEzurio. Obravnava tudi predhodno certificirane antene in pripadajoči komplet za razvoj.
Ključni izzivi v industrijskih brezžičnih komunikacijah
Industrijska okolja vsebujejo vedno večje število končnih točk, ki morajo deliti podatke z visoko hitrostjo, brezžična omrežja pa so pogosto edino praktično sredstvo za sporočanje teh podatkov.
To lahko povzroči prezasedenost omrežja pri starejših brezžičnih tehnologijah, pri čemer težave z zakasnitvijo in izgubo paketov vplivajo na učinkovitost delovanja. Zaradi zastarele komunikacijske tehnologije so omrežja lahko ranljiva tudi za kibernetske napade.
Sodobne tehnologije, kot sta povezava Wi-Fi 6 in tehnologija BLE 5.4, lahko rešijo te težave, vendar njihov razvoj in integracija zahtevata močno strokovno znanje na področju radijske frekvence (RF), zlasti pri prostorsko omejenih napravah in aplikacijah za naknadno vgradnjo. Poleg tega številne brezžične rešitve zahtevajo korake ročnega sestavljanja, kar upočasni proizvodnjo in poveča stroške.
Upoštevati je treba tudi zanesljivost. Značilnosti številnih industrijskih okolij so znatne elektromagnetne motnje (EMI), ekstremne temperature ter vibracije in udarci. Nazadnje, številne aplikacije zahtevajo nizko porabo energije za podaljšanje življenjske dobe baterije, hkrati pa zagotavljajo skladnost z globalnimi standardi.
Robustna rešitev: moduli povezave Wi-Fi 6 s tehnologijo Bluetooth LE 5.4
Moduli Sona TI351podjetja Ezurio se soočajo z izzivi brezžične povezljivosti za industrijsko rabo z združevanjem povezave Wi-Fi in tehnologije BLE v robustnih, predhodno certificiranih ohišjih (slika 1). Ti moduli, zgrajeni okoli povezave SimpleLink CC3351 Wi-Fi in tehnologije BLE companion IC družbe Texas Instruments, so na voljo v površinski tehnologiji (SMT) in različicah, ki jih je mogoče priključiti, z izbiro med vgrajeno anteno na čipu ali priključkom za anteno.
Vsi moduli podpirajo povezavo Wi-Fi 6 (802.11ax) prek vmesnika SDIO 2.0 s prenosom podatkov z visoko hitrostjo in vgrajenim zaznavanjem in odpravljanjem napak. Povezava Wi-Fi 6 ponuja več funkcij, ki podpirajo zanesljivo delovanje v preobremenjenih industrijskih omrežjih:
Večstranski dostop z ortogonalno frekvenčno razdelitvijo (OFDMA) omogoča hkraten prenos iz več naprav IoT na istem kanalu, kar povečuje učinkovitost pri gostih postavitvah.
Ciljni čas prebujanja (TWT) optimizira življenjsko dobo baterije tako, da omogoča natančno načrtovanje časov prebujanja naprave.
Dvopasovna podpora ponuja prilagodljivost za različne primere uporabe: 2,4 gigaherca (GHz) zagotavlja boljši prodor čez ovire, medtem ko 5 GHz zagotavlja večjo pasovno širino.
18 decibelov glede na 1 milivat (dBm) oddajne moči zagotavlja zanesljivo pokritost velikih industrijskih prostorov.
Podpora za module s tehnologijo BLE 5.4 poteka prek namenskega vmesnika z visoko hitrostjo UART (HS-UART). Tehnologija BLE 5.4 je protokol, ki je zelo primeren za industrijska okolja.
Protokol podpira:
Periodično oglašanje z odzivom (PAwR) za zmanjšanje porabe energije z uporabo vnaprej določenih oken prenosa
Periodično oglašanje sinhronizacije prenosa (PAST) za poenostavitev upravljanja omrežja z omogočanjem primarnih naprav za skupno rabo podatkov o sinhronizaciji
LE 2 megabita na sekundo (Mbit/s) fizična plast (PHY) za podporo hitrega prenosa podatkov s hitrim vračanjem v način mirovanja, kar dodatno izboljša energijsko učinkovitost
Način LE Long Range za zanesljivo komunikacijo na večjih razdaljah
Moduli podpirajo soobstoj povezave Wi-Fi in tehnologije Bluetooth za aplikacije, ki zahtevajo oba protokola.
Zelo zanesljiva zasnova
Moduli Sona TI351 vključujejo integriran močnostni ojačevalnik (PA), ki poveča moč izhodnega signala, da zagotovi zanesljivo delovanje v zahtevnih okoljih. Na vhodni strani nizkošumni ojačevalnik (LNA) izboljšuje sprejem signala tako, da ojača šibke signale in hkrati zmanjša motnje okoljskega šuma. Ta kombinacija zagotavlja stabilno brezžično povezljivost tudi v okoljih s znatnimi EMI motnjami in fizičnimi ovirami.
Moduli so zasnovani tako, da omogočajo tudi fizično zanesljivost. Različice površinske SMT tehnologije imajo robustne povezave, ki prenašajo vibracije in mehanske obremenitve, medtem ko možnost vgrajene antene odstrani morebitno točko okvare. Delovni temperaturni razpon za module je od –40 do 85 °C.
Celovita podpora programske opreme za operacijska sistema Linux in Android
Moduli Sona TI351 vključujejo celovito podporo programske opreme za operacijska sistema Linux in Android. Za operacijski sistem Linux je bil gradnik povezljivosti preizkušen v več različicah jedra, s skladiščenimi gonilniki za zgodnje izdaje, kot je v2.6.37, da se zagotovi združljivost s starejšimi jedri. Gradnik podpira znana okolja gradnje, vključno z Buildroot, Yocto in Ubuntu.
Podjetje Ezurio namesto gonilnikov, specifičnih za strojno opremo, zagotavlja popoln, predhodno preizkušen gradnik za povezljivost (slika 2). Ta pristop pomaga preprečiti nezdružljivost med komponentami in pospeši integracijo sistema. Gradnik se nenehno vzdržuje z najnovejšimi viri gonilnikov in komponentami jedra, da se zagotovi optimalno delovanje.
Pomisleki glede varnosti in certifikacije
Moduli izkoriščajo napredne varnostne funkcije povezave Wi-Fi 6 in tehnologije BLE 5.4. Pri Wi-Fi povezavi zagotavljajo robustno podporo za varnostne protokole WPA2/3 za razred podjetij, vključno z naprednimi mehanizmi šifriranja in preverjanja pristnosti.
Pri BLE tehnologiji funkcija šifriranih oglaševalskih podatkov (Encrypted Advertising Data) omogoča varno oddajanje občutljivih informacij brez dodatnih stroškov vzpostavljanja neprekinjenih povezav, kar je še posebej uporabno pri gradnji avtomatiziranih sistemov, ki prenašajo okoljske podatke ali poverilnice za dostop. Poleg tega značilnost ravni varnosti profila splošnih atributov (GATT) tehnologije BLE omogoča različne ravni varnosti za različne vrste podatkov, kar optimizira ravnotežje med varnostnimi stroški in delovanjem.
Skladnost s predpisi je lahko precej težavna, ne glede na to, kateri protokol izberejo oblikovalci, zlasti za naprave, ki se pošiljajo v tujino. Za reševanje teh vprašanj je družina modulov Sona TI351 certificirana po standardih, ki vključujejo FCC (ZDA), IC (Kanada), CE (Evropa), UKCA (Združeno kraljestvo), MIC (Japonska), RCM (Avstralija/Nova Zelandija) in KCC (Južna Koreja).
Možnosti SMT površinske tehnologije in M.2 priključka zagotavljajo prilagodljivost sestavljanja
Kot smo že omenili, je družina modulov Sona TI351 podjetja Ezurio na voljo v več konfiguracijah za izpolnjevanje posebnih aplikacijskih zahtev. Na primer, 453-00200R (slika 3) uporablja kompaktno standardno obliko M.2 1216 SMT velikosti 12 x 16 milimetrov (mm) z integrirano anteno na čipu. Ta zasnova omogoča avtomatizirano sestavljanje, hkrati pa zagotavlja robustno povezavo, ki lahko prenese industrijska okolja. Zaradi te kombinacije funkcij je modul posebej primeren za postavitve velikega obsega, kjer sta zanesljivost in učinkovitost proizvodnje kritični.
Za aplikacije, ki zahtevajo povezljivost z zunanjo anteno, ima 453-00199R (slika 4) enako standardno robustno obliko kot M.2 1216, vendar ponuja priključek MHF4L namesto antene na čipu. Ta konfiguracija omogoča uporabo zunanjih anten za optimalen sprejem signala v zahtevnih okoljih radijske frekvence (RF), kot so kovinska ohišja ali območja z visokimi motnjami EMI.
Za razliko od prejšnjih dveh primerov 453-00209 (slika 5) uporablja priključek M.2 2230 Key E za sistemske konfiguracije, ki jih je mogoče priključiti. Ta funkcija omogoča preprosto namestitev in zamenjavo na terenu, zaradi česar je še posebej uporabna za aplikacije za spremljanje opreme, kjer je zmanjšanje izpadov sistema med vzdrževanjem ključnega pomena.
Ta nabor možnosti omogoča oblikovalcem sistemov, da optimizirajo svoje implementacije za posebne primere uporabe, hkrati pa ohranjajo zanesljivost in enostavno integracijo.
Predhodno certificirane antene poenostavljajo zasnovo naprave za radijske frekvence (RF)
Za module, opremljene s priključkom MHF4L, podjetje Ezurio ponuja vrsto možnosti predhodno certificiranih anten. En primer je EFB2471A3S-10MH4L, 5-vatna prilagodljiva planarno invertirana-F antena (FlexPIFA) (slika 6) z lepljivo podlago za lažjo integracijo. Ta tripasovna (2,4/5/6 GHz, s podporo za 7,125 GHz) antena vzdržuje nizko povprečno napetostno razmerje stojnega vala (VSWR) 1,6 : 1 pri 5,925 do 7,125 GHz. Ima dobitek 3,9 decibelov glede na izotropnost (dBi) pri 5 GHz in je še posebej primerna za globalne aplikacije, kjer je bistvenega pomena delovanje v različnih frekvenčnih pasovih.
Za stacionarni industrijski IoT (IIoT) in aplikacije za spremljanje opreme ponuja 001-0021 (slika 7) dvopasovno rešitev 2,4/5 GHz. Ta ima razmerje VSWR < 2,5 : 1 pri 2,4 GHz in dobitek 3 dBi pri 5 GHz.
Ponudba predhodno certificiranih anten lahko smiselno poenostavi razvoj izdelkov. Podjetje Ezurio je že preizkusilo antene za uporabo z moduli, kar je zmanjšalo tveganje nepričakovanih težav pri delovanju radijske frekvence (RF). V širšem smislu kombinacija standardnih oblik modulov in izbir anten omogoča oblikovalcem sistemov, da optimizirajo svoje implementacije ter ohranijo enostavnost integracije.
Komplet za razvoj omogoča popoln dostop
Oblikovalci lahko za hiter začetek uporabe modulov uporabijo komplet za razvoj 453-00200-K1 (slika 8). Ta obsežen komplet uporablja modul antene na čipu 453-00200 in ima več vmesnikov programske in strojne opreme za gostitelja Linux za preizkušanje funkcionalnosti in delovanja modula.
Komplet vključuje kable za visoke in nizke hitrosti ter adapter/hčerinske plošče, ki se povezujejo z vmesniki UART ali napravami SDIO z visoko hitrostjo. Vgrajeni razdelilniki, konektorji in stikala olajšajo ločevanje napajalnih in signalnih omrežij za preizkušanje in merjenje porabe energije med razvojem strojne in programske opreme.
Zaključek
Moduli Sona TI351 obravnavajo ključne izzive brezžične povezljivosti v industrijskih okoljih tako, da so napredne brezžične zmogljivosti zajete v kompaktno, robustno zasnovo. Predhodna certifikacija obeh modulov in anten, več možnosti namestitve in standardnih oblik ter obsežen komplet za razvoj zmanjšajo čas za razvoj in tveganje.
