Verwendung von Multiprotokoll-Funkmodulen zur Vereinfachung der Entwicklung und Zertifizierung von IoT-Produkten

Drahtlose Vernetzung ermöglicht es Entwicklern, unscheinbare Produkte in intelligente, integrierte Elemente des Internets der Dinge (IoT) zu verwandeln, die Daten für eine auf künstlicher Intelligenz (KI) basierende Analyse an die Cloud senden können, während die Geräte OTA-Anweisungen (OTA: Over-the-Air), Firmware-Updates und sicherheitsrelevante Updates empfangen können.

Das Hinzufügen einer drahtlosen Verbindung zu einem Produkt ist jedoch nicht trivial. Bevor die Entwurfsphase überhaupt beginnen kann, müssen sich Entwickler für ein drahtloses Protokoll entscheiden, was entmutigend sein kann. So arbeiten beispielsweise mehrere drahtlose Standards im beliebten, lizenzfreien 2,4-Gigahertz-Spektrum (GHz). Jeder dieser Standards stellt einen Kompromiss in Bezug auf Reichweite, Durchsatz und Stromverbrauch dar. Die Auswahl des besten Protokolls für eine bestimmte Anwendung erfordert eine sorgfältige Bewertung der Anforderungen und der Eigenschaften des Protokolls.

Selbst bei hochintegrierten modernen Transceivern ist die Entwicklung der Hochfrequenzschaltung für viele Entwicklungsteams eine Herausforderung, die zu Kosten- und Terminüberschreitungen führen kann. Außerdem muss ein HF-Produkt für den Betrieb zertifiziert werden, was an sich schon ein komplizierter und zeitaufwändiger Prozess ist.

Eine Lösung besteht darin, den Entwurf auf ein zertifiziertes Modul zu stützen, das ein Multiprotokoll-SoC (System-on-Chip) verwendet. Dadurch entfällt die Komplexität des HF-Designs mit diskreten Komponenten, und die Wahl des drahtlosen Protokolls kann flexibel getroffen werden. Dieser modulare Ansatz bietet Entwicklern eine sofort einsetzbare drahtlose Lösung, die es viel einfacher macht, drahtlose Vernetzung in Produkte zu integrieren und die Zertifizierung zu bestehen.

Dieser Artikel befasst sich mit den Vorteilen der drahtlosen Vernetzung, betrachtet die Stärken einiger wichtiger 2,4-GHz-Funkprotokolle, analysiert kurz die Probleme beim Hardware-Design und stellt ein geeignetes HF-Modul von Würth Elektronik vor. Der Artikel geht auch auf den Zertifizierungsprozess ein, der erforderlich ist, um die weltweiten Vorschriften zu erfüllen, erörtert die Entwicklung von Anwendungssoftware und stellt ein SDK (Software Development Kit) vor, das Entwicklern den Einstieg in das Modul erleichtert.

Die Vorteile von Multiprotokoll-Transceivern

Es gibt keinen einzigen Sektor der drahtlosen Kurzstreckenübertragung, der dominiert, da jeder Sektor Kompromisse eingeht, um die Ziele seiner Anwendung zu erfüllen. So geht beispielsweise eine größere Reichweite und/oder ein höherer Durchsatz mit einem höheren Stromverbrauch einher. Weitere wichtige Faktoren, die zu berücksichtigen sind, sind die Störfestigkeit, die Maschennetzfähigkeit und die Interoperabilität mit dem Internetprotokoll (IP).

Unter den verschiedenen etablierten drahtlosen Kurzstrecken-Technologien gibt es drei klare Marktführer: Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE), Zigbee und Thread. Sie weisen einige Ähnlichkeiten auf, die auf die gemeinsame DNA aus der Spezifikation IEEE 802.15.4 zurückzuführen sind. Diese Spezifikation beschreibt die physikalische (PHY) und die Medienzugriffskontrollschicht (MAC) für drahtlose persönliche Netzwerke (WPANs) mit niedriger Datenrate. Die Technologien arbeiten im Allgemeinen bei 2,4 GHz, obwohl es auch einige Sub-GHz-Varianten von Zigbee gibt.

Bluetooth LE eignet sich für IoT-Anwendungen wie z. B. Smart-Home-Sensoren, bei denen die Datenübertragungsraten gering sind und Datenübertragungen nur selten auftreten (Abbildung 1). Die Interoperabilität von Bluetooth LE mit den Bluetooth-Chips der meisten Smartphones ist auch ein großer Vorteil für verbraucherorientierte Anwendungen wie Wearables. Die größten Nachteile dieser Technologie sind die Notwendigkeit eines teuren und stromintensiven Gateways für die Verbindung mit der Cloud und die schwerfälligen Maschennetzfunktionen.

Abbildung 1: Bluetooth LE eignet sich gut für Smart-Home-Sensoren wie Kameras und Thermostate. Seine Interoperabilität mit Smartphones vereinfacht die Konfiguration kompatibler Produkte. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Zigbee ist ebenfalls eine gute Wahl für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch und niedrigem Durchsatz in der industriellen Automatisierung, im Handel und im Haushalt. Der Durchsatz ist geringer als bei Bluetooth LE, während die Reichweite und der Stromverbrauch ähnlich sind. Zigbee ist allerdings weder mit Smartphones kompatibel, noch bietet es native IP-Fähigkeit. Ein wesentlicher Vorteil von Zigbee besteht darin, dass es von Grund auf für Maschennetzwerke entwickelt wurde.

Thread arbeitet wie Zigbee mit dem IEEE 802.15.4 PHY und MAC und wurde entwickelt, um große Maschennetzwerke mit bis zu 250 Geräten zu unterstützen. Thread unterscheidet sich von Zigbee durch die Verwendung von 6LoWPAN (einer Kombination aus IPv6 und stromsparenden WPANs), was die Verbindung mit anderen Geräten und der Cloud vereinfacht, wenn auch über ein Netzwerkrandgerät, einen sogenannten Border-Router. (Siehe, „Ein kurzer Leitfaden zu den wichtigsten Aspekten von Kurzstreckenfunktechnologien“.)

Während standardbasierte Protokolle dominieren, gibt es immer noch eine Nische für proprietäre 2,4-GHz-Protokolle. Sie schränken zwar die Vernetzung mit anderen Geräten ein, die mit dem Chip desselben Herstellers ausgestattet sind, aber solche Protokolle können fein abgestimmt werden, um den Stromverbrauch, die Reichweite, die Störfestigkeit oder andere wichtige Betriebsparameter zu optimieren. Ein IEEE 802.15.4 PHY und MAC ist durchaus in der Lage, die proprietäre 2,4-GHz-Funktechnologie zu unterstützen.

Die Beliebtheit dieser drei Kurzstreckenprotokolle und die Flexibilität der proprietären 2,4-GHz-Technologie machen es schwierig, das richtige Protokoll für eine Vielzahl von Anwendungen zu wählen. Früher musste sich ein Entwickler für eine Funktechnologie entscheiden und dann das Produkt umkonstruieren, wenn eine Variante mit einem anderen Protokoll gefragt war. Da die Protokolle jedoch PHYs verwenden, die auf einer ähnlichen Architektur basieren und im 2,4-GHz-Spektrum arbeiten, bieten viele Chiphersteller Multiprotokoll-Transceiver an.

Diese Chips ermöglichen es, ein einziges Hardware-Design für mehrere Protokolle zu rekonfigurieren, indem einfach eine neue Software aufgespielt wird. Oder das Produkt könnte mit mehreren Software-Stacks ausgeliefert werden, wobei der Wechsel zwischen den einzelnen Stacks von einer Mikrocontroller-Einheit (MCU) überwacht wird. So könnte z. B. Bluetooth LE verwendet werden, um ein Smart-Home-Thermostat über ein Smartphone zu konfigurieren, bevor das Gerät das Protokoll wechselt, um einem Thread-Netzwerk beizutreten.

Der SoC nRF52840 von Nordic Semiconductor unterstützt Bluetooth LE, Bluetooth Mesh, Thread, Zigbee, IEEE 802.15.4, ANT+ und proprietäre 2,4-GHz-Stacks. Der Nordic-SoC enthält außerdem eine Arm®-Cortex®-M4-MCU, die für das HF-Protokoll und die Anwendungssoftware zuständig ist, sowie 1 Megabyte (MB) Flash-Speicher und 256 Kilobyte (KB) RAM. Im Bluetooth-LE-Modus bietet der SoC einen maximalen Rohdatendurchsatz von 2 Megabit pro Sekunde (Mbit/s). Der Sendestromverbrauch aus der 3-Volt-Gleichstromversorgung beträgt 5,3 Milliampere (mA) bei 0 Dezibel, bezogen auf 1 Milliwatt (dBm) Ausgangsleistung, und der Empfangsstromverbrauch (RX) beträgt 6,4 mA bei einer Rohdatenrate von 1 Mbit/s. Die maximale Sendeleistung des nRF52840 liegt bei +8 dBm und seine Empfindlichkeit bei -96 dBm (Bluetooth LE bei 1 Mbit/s).

Die Bedeutung eines guten HF-Designs

Obwohl Wireless-SoCs wie der nRF52840 von Nordic sehr leistungsfähige Komponenten sind, erfordert es dennoch beträchtliche Designfähigkeiten, um die HF-Leistung zu maximieren. Der Ingenieur muss insbesondere Faktoren wie die Filterung der Stromversorgung, externe Quarz-Taktschaltungen, Antennendesign und -platzierung und vor allem die Impedanzanpassung berücksichtigen.

Der Schlüsselparameter, der einen guten HF-Schaltkreis von einem schlechten unterscheidet, ist seine Impedanz (Z). Bei hohen Frequenzen, wie z. B. 2,4 GHz, die von einem Kurzstreckenradio verwendet werden, hängt die Impedanz an einem bestimmten Punkt auf einer HF-Leiterbahn von der charakteristischen Impedanz dieser Leiterbahn ab, die wiederum vom Leiterplattensubstrat, den Abmessungen der Leiterbahn, ihrem Abstand zur Last und der Impedanz der Last abhängt.

Wenn die Lastimpedanz - bei einem Sendesystem die Antenne und bei einem Empfangssystem der Transceiver-SoC - gleich der charakteristischen Impedanz ist, bleibt die gemessene Impedanz in jeder Entfernung entlang der Leiterbahn von der Last gleich. Dadurch werden Leitungsverluste minimiert und die maximale Leistung vom Sender zur Antenne übertragen, was die Robustheit und Reichweite erhöht. Daher ist es eine gute Entwurfspraxis, ein Anpassungsnetzwerk zu bauen, das sicherstellt, dass die Impedanz einer HF-Komponente gleich der charakteristischen Impedanz der Leiterbahn auf der Leiterplatte ist. (Siehe „Mit Bluetooth 4.1, 4.2 und 5 kompatible SoCs und Tools für Bluetooth Low Energy stellen sich den Herausforderungen des Internets der Dinge (Teil 2)“.)

Das Anpassungsnetzwerk besteht aus einer oder mehreren Shuntinduktivitäten und Serienkondensatoren. Die Herausforderung für den Entwickler besteht darin, die beste Netzwerktopologie und die besten Komponentenwerte zu wählen. Die Hersteller bieten häufig Simulationssoftware an, die bei der Entwicklung von Anpassungsschaltungen helfen soll. Aber selbst wenn man sich an die Regeln für eine gute Entwicklung hält, kann die resultierende Schaltung oft eine enttäuschende HF-Leistung aufweisen, der es an Reichweite und Zuverlässigkeit mangelt. Dies führt zu weiteren Entwurfsiterationen, um das Anpassungsnetz zu überarbeiten (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der nRF52840 von Nordic benötigt externe Schaltungen, um seine Funktionalität zu nutzen. Zu den externen Schaltungen gehören die Filterung der Eingangsspannung, die Unterstützung eines externen Quarz-Timings und eine mit dem Antennen-Pin (ANT) des SoC verbundene Impedanzanpassungsschaltung zwischen dem SoC und einer Antenne. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Die Vorteile eines Moduls

Die Entwicklung eines Schaltkreises für die drahtlose Vernetzung mit kurzer Reichweite unter Verwendung diskreter Komponenten bietet einige Vorteile, insbesondere niedrigere Materialkosten und Platzersparnis. Doch selbst wenn der Entwickler eines der vielen ausgezeichneten Referenzdesigns von SoC-Lieferanten befolgt, können andere Faktoren - wie die Qualität und Toleranzen der Komponenten, das Layout der Leiterplatte und die Eigenschaften des Substrats sowie das Gehäuse des Endgeräts - die HF-Leistung erheblich beeinflussen.

Ein alternativer Ansatz besteht darin, die drahtlose Vernetzung auf ein Modul eines Drittanbieters zu stützen. Bei den Modulen handelt es sich um vollständig montierte, optimierte und getestete Lösungen, die eine sofortige drahtlose Vernetzung ermöglichen. In den meisten Fällen ist das Modul bereits für den Einsatz auf dem Weltmarkt zertifiziert, was dem Entwickler die Zeit und die Kosten für die Zertifizierung nach HF-Vorschriften erspart.

Die Verwendung von Modulen hat auch einige Nachteile. Dazu gehören höhere Kosten (je nach Volumen), ein größeres Endprodukt, die Abhängigkeit von einem einzigen Anbieter und dessen Fähigkeit, in großen Mengen zu liefern, und (manchmal) eine geringere Anzahl zugänglicher Pins im Vergleich zum SoC, auf dem das Modul basiert. Wenn jedoch die Einfachheit des Designs und die kürzere Markteinführungszeit diese Nachteile aufwiegen, dann ist ein Modul die Lösung.

Ein Beispiel, das den nRF52840 von Nordic als Herzstück nutzt, ist das 2,4GHz-Funkmodul Setebos-I 2611011024020 von Würth Elektronik. Das kompakte Modul misst 12 × 8 × 2 Millimeter (mm), hat eine eingebaute Antenne, eine Abdeckung zur Minimierung elektromagnetischer Interferenzen (EMI) und wird mit einer Firmware geliefert, die sowohl Bluetooth 5.1 als auch proprietäre 2,4-GHz-Protokolle unterstützt (Abbildung 3). Wie oben beschrieben, ist der SoC im Herzen des Moduls auch in der Lage, Thread und Zigbee zu unterstützen - mit dem Zusatz einer entsprechenden Firmware.

Abbildung 3: Das 2,4-GHz-Funkmodul Setebos-I hat einen kompakten Formfaktor, eine eingebaute Antenne und eine Abdeckung zur Begrenzung der EMI. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Das Modul akzeptiert einen 1,8- bis 3,6-Volt-Eingang und verbraucht im Ruhemodus nur 0,4 Mikroampere (µA). Seine Betriebsfrequenz deckt das ISM-Band (Industrial, Scientific, and Medical) ab, das auf 2,44 GHz (2,402 bis 2,480 GHz) zentriert ist. Unter idealen Bedingungen, mit 0 dBm Ausgangsleistung, beträgt die Reichweite zwischen Sender und Empfänger bis zu 600 Meter (m) und der maximale Durchsatz für Bluetooth LE beträgt 2 Mbit/s. Das Modul verfügt über eine eingebaute Antenne mit einer Viertelwellenlänge (3,13 cm), aber es ist auch möglich, die Reichweite zu erhöhen, indem man eine externe Antenne an den bereits erwähnten ANT-Anschluss des Moduls anschließt (Abbildung 4).

Abbildung 4: Das 2,4-GHz-Funkmodul Setebos-I verfügt über einen Anschluss für eine externe Antenne (ANT), um die Reichweite der Funkkomponente zu erhöhen. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Das Funkmodul Setebos-I bietet über Lötpads Zugang zu den Pins des SoCs nRF52840. In Tabelle 1 sind die Funktionen der einzelnen Modulpins aufgeführt. Die Pins „B2“ bis „B6“ sind programmierbare GPIOs, die für den Anschluss von Sensoren wie Temperatur-, Feuchtigkeits- und Luftqualitätssensoren nützlich sind.

Tabelle 1: Abgebildet sind die Pinbelegungen des 2,4 GHz Funkmoduls Setebos-I. Die LED-Ausgänge können zur Anzeige von Funkübertragung und -empfang verwendet werden. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Zertifizierung drahtlos vernetzter Produkte mit geringer Reichweite

Auch wenn das 2,4-GHz-Band lizenzfrei ist, müssen Funkkomponenten, die in diesem Band betrieben werden, dennoch die lokalen Vorschriften erfüllen, wie z. B. die der U.S. Federal Communications Commission (FCC), die European Declaration of Conformity (CE) oder die des Telecom Engineering Center (TELEC) in Japan. Um die Vorschriften zu erfüllen, muss ein Produkt zur Prüfung und Zertifizierung eingereicht werden, was zeitaufwändig und teuer sein kann. Fällt das HF-Produkt in irgendeinem Teil der Prüfung durch, muss ein völlig neuer Antrag gestellt werden. Wenn das Modul im Bluetooth-Modus verwendet werden soll, benötigt es außerdem eine Bluetooth-Listung der Bluetooth Special Interest Group (SIG).

Die Zertifizierung des Moduls führt nicht automatisch zu einer Zertifizierung des Endprodukts, das das Modul verwendet. Allerdings wird die Zertifizierung von Endprodukten dadurch in der Regel zu einer reinen Formalität und nicht zu einer umfangreichen Nachprüfung - vorausgesetzt, sie verwenden keine zusätzlichen drahtlosen Funkkomponente wie z. B. für Wi-Fi. Dasselbe gilt im Allgemeinen auch für die Bluetooth-Listung. Nach der Zertifizierung tragen die Produkte, die das Modul verwenden, ein Etikett mit der FCC-, CE- und anderen relevanten ID-Nummern (Abbildung 5).

Abbildung 5: Beispiel für ein ID-Etikett, das auf dem Modul Setebos-I angebracht ist, um zu zeigen, dass es die CE- und FCC-HF-Zertifizierung bestanden hat. Die Zertifizierung kann im Allgemeinen ohne erneute Prüfung durch einige einfache Formalitäten auf das Endprodukt übertragen werden. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Die Modulhersteller bemühen sich in der Regel um eine HF-Zertifizierung (und gegebenenfalls eine Bluetooth-Listung) für ihre Module in den Regionen, in denen sie die Produkte verkaufen wollen. Würth Elektronik hat dies für das Funkmodul Setebos-I realisiert, das allerdings mit der Werks-Firmware verwendet werden muss. Für den Bluetooth-Betrieb ist das Modul vorzertifiziert, sofern es mit dem Bluetooth-LE-Werksstack S140 von Nordic oder einem Stack verwendet wird, der über das Software Development Kit nRF Connect SDK des Unternehmens bereitgestellt wird.

Die Würth- und Nordic-Firmware ist robust und bewährt für jede Anwendung. Entscheidet sich der Entwickler jedoch dafür, das Modul mit einem proprietären Bluetooth-LE- oder 2,4-GHz-Stack nach offenem Standard oder einem Stack eines alternativen kommerziellen Anbieters neu zu programmieren, muss er die Zertifizierungsprogramme für die vorgesehenen Einsatzgebiete von Grund auf neu beginnen.

Entwicklungswerkzeuge für das Funkmodul Setebos-I

Für fortgeschrittene Entwickler bietet Nordic mit dem nRF Connect SDK ein umfassendes Entwicklungstool zur Erstellung von Anwendungssoftware für den SoC nRF52840. Die Erweiterung „nRF Connect for VS Code“ ist die empfohlene integrierte Entwicklungsumgebung (IDE), in der das nRF Connect SDK ausgeführt werden kann. Es ist auch möglich, das nRF Connect SDK zu verwenden, um ein alternatives Bluetooth-LE- oder ein proprietäres 2,4-GHz-Protokoll auf den nRF52840 zu laden. (Siehe die obigen Ausführungen zu den Auswirkungen auf die Modulzertifizierung)

Das nRF Connect SDK kann mit dem Entwicklungskit nRF52840 DK verwendet werden (Abbildung 6). Die Hardware ist mit dem SoC nRF52840 ausgestattet und unterstützt die Entwicklung und das Testen von Prototyp-Code. Sobald die Anwendungssoftware fertig ist, kann das Board nRF52840 DK als J-LINK-Programmierer fungieren, um den Code über die „SWDCLK“- und „SWDIO“-Pins des Moduls in den Flash-Speicher des Funkmoduls Setebos-I nRF52840 zu übertragen.

Abbildung 6: Das Board nRF52840 DK von Nordic kann zum Entwickeln und Testen von Anwendungssoftware verwendet werden. Das Entwicklungskit kann dann zur Programmierung anderer nRF52840-SoCs verwendet werden, wie z. B. dem auf dem Setebos-I-Modul verwendeten. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Anwendungssoftware, die mit den Nordic-Entwicklungstools erstellt wurde, ist für die eingebettete Arm-Cortex-M4-MCU des nRF52840 ausgelegt. Es kann aber auch sein, dass das Endprodukt bereits mit einer anderen MCU ausgestattet ist und der Entwickler diese zur Ausführung von Anwendungscode und zur Überwachung der drahtlosen Vernetzung nutzen möchte. Oder aber der Entwickler ist mit Entwicklungswerkzeugen für andere gängige Host-Mikroprozessoren, wie dem STM32F429ZIY6TR von STMicroelectronics, besser vertraut. Auch dieser Prozessor basiert auf einem Arm-Cortex-M4-Kern.

Um einen externen Host-Mikroprozessor in die Lage zu versetzen, Anwendungssoftware auszuführen und den SoC nRF52840 zu überwachen, bietet Würth Elektronik sein Wireless Connectivity SDK an. Das SDK ist eine Reihe von Software-Tools, die eine schnelle Software-Integration der drahtlosen Module des Unternehmens mit vielen gängigen Prozessoren, einschließlich des Chips STM32F429ZIY6TR, ermöglichen. Das SDK besteht aus Treibern und Beispielen in C, die die UART-, SPI- oder USB-Peripherie der zugrunde liegenden Plattform zur Kommunikation mit der angeschlossenen Funkkomponente verwenden (Abbildung 7). Der Entwickler portiert einfach den C-Code des SDK auf den Host-Prozessor. Dadurch wird der Zeitaufwand für die Entwicklung einer Software-Schnittstelle für das Funkmodul erheblich reduziert.

Abbildung 7: Der Wireless-Connectivity-SDK-Treiber erleichtert Entwicklern die Ansteuerung des Funkmoduls Setebos-I über einen UART-Port unter Verwendung eines externen Host-Mikroprozessors. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Das Funkmodul Setebos-I verwendet eine „Kommandoschnittstelle“ für Konfigurations- und Betriebsaufgaben. Diese Schnittstelle bietet bis zu 30 Befehle, die Aufgaben wie das Aktualisieren verschiedener Geräteeinstellungen, das Senden und Empfangen von Daten und das Versetzen des Moduls in einen der verschiedenen Energiesparmodi erfüllen. Die angeschlossene Funkkomponente muss im Befehlsmodus laufen, um das Wireless Connectivity SDK zu verwenden.

Fazit

Es kann schwierig sein, sich für ein einziges drahtloses Protokoll für ein vernetztes Produkt zu entscheiden, und noch schwieriger ist es, die Funkschaltung von Grund auf neu zu entwerfen. Ein Funkmodul wie das Setebos-I von Würth Elektronik bietet nicht nur Flexibilität bei der Wahl des Protokolls, sondern auch eine sofort einsetzbare Vernetzungslösung, die die regulatorischen Anforderungen verschiedener Betriebsregionen erfüllt. Das Modul Sebetos-1 wird mit dem Wireless Connectivity SDK von Würth geliefert, das es Entwicklern ermöglicht, das Modul einfach und schnell mit einer Host-MCU ihrer Wahl zu steuern.