Accelerare la distribuzione di IoT avanzato con moduli MCU wireless multiprotocollo

I progetti di Internet delle cose (IoT) avanzato richiedono oggi opzioni di connettività wireless sicure in grado di assicurare efficienza della rete, prestazioni ottimali e interoperabilità in ambienti operativi eterogenei, che comprendono i protocolli Wi-Fi, Bluetooth Low Energy (BLE), Thread e Matter. Le piattaforme di soluzioni adatte devono integrarsi senza soluzione di continuità con i sensori e le periferiche e devono essere dotate di un ecosistema che consenta il rapido sviluppo dalla valutazione alla distribuzione di dispositivi certificati a livello globale.

Soddisfare questi requisiti attraverso soluzioni personalizzate progettate da zero rimane una sfida, soprattutto a causa della complessità della progettazione e della certificazione dei dispositivi a radiofrequenza (RF) e a segnale misto. I progettisti hanno bisogno di un approccio più integrato.

Questo articolo fornisce una breve panoramica delle sfide di connettività che i progettisti di dispositivi wireless per l'IoT devono affrontare. A seguire, presenta una piattaforma wireless di serie di u-blox che accelera la progettazione di dispositivi IoT avanzati riducendo i ritardi associati all'introduzione dell'hardware radio, all'integrazione dei protocolli, all'implementazione della sicurezza e alla conformità agli standard e alle normative.

Come le mutevoli esigenze di connettività spingono verso l'adozione di moduli integrati

Le applicazioni emergenti, come i sistemi di controllo industriale, l'automazione degli edifici commerciali e gli ecosistemi di dispositivi intelligenti, richiedono soluzioni di dispositivi IoT flessibili in grado di supportare requisiti specifici per hardware, software e comunicazioni senza compromettere la sicurezza o i livelli di potenza disponibile. Inoltre, in un numero crescente di applicazioni ci si aspetta che i dispositivi IoT supportino più opzioni di connettività. Ciascun dispositivo deve essere in grado di mantenere comunicazioni affidabili in ambienti RF sempre più affollati e con varie fonti di interferenze in radiofrequenza (RFI) ed elettromagnetiche (EMI).

In queste applicazioni, sono essenziali protocolli wireless differenti per soddisfare i requisiti specifici dell'applicazione. Wi-Fi 6 dual-band offre una migliore programmazione della qualità del servizio per mantenere il throughput nelle reti dense; BLE supporta la necessità di un funzionamento a bassa potenza nelle comunicazioni a corto raggio; Thread consente invece reti a maglie IPv6 autorigeneranti su larga scala con autenticazione dei dispositivi e crittografia AES-128. Queste molteplici opzioni di connettività forniscono le basi per il protocollo Matter, che è un livello di applicazione basato su IP che può funzionare su Wi-Fi o Thread, affidandosi invece a BLE per la messa in servizio e l'onboarding sicuro dei dispositivi.

Soddisfare contemporaneamente tutti questi requisiti è diventata una difficile sfida di progettazione. I tradizionali progetti radio discreti richiedono più chipset, front-end RF e interfacce host, il che aumenta la complessità del layout e il consumo energetico e complica l'iter di certificazione. Ogni interfaccia aggiunta diventa un punto di guasto potenziale durante i test di conformità o quando si opera su più protocolli. Con il restringersi dei tempi di sviluppo e l'espandersi delle aspettative di conformità normativa, un numero sempre maggiore di team si sta orientando verso moduli microcontroller (MCU) wireless autonomi che combinano sottosistemi radio, risorse di elaborazione e sicurezza integrata in un unico componente prequalificato.

I moduli MCU serie IRIS-W10 di u-blox offrono una soluzione integrata progettata per rispondere alle sfide emergenti della progettazione IoT avanzata. Affrontando le problematiche legate alla coesistenza multiprotocollo, all'efficienza della rete e alla protezione di codice e dati a livello di modulo, la serie IRIS-W10 fornisce agli ingegneri una base affidabile per lo sviluppo di dispositivi connessi che possono passare dalla fase di prototipazione, alla certificazione, fino alla distribuzione con meno incognite.

In che modo l'architettura del modulo IRIS-W10 soddisfa le esigenze emergenti

La serie IRIS-W10 è un sistema wireless completo (Figura 1) che integra elaborazione ad alte prestazioni, sottosistemi radio multibanda, memoria Flash eXecute-in-Place (XiP) e sicurezza basata su hardware per formare una piattaforma autonoma per la realizzazione di prodotti IoT avanzati.

Figura 1: Confezionata in un modulo compatto certificato a livello globale, la serie IRIS-W10 combina un MCU ad alte prestazioni con radio multibanda, memoria Flash, sicurezza basata su hardware e un'antenna interna (qui raffigurata) o un'uscita di segnale RF per un'antenna esterna. (Immagine per gentile concessione di u-blox)

Basati sugli MCU wireless RW612 e RW610 di NXP, che integrano un core Arm® Cortex®-M33 e un sottosistema multiradio, i moduli IRIS-W10 combinano l'elaborazione ad alte prestazioni con molteplici opzioni di connettività, come Wi-Fi 6 dual-band (IEEE 802.11 a/b/g/n/ac/ax), BLE 5.4 e Matter over Wi-Fi. Le varianti basate sull'MCU RW612 supportano anche IEEE 802.15.4, Thread e Matter over Thread.

Le due famiglie della serie IRIS-W10 soddisfano esigenze di integrazione differenti: i moduli IRIS-W106 integrano un'antenna PCB, mentre i moduli IRIS-W101 portano il segnale RF per le installazioni che richiedono configurazioni di antenne esterne. All'interno di ciascuna famiglia, specifici componenti supportano requisiti di memoria e connettività differenti, come segue:

• I moduli basati su RW610 (IRIS-W106-30B e IRIS-W101-30B) includono 8 MB di memoria Flash
• I moduli basati su RW612 offrono 8 MB (IRIS-W106-00B e IRIS-W101-00B) o 16 MB (IRIS-W106-10B e IRIS-W101-10B) di memoria Flash, oltre alla connettività basata su IEEE 802.15.4, come già indicato.

L'architettura coerente di questi moduli consente agli sviluppatori di ridimensionare più facilmente i loro progetti esistenti, per soddisfare i nuovi requisiti. Di fatto, ciascuno di questi moduli può funzionare come host autonomo (Figura 2a) in progetti costruiti per livelli minimi di consumo e ingombro o come processore di accompagnamento di un host separato (Figura 2b) in progetti con requisiti funzionali più complessi.

Figura 2: I moduli IRIS-W10 soddisfano un'ampia gamma di requisiti applicativi, da quelli che necessitano di un processore autonomo per ridurre al minimo il consumo e l'ingombro (a), a quelli che richiedono che il modulo serva da processore di accompagnamento di un host per ottenere funzionalità aggiuntive (b). (Immagine per gentile concessione di u-blox)

Grazie alle molteplici opzioni di connettività, la serie contribuisce a garantire comunicazioni affidabili in ambienti RF congestionati. L'uso dell'accesso multiplo a divisione di frequenza ortogonale (OFDMA) e della pianificazione del tempo di riattivazione target (TWT) della tecnologia Wi-Fi 6 migliora l'efficienza del canale in questi ambienti, mentre il salto di frequenza adattivo (AFH) di BLE riduce al minimo le interferenze. La funzionalità IEEE 802.15.4 estende la connettività alle reti Thread per l'interoperabilità con Matter e le reti a maglie a bassa potenza. Poiché le diverse tecnologie RF non sono mai attive contemporaneamente, le radio dei moduli condividono un'unica catena RF e funzionano in modo sequenziale, utilizzando un commutatore RF interno per l'instradamento del traffico radio verso l'uscita RF o l'antenna condivisa.

Se da un lato la disponibilità di più protocolli di connettività è diventata essenziale per un numero crescente di applicazioni IoT, dall'altro tali applicazioni richiedono sempre più la capacità di garantire la sicurezza delle transazioni di comunicazione all'interno di un ambiente operativo affidabile. Per soddisfare questi requisiti di sicurezza, i moduli della serie IRIS-W10 dispongono di una radice di attendibilità hardware. La sicurezza dell'applicazione inizia con l'avvio sicuro da una memoria non volatile convalidata o da sorgenti USB utilizzando un bootloader sicuro conservato nella memoria di sola lettura (ROM) incorporata dell'MCU. La base per la sicurezza delle applicazioni si fonda su un ambiente di esecuzione affidabile basato su Arm TrustZone-M.

Le caratteristiche di sicurezza aggiuntive includono gli elementi critici richiesti in qualsiasi catena di sicurezza, come il motore di crittografia hardware, la memoria Flash crittografata e le interfacce di debug protette, che salvaguardano l'autenticità del firmware e i dati operativi. A livello di applicazione, queste caratteristiche di sicurezza consentono l'autenticazione WPA2/WPA3, la sicurezza Wi-Fi di livello enterprise, la crittografia Transport Layer Security (TLS), HTTPS e l'accoppiamento sicuro della connessione BLE. Insieme, questi meccanismi stabiliscono una base sicura per l'integrità del firmware e la protezione delle comunicazioni. Grazie alle loro protezioni strettamente integrate, questi moduli migliorano la sicurezza informatica delle applicazioni senza richiedere ulteriori dispositivi di sicurezza discreti.

Integrando elaborazione ad alte prestazioni, radio multiprotocollo e sicurezza basata su hardware in un unico pacchetto certificato a livello globale, la serie IRIS-W10 aiuta gli sviluppatori a soddisfare le esigenze combinate di throughput, interoperabilità e conformità normativa. Per l'implementazione di dispositivi IoT avanzati, questa architettura integrata fornisce una solida base tecnica per il rapido sviluppo di applicazioni IoT personalizzate utilizzando una serie completa di strumenti di sviluppo e kit di valutazione (EVK) di u-blox.

Accelerare lo sviluppo di progetti IoT avanzati

Progettati per integrare l'hardware della serie IRIS-W10, gli EVK di u-blox e le risorse software associate consentono agli sviluppatori di passare in modo efficiente dalla valutazione alla progettazione di applicazioni. Insieme, queste risorse aiutano gli sviluppatori a esaminare le prestazioni dei moduli, a verificare il comportamento della radio e a costruire dispositivi personalizzati.

Per la valutazione iniziale e la prototipazione, lo strumento di valutazione USB-IRIS-W1 di u-blox consente agli sviluppatori di esplorare rapidamente le capacità del modulo IRIS-W10. Questo kit integra un modulo IRIS-W106, controlli di interfaccia utente (UI) di base e interfacce multiple su una PCB dal fattore di forma compatto dotata di un connettore USB Type-A (Figura 3). Lo strumento USB-IRIS-W1 è precaricato con un'applicazione di interfaccia a riga di comando (CLI) Wi-Fi, che consente agli sviluppatori di collegarlo a una porta USB della propria workstation e di iniziare immediatamente a valutare le capacità Wi-Fi del modulo.

Figura 3: Costruita attorno a un modulo IRIS-W106 precaricato, la scheda USB Type-A compatta USB-IRIS-W1 è progettata per fornire un avvio rapido per la valutazione delle capacità del modulo attraverso interfacce multiple, controlli UI di base e punti di prova. (Immagine per gentile concessione di u-blox)

Mentre il kit USB-IRIS-W1 offre uno strumento di avvio rapido per la realizzazione del modulo e la valutazione CLI, il kit di valutazione EVK-IRIS-W1 di u-blox (Figura 4) fornisce una piattaforma autonoma più completa per la valutazione di ciascun modulo, la familiarizzazione con le sue caratteristiche e l'estensione delle sue capacità. Questo kit comprende la scheda EVK-IRIS-W106 con un modulo IRIS-W106-10B o la scheda EVK-IRIS-W101 con un modulo IRIS-W101-10B. Oltre alla scheda abbinata, il kit comprende un connettore Ethernet RJ45, un cavo USB e un'antenna con connettore U.FL (solo per EVK-IRIS-101).

Ciascuna scheda espone diverse interfacce di modulo, quali porte USB, I²C, SPI e UART. Inoltre, la scheda offre LED, controlli UI di base, basette per la misurazione della corrente, un connettore di debug a 10 pin e quattro connettori mikroBUS (MikroElektronika) per estendere le capacità della scheda.

Figura 4: Il kit di valutazione EVK-IRIS-W1 fornisce una piattaforma hardware completa per lo sviluppo, esponendo le interfacce del modulo IRIS-W10 per lo sviluppo di applicazioni, l'analisi della potenza e l'espansione funzionale. (Immagine per gentile concessione di u-blox)

Gli sviluppatori possono mettere rapidamente in funzione la scheda fornendo l'alimentazione attraverso uno qualsiasi dei quattro ingressi di alimentazione a 5 V_c.c., ovvero:

• la porta USB di IRIS-W10 fornita da una periferica USB
• la porta di debug/UART
• la porta USB di MCU-LINK
• la basetta di alimentazione

I kit EVK-IRIS-W106 e EVK-IRIS-W101 sono dotati di un'immagine dimostrativa precaricata che consente di valutare immediatamente Wi-Fi 6 e BLE dopo l'accensione. Il firmware del modulo consente ai tecnici di misurare il throughput e la latenza, di valutare il consumo energetico e di ispezionare i registri di configurazione attraverso la console seriale. Utilizzando le basette di misurazione della corrente dei kit EVK, gli sviluppatori possono quantificare l'assorbimento di corrente durante i vari stati di comunicazione per convalidare i compromessi in termini di energia/prestazioni nei progetti che devono soddisfare requisiti di basso consumo o di funzionamento a batteria.

Molteplici risorse software aiutano a semplificare lo sviluppo delle applicazioni

Per lo sviluppo di applicazioni personalizzate, la serie IRIS-W10 segue un modello operativo a CPU aperta, che u-blox supporta con il suo repository Open CPU di codice di riferimento open-source progettato per funzionare sui kit EVK. In questo modello operativo, il processore del modulo è disponibile per l'esecuzione di applicazioni personalizzate costruite con il kit di sviluppo software (SDK) MCUXpresso di NXP o Zephyr e viene sviluppato utilizzando le toolchain e gli ambienti di sviluppo integrati (IDE) più diffusi, come l'IDE MCUXpresso di NXP, GNU Compiler Collection (GCC) o Embedded Workbench di IAR.

L'SDK di NXP offre una serie completa di librerie, stack di connettività, utility di supporto e codice di riferimento per lo sviluppo di applicazioni basate su MCU di NXP. In un ambiente di runtime, l'architettura modulare dell'SDK contribuisce ad assicurare l'isolamento dei driver e degli strati dipendenti dall'hardware dalla logica applicativa di livello superiore.

Facendo riferimento al codice di esempio presente nel repository di codice Open CPU e nell'SDK, gli sviluppatori possono implementare rapidamente il firmware personalizzato necessario per supportare i requisiti specifici della loro applicazione IoT. Per caricare il firmware personalizzato, i kit di valutazione EVK-IRIS-W1 e USB-IRIS-W1 supportano il flashing del firmware tramite un debugger esterno. Inoltre, le schede del kit EVK-IRIS-W1 supportano gli aggiornamenti del firmware tramite il debugger integrato, mentre la scheda USB-IRIS-W1 supporta gli aggiornamenti del firmware tramite la porta UART utilizzando l'applicazione host bootloader dell'MCU di NXP. Per i test e il debug continui, entrambi i kit supportano le interfacce JTAG e SWD standard attraverso le porte integrate.

Poiché tutti gli asset hardware, software e di certificazione rimangono coerenti tra le varianti del modulo, non è necessaria alcuna rilavorazione del progetto per adattare un progetto esistente in modo che supporti memoria o protocolli di comunicazione aggiuntivi. Una volta completati i progetti, gli sviluppatori utilizzano lo stesso ambiente di sviluppo e gli stessi moduli IRIS-W10 per passare alla produzione. Infine, la certificazione globale di tutti i moduli IRIS-W10 semplifica l'integrazione del prodotto finale e la documentazione normativa nelle regioni di destinazione.

Combinando hardware certificato a livello globale, un SDK versatile e un codice di riferimento ben documentato, l'ecosistema della serie IRIS-W10 di u-blox consente agli sviluppatori di implementare più rapidamente dispositivi IoT multiprotocollo sicuri.

Conclusione

Soddisfare la crescente domanda di connettività sicura e multiprotocollo nei dispositivi IoT continua a presentare sfide significative per ottenere basso consumo energetico, prestazioni wireless robuste e certificazioni globali entro piani di sviluppo serrati. La serie IRIS-W10 di u-blox combina elaborazione embedded, connettività multiradio e sicurezza integrata in una piattaforma di moduli certificata a livello globale. Utilizzando kit di valutazione hardware e risorse software ottimizzati per i moduli IRIS-W10, gli sviluppatori possono valutare, prototipare e distribuire in modo rapido ed efficiente sistemi IoT sicuri e interoperabili. Con la continua espansione degli ecosistemi wireless multiprotocollo, la serie IRIS-W10 offre una base scalabile in grado di adattarsi agli standard e alle richieste applicative emergenti.