Utilizzare moduli wireless multiprotocollo per semplificare la progettazione e la certificazione di prodotti IoT

La connettività wireless consente ai progettisti di trasformare prodotti convenzionali in elementi intelligenti e integrati nell'Internet delle cose (IoT), in grado di inviare dati al cloud per l'analisi basata sull'intelligenza artificiale (IA), consentendo loro al contempo di ricevere via etere (OTA) istruzioni, aggiornamenti firmware e miglioramenti della sicurezza.

Ma aggiungere un collegamento wireless a un prodotto non è semplice. Prima ancora di iniziare, i progettisti devono scegliere un protocollo wireless, il che può essere scoraggiante. Ad esempio, diversi standard wireless operano nel popolare spettro dei 2,4 GHz, esente da licenza. Ognuno di questi standard rappresenta un compromesso in termini di portata, velocità e consumo energetico. La scelta del migliore per una determinata applicazione richiede un'attenta valutazione dei suoi requisiti rispetto alle caratteristiche del protocollo.

Inoltre, anche con i moderni transceiver altamente integrati, la progettazione del circuito a radiofrequenza (RF) rappresenta una sfida per molti progettisti, con conseguenti sforamenti del budget e dei tempi. Inoltre, un prodotto RF deve essere certificato per il funzionamento, il che di per sé può essere un processo complesso e dispendioso in termini di tempo.

Una soluzione consiste nel basare il progetto su un modulo certificato che utilizza un System-on-Chip (SoC) multiprotocollo. Questo elimina la complessità della progettazione RF con componenti discreti e offre una certa flessibilità nella scelta del protocollo wireless. Questo approccio modulare offre ai progettisti una soluzione wireless "drop-in", semplificando di molto l'integrazione della connettività wireless nei prodotti e il superamento della certificazione.

Questo articolo considera i vantaggi della connettività wireless, esamina i punti di forza di alcuni dei principali protocolli wireless a 2,4 GHz, analizza brevemente i problemi di progettazione hardware e presenta un modulo RF adatto di Würth Elektronik. L'articolo illustra anche il processo di certificazione necessario per soddisfare le normative globali, prende in considerazione lo sviluppo del software applicativo e presenta un kit di sviluppo software (SDK) per aiutare i progettisti a lavorare con il modulo.

I vantaggi dei transceiver multiprotocollo

Non esiste un solo settore wireless a corto raggio dominante, ognuno di essi implica una serie di compromessi per soddisfare le applicazioni finali. Ad esempio, a maggior raggio e/o potenza corrisponde un maggiore consumo energetico. Altri fattori importanti da prendere in considerazione sono l'immunità alle interferenze, le capacità di rete a maglie e l'interoperabilità del protocollo Internet (IP).

Tra le varie tecnologie wireless a corto raggio già affermate, tre sono i leader indiscussi: Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE), Zigbee e Thread. Tutte presentano alcune somiglianze dovute a un DNA condiviso dalla specifica IEEE 802.15.4. Tale specifica descrive i livelli fisici (PHY) e di controllo dell'accesso ai media (MAC) per le reti personali wireless a bassa velocità (LR-WPAN). Le tecnologie operano generalmente su 2,4 GHz, anche se ci sono alcune varianti sub-GHz di Zigbee.

Bluetooth LE è adatto alle applicazioni IoT, come i sensori delle case intelligenti dove le velocità di trasmissione dati sono modeste e si verificano raramente (Figura 1). L'interoperabilità di Bluetooth LE con i chip Bluetooth ospitati dalla maggior parte degli smartphone è anche un grande vantaggio per le applicazioni orientate al consumatore come i dispositivi indossabili. I principali aspetti negativi di questa tecnologia sono la necessità di un gateway costoso ed energivoro per connettersi al cloud e le capacità di rete a maglie ingombranti.

Figura 1: Bluetooth LE è adatto ai sensori per le case intelligenti, come telecamere e termostati. L'interoperabilità con gli smartphone semplifica la configurazione dei prodotti compatibili. (Immagine per gentile concessione di Nordic Semiconductor)

Anche Zigbee è una buona scelta per applicazioni a bassa potenza e a basso throughput nell'automazione industriale, commerciale e domestica. Il suo throughput è inferiore a quello di Bluetooth LE, mentre il suo raggio e il consumo energetico sono simili. Zigbee non è interoperabile con gli smartphone, né offre capacità IP native. Un vantaggio chiave di Zigbee deriva dal fatto che è stato progettato da zero per la rete a maglie.

Come Zigbee, Thread opera utilizzando PHY e MAC IEEE 802.15.4 ed è stato progettato per supportare grandi reti a maglie fino a 250 dispositivi. Dove Thread differisce da Zigbee è nel suo uso di 6LoWPAN (una combinazione di IPv6 e WPAN a bassa potenza) che rendono la connettività con altri dispositivi e il cloud semplice, anche se attraverso un dispositivo periferico della rete chiamato router di confine. (Vedere "Breve guida agli aspetti chiave della tecnologia wireless a corto raggio".)

Sebbene i protocolli basati su standard siano dominanti, esiste ancora una nicchia per i protocolli proprietari a 2,4 GHz. Nonostante limitino la connettività ad altri dispositivi dotati del chip dello stesso produttore, tali protocolli possono essere regolati finemente per ottimizzare il consumo energetico, il raggio, l'immunità alle interferenze o altri importanti parametri operativi. Un PHY e un MAC IEEE 802.15.4 sono perfettamente in grado di supportare la tecnologia wireless proprietaria a 2,4 GHz.

La popolarità di questi tre protocolli a corto raggio e la flessibilità offerta dalla tecnologia proprietaria a 2,4 GHz rendono difficile scegliere quello giusto per soddisfare la più ampia gamma di applicazioni. In precedenza, un progettista doveva scegliere una tecnologia wireless e poi riprogettare il prodotto se era richiesta una variante per un protocollo diverso. Tuttavia, poiché i protocolli utilizzano PHY basati su un'architettura simile e operano nello spettro dei 2,4 GHz, molti produttori di silicio offrono transceiver multiprotocollo.

Questi chip consentono di riconfigurare un singolo progetto hardware per diversi protocolli semplicemente caricando un nuovo software. Meglio ancora, il prodotto potrebbe essere fornito con più stack software, con il passaggio da uno all'altro supervisionato da un'unità microcontroller (MCU). Ciò potrebbe consentire, ad esempio, di utilizzare Bluetooth LE per configurare un termostato intelligente da uno smartphone prima che il dispositivo cambi protocollo per unirsi a una rete Thread.

Il SoC nRF52840 di Nordic Semiconductor supporta gli stack proprietari Bluetooth LE, Bluetooth Mesh, Thread, Zigbee, IEEE 802.15.4, ANT+ e 2,4 GHz. Il SoC di Nordic integra anche un MCU ARM® Cortex®-M4 che si occupa del protocollo RF e del software applicativo, oltre a 1 MB di memoria flash e 256 kB di RAM. Quando funziona in modalità Bluetooth LE, il SoC offre un throughput massimo di dati grezzi di 2 Mbps. L'assorbimento di corrente in trasmissione dall'ingresso a 3 V c..c è di 5,3 mA a 0 dBm di potenza in uscita, mentre l'assorbimento di corrente in ricezione (RX) è di 6,4 mA a una velocità di trasmissione dati grezzi di 1 Mbps. La massima potenza di trasmissione di nRF52840 è di +8 dBm e la sua sensibilità è di -96 dBm (Bluetooth LE a 1 Mbps).

L'importanza della buona progettazione RF

Sebbene i SoC wireless come nRF52840 di Nordic siano dispositivi molto capaci, richiedono comunque una notevole abilità di progettazione per massimizzare le prestazioni RF. In particolare, il tecnico deve considerare fattori quali il filtraggio dell'alimentazione, i circuiti di temporizzazione dei cristalli esterni, la progettazione e il posizionamento dell'antenna e, soprattutto, l'adattamento di impedenza.

Il parametro chiave che differenzia un buon circuito RF da uno scadente è la sua impedenza (Z). Alle alte frequenze, come i 2,4 GHz utilizzati da una radio a corto raggio, l'impedenza in un determinato punto di una traccia RF è correlata all'impedenza caratteristica di tale traccia, che a sua volta dipende dal substrato del circuito stampato (CS), dalle dimensioni della traccia, dalla sua distanza dal carico e dall'impedenza del carico.

Si scopre che quando l'impedenza di carico - che per un sistema di trasmissione è l'antenna e per un sistema di ricezione è il SoC del transceiver - è uguale all'impedenza caratteristica, l'impedenza misurata rimane la stessa a qualsiasi distanza lungo la traccia dal carico. Di conseguenza, le perdite della linea sono ridotte al minimo e la massima potenza viene trasferita dal trasmettitore all'antenna, aumentando così la robustezza e il raggio. Per questo motivo è buona norma progettare una rete di adattamento che garantisca che l'impedenza di un dispositivo RF sia uguale all'impedenza caratteristica della traccia della scheda CS. (Vedere "SoC e strumenti Bluetooth Low Energy compatibili con Bluetooth 4.1, 4.2 e 5 pronti ad affrontare le sfide IoT (Parte 2)".)

La rete di adattamento comprende uno o più induttori shunt e condensatori in serie. La sfida del progettista sta nello scegliere la topologia di rete e i valori dei componenti migliori. I produttori offrono spesso software di simulazione per aiutare a progettare i circuiti di accoppiamento, ma anche dopo aver seguito le best practice di progettazione, il circuito risultante può spesso avere prestazioni RF deludenti, poco raggio e scarsa affidabilità. Questo porta a ulteriori iterazioni di progettazione per rivedere la rete di adattamento (Figura 2).

Figura 2: nRF52840 di Nordic richiede un circuito esterno per sfruttare le sue funzionalità. I circuiti esterni comprendono il filtraggio della tensione di ingresso, il supporto per la temporizzazione del cristallo esterno e, collegati al pin dell'antenna del SoC (ANT), i circuiti di adattamento dell'impedenza tra il SoC e un'antenna. (Immagine per gentile concessione di Nordic Semiconductor)

I vantaggi di un modulo

La progettazione di un circuito wireless a corto raggio con componenti discreti presenta alcuni vantaggi, in particolare la riduzione dei costi in distinta base e il risparmio di spazio. Tuttavia, anche se il progettista segue uno dei numerosi ed eccellenti progetti di riferimento dei fornitori di SoC, altri fattori - come la qualità e le tolleranze dei componenti, il layout della scheda e le caratteristiche del substrato e il confezionamento del dispositivo finale - possono influire in modo significativo sulle prestazioni RF.

Un approccio alternativo consiste nel basare la connettività wireless su un modulo di terze parti. I moduli sono soluzioni completamente assemblate, ottimizzate e testate che offrono una connettività wireless "drop-in". Nella maggior parte dei casi, il modulo sarà già certificato per l'uso nei mercati globali, risparmiando al progettista il tempo e il denaro necessari per superare la certificazione delle normative RF.

L'uso dei moduli presenta alcuni svantaggi. Tra questi, l'aumento dei costi (a seconda del volume), le maggiori dimensioni del prodotto finale, la dipendenza da un unico fornitore e la sua capacità di fornire volumi di produzione e (a volte) un numero ridotto di pin accessibili rispetto al SoC su cui si basa il modulo. Ma se la semplicità di progettazione e la rapidità del time-to-market superano questi aspetti negativi, la risposta è un modulo.

Un esempio che utilizza nRF52840 di Nordic è il modulo radio Setebos-I 2,4 GHz 2611011024020 di Würth Elektronik. Questo modulo compatto misura 12 × 8 × 2 mm, ha un'antenna integrata, una copertura per ridurre al minimo le interferenze elettromagnetiche (EMI) e viene fornito con un firmware che supporta il Bluetooth 5.1 e i protocolli proprietari a 2,4 GHz (Figura 3). Come descritto in precedenza, il SoC alla base del modulo è in grado di supportare anche Thread e Zigbee, con l'aggiunta di un firmware appropriato.

Figura 3: Il modulo radio Setebos-I da 2,4 GHz ha un fattore di forma compatto, è dotato di un'antenna integrata e di una copertura per limitare le EMI. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Il modulo accetta un ingresso da 1,8 a 3,6 V e, in modalità di sospensione, assorbe solo 0,4 µA. La sua frequenza operativa copre la banda ISM (Industrial, Scientific, Medical), centrata su 2,44 GHz (da 2,402 a 2,480 GHz). In condizioni ideali, con una potenza di uscita di 0 dBm, la portata di linea di visuale libera tra il trasmettitore e il ricevitore è fino a 600 m e il throughput Bluetooth LE massimo è di 2 Mbps. Il modulo è dotato di un'antenna incorporata da un quarto di lunghezza d'onda (3,13 cm), ma è anche possibile aumentare il raggio collegando un'antenna esterna al suddetto terminale ANT del modulo (Figura 4).

Figura 4: Il modulo radio Setebos-I 2,4 GHz include un pin per un'antenna esterna (ANT) per estendere il raggio della radio. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Il modulo radio Setebos-I consente di accedere ai pin del SoC nRF52840 tramite la piazzola di saldatura. La tabella 1 elenca la funzione di ciascun pin del modulo. I pin da "B2" a "B6" sono GPIO programmabili, utili per collegare sensori quali dispositivi di temperatura, umidità e qualità dell'aria.

Tabella 1: Nomenclatura dei pin del modulo radio Setebos-I 2,4 GHz. Le uscite LED possono essere utilizzate per indicare la trasmissione e la ricezione radio. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Certificazione dei prodotti wireless a corto raggio

Sebbene la banda a 2,4 GHz sia un'allocazione dello spettro esente da licenze, i dispositivi radio che operano nella banda devono comunque rispettare le normative locali, come quelle dettate dalla Federal Communications Commission (FCC) negli Stati Uniti, dalla Dichiarazione di Conformità (CE) europea o dal Telecom Engineering Center (TELEC) in Giappone. Per superare la normativa è necessario sottoporre il prodotto a test e certificazioni, che possono richiedere tempo e denaro. Se il prodotto RF non supera una qualsiasi parte del test, è necessario ripresentare la domanda daccapo. Se il modulo verrà utilizzato in modalità Bluetooth, dovrà anche ottenere l'indicazione Bluetooth dal Bluetooth Special Interest Group (SIG).

La certificazione del modulo non conferisce automaticamente la certificazione al prodotto finale che ne fa uso. In genere, però, la certificazione dei prodotti finali si trasforma in un esercizio burocratico piuttosto che in un'estesa attività di verifica, a condizione che non utilizzino dispositivi wireless aggiuntivi come il Wi-Fi. Lo stesso vale in generale per l'ottenimento dell'indicazione Bluetooth. Una volta certificati, i prodotti che utilizzano il modulo riportano un'etichetta con i numeri FCC, CE e altri numeri identificativi pertinenti (Figura 5).

Figura 5: Esempio di etichetta identificativa applicata al modulo Setebos-I a indicare che ha superato le certificazioni RF CE e FCC. In genere, la certificazione può essere ereditata dal prodotto finale senza dover ripetere i test, grazie a una semplice documentazione cartacea. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

I produttori di moduli di solito si impegnano per ottenere la certificazione RF (e l'indicazione Bluetooth, se appropriato) per i loro moduli per le regioni in cui intendono vendere i prodotti. Würth Elektronik lo ha fatto per il modulo radio Setebos-I, che però deve essere utilizzato con il firmware di fabbrica. Nel caso del funzionamento Bluetooth, il modulo è pre-certificato, a condizione che venga utilizzato con lo stack di fabbrica S140 Bluetooth LE di Nordic o con uno stack fornito tramite il kit di sviluppo software SDK nRF Connect dell'azienda.

Il firmware di Würth e Nordic è robusto e collaudato per qualsiasi applicazione. Ma se il progettista decide di riprogrammare il modulo con uno stack proprietario Bluetooth LE o 2,4 GHz a standard aperto, oppure con uno di un fornitore alternativo, dovrà ripetere i programmi di certificazione da zero per le regioni previste.

Strumenti di sviluppo per il modulo radio Setebos-I

Per gli sviluppatori avanzati, l'SDK nRF Connect di Nordic è uno strumento di progettazione completo per sviluppare software applicativo per il SoC nRF52840. L'estensione nRF Connect for VS Code è l'ambiente di sviluppo integrato (IDE) consigliato per eseguire l'SDK nRF Connect. È inoltre possibile utilizzare l'SDK nRF Connect per caricare un protocollo alternativo Bluetooth LE o proprietario a 2,4 GHz su nRF52840. (Si vedano i commenti precedenti sull'impatto di tutto questo sulla certificazione dei moduli.)

L'SDK nRF Connect funziona con il kit di sviluppo DK nRF52840 (Figura 6). L'hardware è dotato del SoC nRF52840 e supporta lo sviluppo e il collaudo di codici prototipo. Una volta pronto il software applicativo, il DK nRF52840 può fungere da programmatore J-LINK per trasferire il codice nella memoria flash del modulo radio Setebos-I tramite i pin "SWDCLK" e "SWDIO" del modulo.

Figura 6: Il DK nRF52840 di Nordic può essere utilizzato per sviluppare e testare il software applicativo. Il kit di sviluppo può quindi essere utilizzato per programmare altri SoC nRF52840, come quello utilizzato nel modulo Setebos-I. (Immagine per gentile concessione di Nordic Semiconductor)

Il software applicativo realizzato con gli strumenti di sviluppo di Nordic è destinato a funzionare sull'MCU ARM Cortex-M4 incorporato in nRF52840. Ma potrebbe accadere che il prodotto finale sia già dotato di un altro MCU, che lo sviluppatore vuole utilizzare per eseguire il codice dell'applicazione e supervisionare la connettività wireless. Oppure, lo sviluppatore potrebbe avere maggiore familiarità con gli strumenti di sviluppo per altri popolari microprocessori host, come STM32F429ZIY6TR di STMicroelectronics. Anche questo processore è basato su un core ARM Cortex-M4.

Per consentire a un microprocessore host esterno di eseguire il software applicativo e supervisionare il SoC nRF52840, Würth Elektronik offre l'SDK Wireless Connectivity. Questo SDK è un insieme di strumenti software per la rapida integrazione software dei moduli wireless dell'azienda con molti processori popolari, tra cui il chip STM32F429ZIY6TR. L'SDK consiste in driver ed esempi in C che utilizzano le periferiche UART, SPI o USB della piattaforma sottostante per comunicare con il dispositivo radio collegato (Figura 7). Lo sviluppatore deve semplicemente portare il codice C dell'SDK sul processore host. Ciò riduce notevolmente il tempo necessario per progettare un'interfaccia software per il modulo radio.

Figura 7: Il driver dell'SDK Wireless Connectivity consente agli sviluppatori di pilotare facilmente il modulo radio Setebos-I tramite una porta UART utilizzando un microprocessore host esterno. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Il modulo radio Setebos-I utilizza una "interfaccia di comando" per le attività di configurazione e funzionamento. Questa interfaccia fornisce fino a 30 comandi che consentono di aggiornare varie impostazioni del dispositivo, trasmettere e ricevere dati e portare il modulo in una delle diverse modalità a bassa potenza. Per utilizzare l'SDK Wireless Connectivity, il dispositivo radio collegato deve funzionare in modalità di comando.

Conclusione

Può essere difficile decidere quale protocollo wireless utilizzare per un prodotto connesso e ancora più impegnativo progettare il circuito radio da zero. Un modulo radio come Setebos-I di Würth Elektronik non solo offre flessibilità nella scelta del protocollo, ma anche una soluzione di connettività drop-in che soddisfa i requisiti normativi di varie regioni operative. Il modulo Sebetos-1 viene fornito con l'SDK Wireless Connectivity di Würth, con cui gli sviluppatori possono controllare il modulo in modo semplice e rapido utilizzando un MCU host di propria scelta.