האץ פריסת IoT מתקדם עם מודולי MCU אלחוטיים מרובי פרוטוקולים

תכני אינטרנט של דברים (IoT) מתקדמים דורשים עכשיו‏ אפשרויות של קישוריות אלחוטית מאובטחות המבטיחות נצילות רשת, ביצועים אופטימליים ויכולת עבודה בין-מערכתית בסביבות עבודה הטרוגניות, שכוללות Wi-Fi‏, Bluetooth אנרגיה נמוכה (BLE), ופרוטוקולי Thread ו-Matter. פלטפורמות פתרון מתאימות חייבות להשתלב באופן חלק עם חיישנים ורכיבים היקפיים כמו גם לכלול מערכת אקולוגית‏ המאפשרת פיתוח מהיר מהערכה עד פריסה של התקנים מוסמכים גלובלית.‏

עמידה בדרישות אלו באמצעות פתרונות מותאמים במיוחד מתוכננים מהיסוד נותרה מאתגרת, בעיקר בשל המורכבות של תכנון תדר רדיו (RF) ואותות מעורבים והסמכת התקן. מתכננים צריכים גישה משולבת יותר.

מאמר זה מספק סקירה קצרה של אתגרי הקישוריות העומדים בפני מתכננים של התקנים אלחוטיים עבור ה-IoT. אחר כך הוא מציג פלטפורמה אלחוטית מוכנה-מן-המדף מבית u-blox‏ המאיצה תכנון IoT מתקדם על ידי הפחתת ההשהיות הקשורות עם תהליך העלאת רדיו (Radio Bring-up), אינטגרציית פרוטוקול, יישום אבטחה, ותקנים ועמידה ברגולציה.

כיצד דרישות קישוריות משתנות מניעות מעבר למודולים משולבים

יישומים עולים, כגון מערכות בקרה תעשייתיות, אוטומציה של בניינים מסחריים ומערכות אקולוגיות של התקנים חכמים, דורשים פתרונות התקן-IoT‏ גמישות היכולים לתמוך בדרישות מיוחדות של חומרה, תוכנה ותקשורת מבלי לפגוע בתקציבי אבטחה או אספקת כוח. במספר הולך וגדל של יישומים, התקני IoT צפויים גם לתמוך באפשרויות חיבור מרובות. כל אחד חייב‏ להיות מסוגל לשמור על תקשורת אמינה בסביבות RF צפופות יותר ויותר עם מקורות שונים של‏ הפרעות תדר-רדיו (RFI‏) והפרעות אלקטרומגנטיות (EMI).

ביישומים אלה, פרוטוקולים אלחוטיים שונים הם חיוניים כדי לשרת דרישות יישום ספציפיות. Wi-Fi 6 שני פסי-תדר מספק תזמון איכות שירות משופר לשמירה על התפוקה ברשתות צפופות; Bluetooth‎‏ אנרגיה נמוכה (BLE) תומך בצורך בעבודה בהספק נמוך בתקשורת טווח-קצר; ו-Thread מאפשר רשתות IPv6 Mesh ריפוי-עצמי, קנה-מידה גדול, עם אימות התקן והצפנת AES-128. אפשרויות קישוריות מרובות אלו מספקות את היסודות עבור פרוטוקול ה-Matter‏, שהוא שכבת יישום מבוססת-IP‏ שיכולה לפעול דרך Wi-Fi או Thread, תוך הסתמכות על BLE להפעלת התקנים וקליטה מאובטחת.

עמידה בכל הדרישות האלה בו-זמנית ‏הפכה לאתגר הנדסי משמעותי. תכני רדיו בדידים מסורתיים דורשים שימוש בערכות שבבים מרובות, קצוות-קדמיים RF וממשקי מארח, ששילובם במערכת מעלה את מורכבות העריכה של המעגל המודפס, צריכת ההספק ומאמצי ההסמכה. כל ממשק נוסף הופך לנקודת כשל פוטנציאלית במהלך בדיקת תאימות או בעבודה לרוחב פרוטוקולים מרובים. ככל שלוחות הזמנים לפיתוח מתהדקים וציפיות רגולטוריות מתרחבות, יותר צוותים נעים בכיוון מודולי יחידות מיקרו-בקר (MCU) אלחוטיים עצמאיים המשלבים תת-מערכות רדיו, משאבי עיבוד, ואבטחה משולבת, ברכיב יחיד מוסמך מראש.

סדרת ה-u-blox IRIS-W10 של מודולי MCU מספקת פתרון משולב המתוכנן לעמוד באתגרים העולים של תכנון IoT מתקדם. על ידי טיפול בדו-קיום של פרוטוקולים מרובים, נצילות רשת והגנה על קוד ונתונים ברמת המודול, סדרת ה-IRIS-W10 מספקת למהנדסים יסודות אמינים לפיתוח התקנים מקושרים היכולים לנוע מאב-טיפוס להסמכה ופריסה עם פחות נעלמים.

כיצד ארכיטקטורת המודול IRIS-W10 עומדת בדרישות מתעוררות

סדרת ה-IRIS-W10 היא מערכת אלחוטית שלמה (איור 1‏) המשלבת עיבוד ביצועים-עיליים, תת-מערכות רדיו מרובות פסי-תדרים, זיכרון eXecute-In-Place (XIP) Flash ואבטחה מבוססת-חומרה כדי ליצור פלטפורמה עצמאית עבור בניית מוצרי IoT מתקדמים.

איור 1‏: ארוזה במודול קומפקטי מוסמך גלובלית,‏ סדרת ה-IRIS-W10 משלבת MCU ביצועים-עיליים עם רדיו מרובה פסי-תדרים, זיכרון Flash, אבטחה מבוססת חומרה ואנטנה פנימית (מוצג כאן) או יציאת אות RF עבור אנטנה חיצונית. (מקור תמונה: u-blox‏)

מבוססים על יחידות MCU אלחוטיות RW612 ו-RW610 של NXP, שמשלבות ליבת‏ Arm® Cortex®-M33 ותת-מערכות מרובות-רדיו, מודולי IRIS-W10 משלבים עיבוד ביצועים-עיליים עם אפשרויות קישוריות מרובות, כולל Wi-Fi 6 שני פסי-תדרים (IEEE 802.11 a/b/g/n/ac/ax),‏ BLE 5.4, ו-Matter‏ דרך Wi-Fi.‏ גרסאות הבנויות על ה-RW612 MCU תומכות בנוסף ב-IEEE 802.15.4,‏ Thread, ו-Matter דרך Thread.

שתי המשפחות בסדרת ה-IRIS-W10 עומדות בצורכי אינטגרציה שונים: מודולי IRIS-W106 משלבים אנטנת‏ לוח מעגל מודפס (לוח PC), בעוד מודולי IRIS-W101 מוציאים את אות ה-RF עבור התקנות שדורשות תצורות אנטנה חיצונית. בכל משפחה, חברי משפחה מסוימים תומכים בדרישות זיכרון וקישוריות שונות כדלהלן:

• מודולים המבוססים על RW610‏ (IRIS-W106-30B ו-IRIS-W101-30B) כוללים 8‏ מגה-בייט (Mbytes‏) של‏ זיכרון Flash‏
• מודולים המבוססים על RW612 מספקים ‎8 Mbytes‏ (IRIS-W106-00B ו-IRIS-W101-00B) או ‎16 Mbytes‏ (IRIS-W106-10B ו-IRIS-W101-10B) של‏ זיכרון Flash‏, כמו גם קישוריות מבוססת על IEEE 802.15.4, כמוזכר לעיל.

הארכיטקטורה העקבית של מודולים אלה מאפשרת למפתחים למדרג את התכנים הקיימים שלהם יותר בקלות, תוך עמידה בדרישות חדשות. למעשה, כל אחד‏ מהמודולים האלה יכול לעבוד‏ כמארח בפני עצמו (איור 2a‏) בתכנים הבנויים עבור הספק וחתימת שטח מינימליים או כמעבד נלווה למארח נפרד (איור 2b‏) בתכנים עם דרישות פונקציונליות יותר מורכבות.

איור 2‏: מודולי IRIS-W10 עומדים במגוון רחב של‏ דרישות יישום, החל מאלה שצריכים מעבד עצמאי (a‏) כדי למזער הספק וחתימת-שטח עד לאלה שצריכים שהמודול ישרת כמעבד נלווה למארח עבור פונקציונליות נוספת (b‏). (מקור תמונה: u-blox‏)

עם אפשרויות הקישוריות הרבות שלה, הסדרה מסייעת להבטיח תקשורת אמינה בסביבות RF צפופות. השימוש של Wi-Fi 6 בגישה מרובת-נתיבים בחלוקת תדר אורתוגונלית (OFDMA‏) ותזמון זמן יקיצת יעד (TWT) משפר נצילות ערוץ בסביבות אלו, בעוד דילוג תדר אדפטיבי (AFH‏) מקטין הפרעות למינימום. יכולת IEEE 802.15.4‏ מרחיבה את הקישוריות לרשתות Thread עבור רשתות מארג (Mesh) הספק-נמוך ויכולת עבודה בין-מערכתית Matter. מאחר וטכנולוגיות ה-RF השונות אף פעם אינן פעילות בו-זמנית, רכיבי הרדיו של המודולים חולקים שרשרת RF אחת ופועלים באופן סדרתי, תוך שימוש במתג RF פנימי כדי לנתב תעבורת רדיו לאנטנה המשותפת או ליציאת RF.

בעוד שהזמינות של מספר פרוטוקולי קישוריות הפכה לחיונית עבור מספר הולך וגדל של יישומי IoT‏, יישומים אלה דורשים יותר ויותר את היכולת להבטיח את האבטחה של טרנסאקציות התקשורת בתוך סביבת עבודה מהימנה. כדי לעמוד בדרישות אבטחה אלו, מודולי סדרת ה-IRIS-W10 כוללים עוגן אבטחה חומרתי. אבטחת יישומים מתחילה באתחול מאובטח (Secure Boot) מזיכרון בלתי-נדיף מאומת או ממקורות USB באמצעות טוען אתחול מאובטח (Secure Bootloader) השמור בתוך זיכרון הקריאה-בלבד (ROM‏) המובנה של ה-MCU. התשתית לאבטחת יישומים נשענת על סביבת ביצוע מהימנה מבוססת על Arm TrustZone-M.

מאפייני אבטחה נוספים כוללים את האלמנטים הקריטיים הדרושים בכל שרשרת אבטחה, כגון מנוע קריפטוגרפי חומרתי, זיכרון Flash‏ מוצפן וממשקי ניפוי שגיאות (Debug) מוגנים, שמאבטחים את אותנטיות הקושחה ואת נתוני התפעול. ברמת היישום, מאפייני אבטחה אלה מאפשרים אימות WPA2/WPA3, אבטחת Wi-Fi‏ ארגוני, הצפנת Transport Layer Security‏ (TLS‏), פרוטוקול HTTPS, וצימוד מאובטח (Secure Connection Pairing)‏ בקישוריות BLE. ביחד, מנגנונים אלה מבססים קו בסיס אבטחתי (Secure Baseline) הן עבור שלמות הקושחה והן עבור הגנת התקשורת. עם ההגנות המוטמעות בהם באופן הדוק, מודולים אלה משפרים את אבטחת הסייבר של היישום ללא צורך ברכיבי אבטחה בדידים נוספים.

על ידי הטמעת עיבוד ביצועים-עיליים, רדיו מרובה פרוטוקולים ואבטחה מבוססת חומרה במארז מוסמך‏ גלובלית, סדרת ה-IRIS-W10 מסייעת למפתחים לעמוד בדרישות המשולבות של‏ קצב נתונים, יכולת עבודה בין-מערכתית ועמידה בתקני רגולציה. לצורך מימוש התקני IoT‏ מתקדמים, ארכיטקטורה משולבת זו מספקת‏ בסיס טכני איתן לפיתוח מהיר של יישומי IoT‏‏ מותאמים-במיוחד, על ידי שימוש במערך מקיף של ערכות הערכה (EVKs‏)‏ u-blox‏ וכלי פיתוח.

האצת הפיתח של תכני IoT‏ מתקדמים

ערכות ההערכה של u-blox ומשאבי תוכנה קשורים המתוכננים עבור השלמת החומרה של סדרת IRIS-W10, מאפשרים למפתחים להתקדם ביעילות מהערכה לתכנון אפליקציה. ביחד, משאבים אלה עוזרים למפתחים לבחון ביצועי מודול, לאמת התנהגות רדיו ולבנות התקנים מותאמים-במיוחד.

להערכה ובדיקה ראשונית של אב-טיפוס, כלי ההערכה u-blox USB-IRIS-W1 מאפשר למפתחים לחקור במהירות את היכולות של מודול ה-IRIS-W10. ערכה זו משלבת מודול ‏IRIS-W106, בקרות ממשק משתמש (UI) בסיסיות וממשקים מרובים על לוח מעגל מודפס בעל גורם צורה קטן המצויד במחבר USB Type-A (איור 3‏). ה-USB-IRIS-W1‏ מגיע טעון-מראש עם‏ יישום ממשק שורת פקודה (CLI) ל-Wi-Fi, שמאפשר למפתחים לתקוע אותו ביציאת USB בתחנת העבודה שלהם ולהתחיל מייד להעריך את יכולות ה-Wi-Fi של המודול.

איור 3‏: בנוי סביב מודול ‏IRIS-W106 נצרב-מראש, לוח ה-USB Type-A הקומפקטי USB-IRIS-W1 מתוכנן לספק התחלת הערכה מהירה של יכולות המודול דרך ממשקים מרובים, בקרי UI בסיסיים ונקודות בדיקה. (מקור תמונה: u-blox‏)

בעוד ערכת ה-USB-IRIS-W1 מציעה כלי התחלה-מהירה להפעלה ראשונית של המודול והערכת ממשק שורת הפקודה (CLI), ערכת ההערכה u-blox EVK-IRIS-W1 (איור 4‏) מספקת פלטפורמה עצמאית, מקיפה יותר להערכת כל מודול, צבירת ניסיון עם תכונותיו והרחבת יכולותיו. ערכה זו כוללת את לוח ה-EVK-IRIS-W106‏ עם מודול IRIS-W106-10B או את לוח ה-EVK-IRIS-W101 עם מודול IRIS-W101-10B. יחד עם הלוח הרלוונטי, הערכה כוללת מחבר‏ RJ45 Ethernet,‏ כבל USB, ואנטנה עם מחבר‏ U.FL‏ (עבור ה-EVK-IRIS-101 בלבד).

כל לוח חושף מספר ממשקי מודול, כולל יציאות UART,‏ SPI,‏ I²C ו-USB. נוסף לכך, הלוח מספק נוריות LED, בקרי UI בסיסיים, פסי-פינים למדידת אספקת-כוח, מחבר ניפוי-באגים של 10-פינים וארבעה מחברי mikroBUS‏ (MikroElektronika) להרחבת יכולות הלוח.

איור 4‏: ערכת ההערכה EVK-IRIS-W1‏ מספקת פלטפורמת חומרה מקיפה עבור פיתוח, חושפת את ממשקי מודול ה-IRIS-W10 לפיתוח יישומים, ניתוח אספקת-כוח והרחבה פונקציונלית.‏ (מקור תמונה: u-blox‏)

מפתחים יכולים לבצע הפעלה ראשונית מהירה של הכרטיס על ידי חיבור למקור מתח דרך כל אחת מארבע כניסות ה-‎5 V_DC שלו, הכוללות:

• כניסת ה-IRIS-W10 USB המסופקת על ידי ציוד היקפי USB
• כניסת הניפוי שגיאות/‎UART
• כניסת ה-MCU-LINK USB‏
• פס-פיני אספקת הכוח

ה-EVK-IRIS-W106 ו-EVK-IRIS-W101‏ מגיעים עם‏ תמונת הדגמה טעונה-מראש המאפשרת הערכה מיידית של Wi-Fi 6 ו-BLE לאחר הפעלה. מודול קושחה מאפשר למהנדסים למדוד תפוקה ושיהוי Latency)‎), להעריך צריכת הספק ולבדוק רגיסטרים של תצורה דרך יחידת הבקרה הטורית. תוך שימוש בפסי הפינים למדידת הספק של ערכות ההערכה, מפתחים יכולים לכמת משיכת זרם במהלך מצבי תקשורת שונים כדי לתקף פשרות בצריכת אנרגיה בתכנונים החייבים לעמוד בדרישות הזנת-סוללה או הספק-נמוך.

משאבי תוכנה מרובים עוזרים לפשט פיתוח יישומים

לצורך פיתוח אפליקציות מותאמות במיוחד, סדרת ה-IRIS-W10 עובדת במודל Open CPU, שבו u-blox תומכת באמצעות ה-Open CPU repository שלה של מאגר הכולל קוד ייחוס מקור-פתוח המיועד להרצה על ערכות ההערכה. במצב עבודה זה, מעבד המודול זמין להרצת יישומים מותאמים במיוחד הבנויים עם ערכת פיתוח תוכנה (SDK) ‏MCUXpressoשל NXP או Zephyr, ומפותח תוך שימוש בסביבות פיתוח משולבות (IDEs) נפוצות וכלי Toolchain, כולל MCUXpresso IDE של NXP, אוסף ה-GNU compiler‏ (GCC), או Embedded Workbench של IAR.‏

ה-NXP SDK‏ מציעה מערך מקיף של‏ ספריות, מחסניות קישוריות, שירותי תמיכה וקוד ייחוס עבור פיתוח יישומים מבוססים על יחידות NXP MCU. בסביבת זמן-ריצה‏ הארכיטקטורה המודולרית של ה-SDK עוזרת להבטיח בידוד של השכבות התלויות בחומרה והדוחפים מלוגיקת יישום ברמות גבוהות יותר.

על ידי שימוש בקוד דוגמה מתוך ה-Open CPU repository וה-SDK, מפתחים יכולים לממש במהירות את הקושחה המותאמת אישית הדרושה כדי לתמוך בדרישות הייחודיות של יישום ה-IoT שלהם. כדי לטעון את הקושחה המותאמת אישית שלהם, ערכות ההערכה EVK-IRIS-W1 ו-USB-IRIS-W1‏ תומכות בצריבת קושחה דרך מנפה באגים חיצוני. נוסף לכך, לוחות ערכת EVK-IRIS-W1 תומכים בעדכוני קושחה דרך מנפה השגיאות שלהם על הלוח, בעוד ה-USB-IRIS-W1 תומך בעדכוני קושחה דרך יציאת ה-UART תוך שימוש ביישום מארח MCU Bootloader של NXP. לצורך בדיקה וניפוי שגיאות שוטפים, שתי הערכות תומכות בממשקי JTAG ו-SWD סטנדרטיים דרך נקודות יציאה מובנות.

מכיוון שכל נכסי החומרה, התוכנה וההסמכה נותרים עקביים בין כל גרסאות המודול, אין צורך בתכנון מחדש משמעותי‏ כדי למדרג תכנון קיים ‏לתמיכה בזיכרון נוסף או בפרוטוקולי תקשורת נוספים. ברגע שהושלמו התכנונים, מפתחים משתמשים באותם מודולי IRIS-W10 וסביבת פיתוח כדי לעבור לייצור. לבסוף, ההסמכה הגלובלית של כל מודולי IRIS-W10 מפשטת אינטגרציית מוצר סופי ותיעוד רגולטורי באזורי היעד.

על ידי שילוב חומרה מוסמכת גלובלית, SDK רב-תכליתית וקוד ייחוס מתועד היטב, המערכת האקולוגית של סדרת u-blox IRIS-W10 מאפשרת למפתחים לפרוס התקני IoT מרובי פרוטוקולים מאובטחים מהר יותר.

סיכום

עמידה בביקוש הגובר לקישוריות מרובת פרוטוקולים מאובטחת בהתקני IoT ממשיכה להציב אתגרים משמעותיים בהשגת צריכת הספק נמוכה, ביצועים אלחוטיים אמינים והסמכה גלובלית בתוך לוחות זמנים צפופים של פיתוח. סדרת ה-u-blox IRIS-W10‏ משלבת עיבוד משובץ, קישוריות מרובת-רדיו ואבטחה משולבת בתוך פלטפורמת מודול מוסמכת גלובלית. על ידי שימוש בערכות הערכת חומרה ומשאבי תוכנה ממוטבים עבור מודולי ה-IRIS-W10, מפתחים יכולים להעריך, לבדוק אב-טיפוס ולפרוס ביעילות מערכות IoT מאובטחות ובעלות יכולת פעולה הדדית. ככל שהמערכות האקולוגיות האלחוטיות מרובות הפרוטוקולים ממשיכות להתרחב, סדרת ה-IRIS-W10 מספקת תשתית ניתנת למדרוג המסוגלת להסתגל לתקנים עולים ודרישות יישום.