פשטו את אינטגרציית האלחוט התעשייתי באמצעות מודולי Wi-Fi 6‏ מורשים-מראש עם Bluetooth LE‏

עם עליית האינטרנט של דברים (IoT), חיבוריות אלחוטית הפכה לדרישה בסיסית עבור יישומים תעשייתיים, החל בניטור ציוד ומעקב נכסים ועד אוטומציה בבניינים. מתכננים המעוניינים ליישם חיבוריות זו מתמודדים עם מספר אתגרים, כולל שילוב ערכות שבבים לאלחוט, אנטנות, רכיבי תוכנה, הרשאות עולמיות, אבטחה ואמינות בסביבות קשות.

ניתן להתגבר על אתגרים אלו על ידי בחירה במודולי Wi-Fi 6 מחוזקים לעמידות ומורשים-מראש עם Bluetooth Low Energy (BLE) 5.4 המספקים את המאפיינים ההכרחיים תוך פישוט האינטגרציה.

מאמר זה דן באתגרי חיבוריות אלחוטית עבור מתכנני מערכות תעשייתיות ומציג דוגמאות של מודולים מורשים-מראש Wi-Fi 6‏ עם BLE 5.4‏ של Ezurio‏. המאמר דן גם באנטנות מורשות-מראש ובערכת הפיתוח הקשורה.

האתגרים העיקריים בתקשורת אלחוטית תעשייתית

סביבות תעשייתיות מכילות מספר הולך וגדל של נקודות קצה שצריכות לשתף נתונים במהירות גבוהה, ורשתות אלחוט הן לרוב האמצעי המעשי היחיד להעברת נתונים אלו.

זה יכול להוביל לעומס ברשת עבור טכנולוגיות אלחוט ישנות יותר, עם בעיות שיהוי (Latency‏) ואיבוד מנות (Packet‏) המשפיעות על יעילות הפעולה. טכנולוגיית תקשורת מיושנת עלולה גם להשאיר רשתות חשופות להתקפות סייבר.

טכנולוגיות מודרניות כמו Wi-Fi 6 ו-BLE 5.4 יכולות לפתור את הבעיות הללו, אך פיתוחן ושילובן דורשים מומחיות RF חזקה, במיוחד בהתקנים מוגבלי-מקום ויישומי השבחה. יתר על כן, פתרונות אלחוט רבים דורשים שלבי הרכבה ידניים המאטים את הייצור ומגדילים את העלויות.

אמינות היא שיקול חשוב נוסף. סביבות תעשייתיות רבות כוללות הפרעות אלקטרומגנטיות משמעותיות (EMI), טמפרטורות קיצוניות ורעידות וזעזועים. לבסוף, יישומים רבים דורשים צריכת הספק נמוכה כדי להאריך את חיי הסוללה תוך הבטחת עמידה בסטנדרטים עולמיים.

פתרון חסון: מודולי Wi-Fi 6‏ עם Bluetooth LE 5.4

מודולי Sona TI351‏ של Ezurio נותנים מענה לאתגרים של חיבוריות אלחוטית תעשייתית הודות לשילוב של Wi-Fi ו-BLE במארזים חסונים מורשים-מראש (איור 1). מודולים אלה, הבנויים סביב Wi-Fi‏ SimpleLink CC3351‏ ו-BLE IC נלווה של Texas Instruments‏, זמינים בטכנולוגיית הרכבה משטחית (SMT) ובגרסות נתקעות, עם בחירה בין אנטנת שבב מובנית או מחבר אנטנה.

איור 1: משפחת Sona TI351 כוללת מודולי Wi-Fi 6 ו-BLE 5.4 קומפקטיים ומורשים-מראש בגרסאות SMT ותקיעות עם אנטנות מובנות או מחברי אנטנה. (מקור התמונה: Ezurio)

כל המודולים תומכים ב-Wi-Fi 6‏ (802.11ax‏) באמצעות ממשק SDIO 2.0‏ עם העברת נתונים במהירות גבוהה וגילוי ותיקון שגיאות מובנה. Wi-Fi 6 מציע מספר מאפיינים התומכים בביצועים אמינים ברשתות תעשייתיות צפופות:

• גישה מרובה עם חלוקת תדרים אורתוגונלית (OFDMA‏) מאפשרת שידור סימולטני ממספר התקני IoT באותו ערוץ תוך הגברת היעילות בפריסות צפופות.
• Target Wake Time‏ (TWT‏) ממטב את אורך חיי הסוללה הודות לאפשור תזמון של זמני היקיצה של ההתקן
• תמיכה בפס-תדרים כפול מציעה גמישות למקרי שימוש שונים: 2.4 גיגה-הרץ (GHz) מבטיח חדירה טובה יותר דרך מכשולים, בעוד ש-GHz‏ 5‏ מספק רוחב-פס רחב יותר.
• עוצמת שידור של 18 דציבלים ביחס ל-1 מיליוואט (dBm) מספקת כיסוי אמין על פני חללים תעשייתיים גדולים.

התמיכה ב-BLE 5.4 של המודולים היא באמצעות ערוץ UART‏ במהירות גבוהה (HS-UART‏). BLE 5.4 הוא פרוטוקול המתאים היטב לסביבות תעשייתיות. הוא תומך ב-:

• Periodic Advertising with Response‏ (PAwR‏) להפחתת צריכת ההספק הודות לשימוש בחלונות שידור הנקבעים-מראש
• Periodic Advertising Sync Transfer‏ (PAST‏) כדי לפשט את ניהול הרשת הודות לאפשרות להתקנים העיקריים לשתף נתוני סינכרון
• שכבה פיזית (PHY‏) של LE‏ ב-2‏ מגה-ביט לשנייה (Mbit/s‏) לתמיכה בהעברת נתונים מהירה עם חזרה מיידית לאופן שינה תוך שיפור נוסף בנצילות הספקת-הכוח
• אופן טווח גדול LE‏ עבור תחום אמינה על-פני מרחקים גדולים יותר

המודולים תומכים בקיום-משותף Wi-Fi ו-Bluetooth עבור יישומים הדורשים את שני הפרוטוקולים.

תכן בעל אמינות גבוהה

מודולי Sona TI351 משלבים מגבר הספק (PA) משולב המגביר את עוצמת האות היוצא כדי להבטיח פעולה אמינה בסביבות תובעניות. בצד הכניסה, מגבר בעל רעש נמוך (LNA) משפר את קליטת האות על ידי הגברה של אותות חלשים תוך מזעור הפרעות רעשים. שילוב זה מבטיח חיבוריות אלחוטית יציבה גם בסביבות עם EMI ומכשולים פיזיים משמעותיים.

המודולים מתוכננים גם עבור אמינות פיזית. לגרסות SMT יש חיבורים חסונים העומדים ברעידות ומאמצים מכניים, בעוד שאפשרות האנטנה המשובצת מסירה נקודת כשל פוטנציאלית. למודולים יש גם תחום טמפרטורות פעולה של C‏°‏40‏- עד 85°C‏+.

תמיכת תוכנה מקיפה עבור מערכות הפעלה לינוקס ואנדרואיד

מודולי Sona TI351 כוללים תמיכת תוכנה מקיפה עבור מערכות הפעלה לינוקס ואנדרואיד. עבור לינוקס, חבילת התוכנה של החיבוריות נבדקה עם מספר גרסות ליבה, עם מנהלי התקנים עם נקודות-חיבור אחוריות עבור מהדורות כבר בגרסה v2.6.37‏ כדי להבטיח תאימות עם קרנלים (Kernel‏) ישנים יותר. חבילת התוכנה תומכת בסביבות גרסות תוכנה (Build‏) לינוקס מוכרות, כולל Buildroot‏, Yocto‏ ו-Ubuntu‏.

במקום לספק רק מנהלי התקנים ספציפיים-לחומרה, Ezurio מספקת חבילת תוכנת חיבוריות שלמה ובדוקה-מראש (איור 2‏). גישה זו מסייעת במניעת אי-התאמות בין רכיבים ומאיצה את אינטגרציית המערכת. חבילת התוכנה מתוחזקת ברציפות עם מקור מנהל-ההתקן ורכיבי הקרנל העדכניים ביותר כדי להבטיח ביצועים אופטימליים.

איור 2: ה-Sona TI351 מגיע עם חבילת תוכנת חיבוריות מקיפה. (מקור התמונה: Ezurio)

שיקולי אבטחה והרשאה

המודולים ממנפים את מאפייני האבטחה המתקדמים של Wi-Fi 6 ו-BLE 5.4. בצד ה-Wi-Fi הם מספקים תמיכה חסונה עבור פרוטוקולי האבטחה WPA2/3 ברמת-ארגון, כולל מנגנוני הצפנה ואימות מתקדמים.

עבור BLE מאפייני נתוני הפרסום המוצפנים מאפשרים שידור מאובטח של מידע רגיש ללא תקורה של יצירת חיבורים מתמידים, דבר שימושי במיוחד בבניית מערכות אוטומציה המשדרות נתוני סביבה או הרשאות גישה. בנוסף, מאפיין רמות האבטחה של Generic Attribute Profile‏ (GATT‏) של BLE‏ מאפשר רמות אבטחה שונות עבור סוגי נתונים שונים, תוך אופטימיזציה של האיזון בין תקורה האבטחה לבין הביצועים.

תאימות רגולטורית יכולה להוות כאב ראש משמעותי, ללא קשר באיזה פרוטוקול בוחרים המתכננים, במיוחד עבור התקנים הנשלחים ללקוחות בינלאומיים. כדי להתמודד עם השיקולים הללו, משפחת Sona TI351 מורשית לתקנים הכוללים את ה-FCC (ארה"ב), IC (קנדה), CE (אירופה), UKCA (הממלכה המאוחדת), MIC (יפן), RCM (אוסטרליה/ניו זילנד) ו-KCC (דרום קוריאה).

אפשרויות SMT ו-M.2 מעניקות גמישות הרכבה

כפי שצוין קודם לכן, משפחת Sona TI351 של Ezurio זמינה במספר תצורות כדי לעמוד בדרישות יישום ספציפיות. לדוגמה, ה-453-00200R‏ (איור 3) משתמש בגורם-צורה הקומפקטי M.2 1216 SMT בגודל 16‏ x‏ 12‏ מילימטר (מ"מ) עם אנטנת שבב משולבת. תכן זה מאפשר הרכבה אוטומטית תוך מתן חיבור מחוזק לעמידות היכול לעמוד בסביבות תעשייתיות. שילוב זה של מאפיינים הופך את המודול למתאים במיוחד עבור פריסות בנפח גדול שבהם אמינות ויעילות ייצור הם קריטיים.

איור 3: ה-Sona TI351 453-00200R הוא מודול קומפקטי בגודל 12‏ x‏ 12‏ מ"מ בגורם-צורה M.2 1216 SMT‏ עם אנטנת שבב משולבת. (מקור התמונה: Ezurio)

עבור יישומים הדורשים חיבוריות אנטנה חיצונית, ל-453-00199R‏ (איור 4) יש את אותו גורם-צורה M.2 1216‏ מחוזק לעמידות אך מציע מחבר MHF4L במקום אנטנת שבב. תצורה זו מאפשרת שימוש באנטנות חיצוניות לקבלת אות אופטימלי בסביבות RF מאתגרות, כגון מארזי מתכת או אזורים עם EMI גבוה.

איור 4: מודול Sona TI351 453-00199R הוא בעל מחבר אנטנה MHF4L. (מקור התמונה: Ezurio)

בניגוד לשתי הדוגמאות הקודמות, ה-453-00209‏ (איור 5) משתמש במחבר M.2 2230 Key E‏ עבור תצורות מערכת נתקעות. מאפיין זה מאפשר התקנה והחלפה קלה בשטח, והופך אותו לשימושי במיוחד עבור יישומי ניטור ציוד שבהם מזעור זמן ההשבתה של המערכת במהלך תחזוקה הוא חיוני.

איור 5: מודול Sona TI351 453-00209 משתמש במחבר M.2 2230 Key E עבור תצורות מערכת נתקעות. (מקור התמונה: Ezurio)

מגוון אפשרויות זה מאפשר למתכנני מערכות למטב את המימושים שלהם עבור מקרי שימוש ספציפיים תוך שמירה על אמינות וקלות אינטגרציה.

אנטנות מורשות-מראש מייעלות את תכנוני RF‏

עבור מודולים המצוידים במחבר MHF4L‏, Ezurio‏ מציעה מגוון של אפשרויות אנטנה מורשות-מראש. דוגמה אחת היא אנטנת Planar Inverted-F‏ גמישה W‏ 5‏ EFB2471A3S-10MH4L‏ (FlexPIFA‏) (איור 6‏) עם ציפוי אחורי דביק עבור התקנה קלה. אנטנה זו עבור שלושה פסי-תדר (2.4/5/6 גיגה-הרץ, עם תמיכה ב-7.125 גיגה-הרץ) שומרת על יחס גלים עומדים מתח (VSWR) נמוך של 1.6:1 ב-5.925 עד 7.125 גיגה-הרץ. יש לה הגבר של 3.9 דציבלים ביחס לאיזוטרופי (dBi) ב-GHz‏ 5‏ והיא מתאימה במיוחד עבור יישומים עולמיים שבהם הביצועים בפסי-תדר שונים הם חיוניים.

איור 6: ה-EFB2471A3S-10MH4L היא אנטנה W‏ 5‏ שלושה פסי-תדר GHz‏ 6‏/5‏/2.4‏ (מקור התמונה: Ezurio)

עבור יישומי IoT תעשייתיים (IIoT) נייחים וניטור ציוד, ה-001-0021‏ (איור 7) מציעה פתרון שני פסי-תדר GHz‏ 2.4/5‏. יש לה VSWR של <2.5:1 ב-GHz‏ 2.4‏ והגבר של dBi‏ 3‏ ב-GHz‏ 5‏.

איור 7: ה-001-0021 היא אנטנת שני פסי-תדר GHz‏ 2.4/5‏ (מקור התמונה: Ezurio)

קו מוצרי אנטנות מורשות-מראש יכול לייעל משמעותית את פיתוח המוצרים. Ezurio כבר בדקה את האנטנות לשימוש עם המודולים, והפחיתה את הסיכון לבעיות בלתי-צפויות של ביצועי RF‏. באופן רחב יותר, השילוב של גורמי הצורה של המודול ואפשרויות האנטנות מאפשרות למתכנני מערכות לייעל את המימושים שלהם תוך שמירה על קלות האינטגרציה.

ערכת פיתוח מעניקה גישה מלאה

המתכננים יכולים להשתמש בערכת הפיתוח ‎453-00200-K1‏ (איור 8‏) כדי להתחיל במהירות לפתח עם המודולים. ערכה מקיפה זו משתמשת במודול אנטנת שבב 453-00200 וכוללת מספר ממשקי תוכנה וחומרה למארח לינוקס עבור בדיקת פונקציונליות וביצועי המודול.

איור 8: ערכת הפיתוח Sona TI351 מבוססת על מודול אנטנת שבב 453-00200 ומספקת ממשקי תקשורת וחומרה למארח לינוקס. (מקור התמונה: Ezurio)

הערכה כוללת כבלים למהירות-גבוהה ונמוכה ומתאם/לוחות-בת המתחברים להתקני UART או SDIO במהירות-גבוהה. פסי-פינים, מגשרים ומתגים מובנים מקלים על הפרדת רשתות הספקת-כוח ואותות לצורך בדיקה ומדידה של צריכת ההספק במהלך פיתוח החומרה והתוכנה.

סיכום

מודולי Sona TI351 נותנים מענה לאתגרים העיקריים של חיבוריות אלחוטית בסביבות תעשייתיות הודות לאריזת יכולות אלחוט מתקדמות בתוך תכן קומפקטי וחסון. הרשאה-מראש של שני המודולים והאנטנות, אפשרויות הרכבה וגורמי צורה רבים, וערכת הפיתוח המקיפה מקצרים את זמן הפיתוח וממזערים את הסיכון.