Beschleunigte IoT-Implementierung mit Multiprotokoll-Wireless-MCU-Modulen

Moderne Entwürfe für das Internet der Dinge (IoT) erfordern heute sichere drahtlose Verbindungsoptionen, die Netzwerkeffizienz, optimale Leistung und Interoperabilität in heterogenen Betriebsumgebungen gewährleisten, zu denen Wi-Fi, Bluetooth Low Energy (BLE), Thread- und Matter-Protokolle gehören. Geeignete Lösungsplattformen müssen sich nahtlos in Sensoren und Peripheriegeräte integrieren lassen und über ein Ökosystem verfügen, das eine schnelle Entwicklung von der Evaluierung bis zum Einsatz von weltweit zertifizierten Geräten ermöglicht.

Die Erfüllung dieser Anforderungen durch kundenspezifische Lösungen, die von Grund auf neu entwickelt werden, ist nach wie vor eine Herausforderung, vor allem aufgrund der Komplexität des Hochfrequenz- (HF) und Mischsignal-Designs und der Gerätezertifizierung. Entwickler brauchen einen stärker integrierten Ansatz.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Verbindungsherausforderungen, denen sich Entwickler von drahtlosen Geräten für das IoT gegenübersehen. Anschliessend wird eine Standard-Wireless-Plattform von u-blox vorgestellt, die das moderne IoT-Design beschleunigt, indem sie die mit dem Funkaufbau, der Protokollintegration, der Sicherheitsimplementierung und der Einhaltung von Standards und Vorschriften verbundenen Verzögerungen reduziert.

Wie veränderte Anforderungen an die Vernetzung den Wechsel zu integrierten Modulen vorantreiben

Neue Anwendungen wie industrielle Steuerungssysteme, kommerzielle Gebäudeautomatisierung und Smart-Device-Ökosysteme erfordern flexible IoT-Gerätelösungen, die spezielle Anforderungen an Hardware, Software und Kommunikation erfüllen können, ohne die Sicherheit oder das Energiebudget zu beeinträchtigen. Bei einer wachsenden Zahl von Anwendungen wird erwartet, dass IoT-Geräte auch mehrere Netzwerkoptionen unterstützen. Sie müssen in der Lage sein, eine zuverlässige Kommunikation in zunehmend überfüllten HF-Umgebungen mit verschiedenen Quellen von Hochfrequenzstörungen (RFI) und elektromagnetischen Störungen (EMI) aufrechtzuerhalten.

Bei diesen Anwendungen sind verschiedene drahtlose Protokolle für die Erfüllung spezifischer Anwendungsanforderungen unerlässlich. Dualband-Wi-Fi 6 bietet eine verbesserte Servicequalität, um den Durchsatz in dichten Netzwerken aufrechtzuerhalten. BLE unterstützt den Bedarf an energiesparendem Betrieb in der Kurzstreckenkommunikation. Thread ermöglicht groß angelegte, selbstheilende IPv6-Maschennetzwerke mit Geräteauthentifizierung und AES-128-Verschlüsselung. Diese vielfältigen Netzwerkoptionen bilden die Grundlage für das Matter-Protokoll, eine IP-basierte Anwendungsschicht, die über Wi-Fi oder Thread betrieben werden kann, während sie für die Inbetriebnahme und das sichere Onboarding von Geräten auf BLE angewiesen ist.

Die gleichzeitige Erfüllung all dieser Anforderungen ist zu einer großen technischen Herausforderung geworden. Herkömmliche diskrete Funkdesigns benötigen mehrere Chipsätze, HF-Frontends und Host-Schnittstellen, was die Komplexität des Layouts, den Stromverbrauch und den Zertifizierungsaufwand erhöht. Jede hinzugefügte Schnittstelle wird zu einem potenziellen Fehlerpunkt bei Konformitätsprüfungen oder beim Betrieb mit mehreren Protokollen. Da die Entwicklungszeitpläne immer kürzer und die Erwartungen der Behörden immer höher werden, gehen immer mehr Teams dazu über, eigenständige Wireless-MCU-Module einzusetzen, die Funk-Subsysteme, Verarbeitungsressourcen und integrierte Sicherheit in einer einzigen, vorqualifizierten Komponente vereinen.

Die MCU-Module der Serie IRIS-W10 von u-blox bieten eine integrierte Lösung, die auf die neuen Herausforderungen des modernen IoT-Designs zugeschnitten ist. Durch die Berücksichtigung der Multiprotokoll-Koexistenz, der Netzwerkeffizienz und des Schutzes von Code und Daten auf Modulebene bietet die Serie IRIS-W10 Ingenieuren eine zuverlässige Grundlage für die Entwicklung von vernetzten Geräten, die mit weniger Unbekannten vom Prototyp zur Zertifizierung und zum Einsatz gelangen können.

Wie die Modularchitektur von IRIS-W10 neue Anforderungen erfüllt

Die Serie IRIS-W10 ist ein komplettes System für die drahtlose Kommunikation (Abbildung 1), das Hochleistungsprozessoren, Multiband-Funk-Subsysteme, XIP-Flash-Speicher (eXecute-In-Place) und hardwarebasierte Sicherheit zu einer in sich geschlossenen Plattform für die Entwicklung fortschrittlicher IoT-Produkte vereint.

Abbildung 1: Die Serie IRIS-W10 ist in einem kompakten, weltweit zertifizierten Modul untergebracht und kombiniert eine Hochleistungs-MCU mit Multiband-Funkkomponenten, Flash-Speicher, hardwarebasierter Sicherheit und einer internen Antenne (hier gezeigt) oder einem HF-Signalausgang für eine externe Antenne. (Bildquelle: u-blox)

Basierend auf den Wireless-MCUs RW612 und RW610 von NXP, die einen Arm®-Cortex®-M33-Kern und ein Multi-Radio-Subsystem integrieren, kombinieren die IRIS-W10-Module eine leistungsstarke Verarbeitung mit mehreren Netzwerkoptionen, einschließlich Dual-Band Wi-Fi 6 (IEEE 802.11 a/b/g/n/ac/ax), BLE 5.4 und Matter over Wi-Fi. Varianten, die auf der MCU RW612 aufbauen, unterstützen zusätzlich IEEE 802.15.4, Thread und Matter over Thread.

Die beiden Familien der Serie IRIS-W10 erfüllen unterschiedliche Integrationsanforderungen: Die Module IRIS-W106 integrieren eine Leiterplattenantenne, während die Module IRIS-W101 das HF-Signal für Installationen mit externen Antennenkonfigurationen bereitstellen. Innerhalb jeder Familie unterstützen bestimmte Mitglieder unterschiedliche Speicher- und Verbindungsanforderungen wie folgt:

• RW610-basierte Module (IRIS-W106-30B und IRIS-W101-30B) enthalten 8 Megabyte (MByte) Flash-Speicher
• RW612-basierte Module bieten 8 MByte (IRIS-W106-00B und IRIS-W101-00B) oder 16 MByte (IRIS-W106-10B und IRIS-W101-10B) Flash-Speicher sowie IEEE 802.15.4-basierte Vernetzung, wie oben erwähnt.

Die konsistente Architektur dieser Module ermöglicht es Entwicklern, ihre bestehenden Designs einfacher zu skalieren und neue Anforderungen zu erfüllen. Jedes dieser Module kann als eigenständiger Host (Abbildung 2a) in Designs mit minimalem Stromverbrauch und Platzbedarf oder als Begleitprozessor für einen separaten Host (Abbildung 2b) in Designs mit komplexeren Funktionsanforderungen eingesetzt werden.

Abbildung 2: Die Module IRIS-W10 erfüllen eine breite Palette von Anwendungsanforderungen, von solchen, die einen eigenständigen Prozessor benötigen (a), um Stromverbrauch und Platzbedarf zu minimieren, bis hin zu solchen, die das Modul als Begleitprozessor für einen Host für zusätzliche Funktionen benötigen (b). (Bildquelle: u-blox)

Mit ihren vielfältigen Anschlussmöglichkeiten trägt die Serie dazu bei, eine zuverlässige Kommunikation in überlasteten HF-Umgebungen sicherzustellen. Die Verwendung von OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) und TWT (Target Wake Time) in Wi-Fi 6 verbessert die Kanaleffizienz in diesen Umgebungen, während das adaptive Frequenzsprungverfahren (AFH) von BLE Störungen minimiert. Die Unterstützung von IEEE 802.15.4 erweitert die Netzwerkoptionen auf Thread-Netzwerke für Low-Power-Mesh- und Matter-Interoperabilität. Da die verschiedenen HF-Technologien nie gleichzeitig aktiv sind, teilen sich die Funkgeräte der Module eine einzige HF-Kette und arbeiten sequenziell, wobei ein interner HF-Switch den Funkverkehr an die gemeinsame Antenne oder den HF-Ausgang weiterleitet.

Während die Verfügbarkeit mehrerer Netzwerkprotokolle für eine wachsende Zahl von IoT-Anwendungen unerlässlich geworden ist, erfordern diese Anwendungen zunehmend die Fähigkeit, die Sicherheit von Kommunikationstransaktionen innerhalb einer vertrauenswürdigen Betriebsumgebung zu gewährleisten. Um diese Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, verfügen die Module der Serie IRIS-W10 über eine Hardware-Vertrauensbasis (Root of Trust). Die Anwendungssicherheit beginnt mit dem sicheren Booten von validierten nichtflüchtigen Speichern oder USB-Quellen unter Verwendung eines sicheren Bootloaders, der im eingebetteten Festwertspeicher (ROM) der MCU gespeichert ist. Die Grundlage für die Anwendungssicherheit bildet eine vertrauenswürdige Ausführungsumgebung, die auf Arm-TrustZone-M basiert.

Zu den zusätzlichen Sicherheitsmerkmalen gehören die kritischen Elemente, die in jeder Sicherheitskette erforderlich sind, wie eine kryptografische Hardware-Engine, ein verschlüsselter Flash-Speicher und geschützte Debug-Schnittstellen, die die Authentizität der Firmware und die Betriebsdaten schützen. Auf der Anwendungsebene ermöglichen diese Sicherheitsfunktionen die WPA2/WPA3-Authentifizierung, Wi-Fi Enterprise Security, TLS-Verschlüsselung (Transport Layer Security), HTTPS und BLE Secure Connection Pairing. Zusammen bilden diese Mechanismen eine sichere Grundlage für die Integrität der Firmware und den Schutz der Kommunikation. Mit ihren eng integrierten Schutzfunktionen verbessern diese Module die Cybersicherheit von Anwendungen, ohne dass zusätzliche, separate Sicherheitskomponenten erforderlich sind.

Durch die Integration von Hochleistungsverarbeitung, Multiprotokoll-Funk und hardwarebasierter Sicherheit in einem weltweit zertifizierten Paket hilft die Serie IRIS-W10 Entwicklern, die kombinierten Anforderungen an Durchsatz, Interoperabilität und Einhaltung von Vorschriften zu erfüllen. Für die Implementierung moderner IoT-Geräte bietet diese integrierte Architektur eine robuste technische Grundlage für die schnelle Entwicklung kundenspezifischer IoT-Anwendungen unter Verwendung eines umfassenden Satzes an Evaluierungskits (EVKs) und Entwicklungswerkzeugen von u-blox.

Beschleunigung der Entwicklung moderner IoT-Designs

Die EVKs und die zugehörigen Software-Ressourcen von u-blox wurden als Ergänzung zur Hardware der Serie IRIS-W10 entwickelt und ermöglichen Entwicklern einen effizienten Übergang von der Evaluierung zum Anwendungsdesign. Diese Ressourcen helfen Entwicklern, die Leistung von Modulen zu untersuchen, das Funkverhalten zu überprüfen und benutzerdefinierte Geräte zu erstellen.

Für die anfängliche Evaluierung und das Prototyping ermöglicht das Evaluierungstool USB-IRIS-W1 von u-blox den Entwicklern eine schnelle Erkundung der Fähigkeiten des Moduls IRIS-W10. Dieses Kit enthält ein Modul IRIS-W106, grundlegende Bedienelemente für die Benutzeroberfläche (UI) und mehrere Schnittstellen auf einer Platine mit kleinem Formfaktor und einem USB-Typ-A-Anschluss (Abbildung 3). Auf dem USB-IRIS-W1 ist eine Wi-Fi-Befehlszeilenanwendung (CLI) vorinstalliert, so dass Entwickler das Modul einfach an einen USB-Port ihrer Workstation anschließen und sofort mit der Evaluierung der Wi-Fi-Funktionen des Moduls beginnen können.

Abbildung 3: Das kompakte USB-Typ-A-Board USB-IRIS-W1 ist um ein vorgeflashtes IRIS-W106-Modul herum aufgebaut und wurde entwickelt, um einen schnellen Start für die Evaluierung der Fähigkeiten des Moduls durch mehrere Schnittstellen, grundlegende UI-Steuerungen und Testpunkte zu ermöglichen. (Bildquelle: u-blox)

Während das USB-IRIS-W1-Kit ein Schnellstart-Tool für die Inbetriebnahme des Moduls und die CLI-Evaluierung bietet, stellt das Evaluierungskit EVK-IRIS-W1 von u-blox (Abbildung 4) eine umfassendere, eigenständige Plattform für die Evaluierung jedes Moduls, das Sammeln von Erfahrungen mit seinen Funktionen und die Erweiterung seiner Möglichkeiten dar. Dieses Kit enthält das Board EVK-IRIS-W106 mit dem Modul IRIS-W106-10B oder das Board EVK-IRIS-W101 mit dem Modul IRIS-W101-10B. Das Kit enthält neben dem jeweiligen Board einen RJ45-Ethernet-Anschluss, ein USB-Kabel und eine Antenne mit U.FL-Anschluss (nur für EVK-IRIS-101).

Jedes Board verfügt über mehrere Modulschnittstellen, darunter UART-, SPI-, I²C- und USB-Anschlüsse. Darüber hinaus bietet das Board LEDs, grundlegende UI-Steuerungen, Strommessleisten, einen 10-poligen Debug-Anschluss und vier mikroBUS-Anschlüsse (MikroElektronika), um die Möglichkeiten des Boards zu erweitern.

Abbildung 4: Das Evaluationskit EVK-IRIS-W1 bietet eine umfassende Hardware-Plattform für die Entwicklung, die die Schnittstellen des Moduls IRIS-W10 für die Anwendungsentwicklung, die Leistungsanalyse und die Funktionserweiterung zugänglich macht. (Bildquelle: u-blox)

Entwickler können das Board schnell in Betrieb nehmen, indem sie es über einen der vier 5V_DC-Eingänge mit Strom versorgen, einschließlich:

• den USB-Port des IRIS-W10, der von einem USB-Peripheriegerät bereitgestellt wird
• den Debug/UART-Port
• den USB-Port von MCU-LINK
• die Stromversorgungssteckleiste

Das EVK-IRIS-W106 und das EVK-IRIS-W101 werden jeweils mit einem vorinstallierten Demo-Image geliefert, das eine sofortige Bewertung von Wi-Fi 6 und BLE nach dem Einschalten ermöglicht. Die Modul-Firmware ermöglicht es Ingenieuren, über die serielle Konsole den Durchsatz und die Latenz zu messen, den Stromverbrauch zu bewerten und die Konfigurationsregister zu überprüfen. Mithilfe der Strommess-Steckleiste der EVKs können Entwickler die Stromaufnahme während verschiedener Kommunikationszustände quantifizieren, um Kompromisse bei der Energieleistung in Designs zu validieren, die Anforderungen an niedrigen Stromverbrauch oder Batteriebetrieb erfüllen müssen.

Mehrere Software-Ressourcen vereinfachen die Anwendungsentwicklung

Für die Entwicklung kundenspezifischer Anwendungen folgt die Serie IRIS-W10 einem offenen CPU-Betriebsmodell, das u-blox mit seinem Open-CPU-Repository mit Open-Source-Referenzcode unterstützt, der für den Betrieb auf den EVKs entwickelt wurde. In diesem Betriebsmodell steht der Modulprozessor für die Ausführung kundenspezifischer Anwendungen zur Verfügung, die mit dem Software Development Kit (SDK) MCUXpresso von NXP oder Zephyr erstellt wurden. Die Entwicklung erfolgt mit gängigen integrierten Entwicklungsumgebungen (IDEs) und Toolchains, darunter die MCUXpresso-IDE von NXP, die GNU Compiler Collection (GCC) oder die Embedded Workbench von IAR.

Das SDK von NXP bietet einen umfassenden Satz von Bibliotheken, Connectivity Stacks, Support Utilities und Referenzcode für die Entwicklung von Anwendungen auf Basis von NXP-MCUs. In einer Laufzeitumgebung trägt die modulare Architektur des SDK dazu bei, hardwareabhängige Schichten und Treiber von der übergeordneten Anwendungslogik zu isolieren.

Durch den Verweis auf den Beispielcode im Open-CPU-Code-Repository und SDK können Entwickler schnell die benutzerdefinierte Firmware implementieren, die zur Unterstützung der speziellen Anforderungen ihrer IoT-Anwendung erforderlich ist. Zum Laden der eigenen Firmware unterstützen die Evaluierungskits EVK-IRIS-W1 und USB-IRIS-W1 das Flashen der Firmware über einen externen Debugger. Darüber hinaus unterstützt das Board-Kit EVK-IRIS-W1 Firmware-Updates über seinen Onboard-Debugger, während das USB-IRIS-W1 Firmware-Updates über den UART-Port unter Verwendung der MCU-Bootloader-Host-Anwendung von NXP unterstützt. Für laufende Tests und Debugging unterstützen beide Kits standardmäßige JTAG- und SWD-Schnittstellen über Onboard-Ports.

Da alle Hardware-, Software- und Zertifizierungskomponenten über alle Modulvarianten hinweg konsistent bleiben, sind keine größeren Designänderungen erforderlich, um ein bestehendes Design zu skalieren und zusätzliche Speicher oder Kommunikationsprotokolle zu unterstützen. Wenn die Entwürfe fertig sind, verwenden die Entwickler dieselben IRIS-W10-Module und dieselbe Entwicklungsumgebung für den Übergang zur Produktion. Und schließlich vereinfacht die globale Zertifizierung aller IRIS-W10-Module die Integration der Endprodukte und die regulatorische Dokumentation in den Zielregionen.

Durch die Kombination von weltweit zertifizierter Hardware, einem vielseitigen SDK und gut dokumentiertem Referenzcode ermöglicht das Ökosystem der Serie IRIS-W10 von u-blox eine schnellere Bereitstellung von sicheren Multiprotokoll-IoT-Geräten.

Fazit

Die wachsende Nachfrage nach sicherer Multiprotokoll-Vernetzung in IoT-Geräten stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar, wenn es darum geht, einen niedrigen Stromverbrauch, eine robuste Wireless-Leistung und eine globale Zertifizierung innerhalb enger Entwicklungszeitpläne zu erreichen. Die Serie IRIS-W10 von u-blox kombiniert eingebettete Verarbeitung, Multiradio-Vernetzung und integrierte Sicherheit in einer weltweit zertifizierten Modulplattform. Mit Hardware-Evaluierungskits und Software-Ressourcen, die für die IRIS-W10-Module optimiert sind, können Entwickler sichere, interoperable IoT-Systeme schnell und effizient evaluieren, prototypisieren und einsetzen. Da sich die drahtlosen Multiprotokoll-Ökosysteme weiter ausbreiten, bietet die IRIS-W10-Serie eine skalierbare Grundlage, die sich an neue Standards und Anwendungsanforderungen anpassen lässt.