Einfachere industrielle Integration drahtloser Vernetzung durch vorzertifizierte Wi-Fi-6-Module mit Bluetooth LE

Mit dem Aufkommen des Internets der Dinge (Internet of Things, IoT) ist die drahtlose Vernetzung zu einer grundlegenden Anforderung für industrielle Anwendungen geworden, die von der Geräteüberwachung und Anlagenverfolgung bis zur Gebäudeautomatisierung reichen. Entwickler, die diese Vernetzung implementieren wollen, sehen sich mit zahlreichen Herausforderungen konfrontiert, darunter die Integration von Wireless-Chipsätzen, Antennen, Softwarekomponenten, globale Zertifizierung, Sicherheit und Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen.

Diese Herausforderungen können durch die Entscheidung für robuste, vorzertifizierte Wi-Fi-6-Module mit Bluetooth Low Energy (BLE) 5.4 überwunden werden, die die erforderlichen Funktionen bieten und gleichzeitig die Integration vereinfachen.

In diesem Artikel werden die Herausforderungen der drahtlosen Vernetzung für Entwickler von Industriesystemen erörtert und Beispiele für vorzertifizierte Wi-Fi-6-Module von Ezurio mit BLE 5.4 vorgestellt. Außerdem werden vorzertifizierte Antennen und ein entsprechendes Entwicklungskit vorgestellt.

Die wichtigsten Herausforderungen in der industriellen drahtlosen Kommunikation

In industriellen Umgebungen gibt es eine ständig wachsende Anzahl von Endpunkten, die Hochgeschwindigkeitsdaten austauschen müssen, und drahtlose Netzwerke sind oft die einzige praktische Möglichkeit, diese Daten zu übertragen.

Dies kann bei älteren Drahtlostechnologien zu Netzüberlastungen führen, wobei Latenzprobleme und Paketverluste die betriebliche Effizienz beeinträchtigen. Veraltete Kommunikationstechnologie kann Netze auch anfällig für Cyberangriffe machen.

Moderne Technologien wie Wi-Fi 6 und BLE 5.4 können diese Probleme lösen, aber ihre Entwicklung und Integration erfordert ein hohes Maß an HF-Know-how, insbesondere bei Geräten mit begrenztem Platzangebot und Nachrüstungsanwendungen. Außerdem erfordern viele drahtlose Lösungen manuelle Montageschritte, was die Produktion verlangsamt und die Kosten erhöht.

Ein weiteres Problem ist die Verlässlichkeit. Viele industrielle Umgebungen zeichnen sich durch erhebliche elektromagnetische Störungen (EMI), extreme Temperaturen, Vibrationen und Stöße aus. Schließlich erfordern zahlreiche Anwendungen einen niedrigen Stromverbrauch, um die Lebensdauer der Batterien zu verlängern und gleichzeitig die Einhaltung globaler Normen zu gewährleisten.

Eine robuste Lösung: Wi-Fi-6-Module mit Bluetooth LE 5.4

Die Module Sona TI351 von Ezurio stellen sich den Herausforderungen der industriellen drahtlosen Vernetzung, indem sie Wi-Fi und BLE in robusten, vorzertifizierten Gehäusen kombinieren (Abbildung 1). Die Module basieren auf dem Wi-Fi- und BLE-Begleit-IC SimpleLink CC3351 von Texas Instruments und sind in SMT- und steckbaren Varianten erhältlich, wobei zwischen einer integrierten Chip-Antenne und einem Antennenanschluss gewählt werden kann.

Abbildung 1: Das Sona TI351 ist ein kompaktes, vorzertifiziertes Wi-Fi-6- und BLE-5.4-Modul in SMT- und steckbaren Varianten mit integrierten Antennen oder Antennenanschlüssen. (Bildquelle: Ezurio)

Alle Module unterstützen Wi-Fi 6 (802.11ax) über eine SDIO-2.0-Schnittstelle mit Highspeed-Datenübertragung und integrierter Fehlererkennung und -korrektur. Wi-Fi 6 bietet mehrere Funktionen, die eine zuverlässige Performance in überlasteten industriellen Netzwerken unterstützen:

• Orthogonaler Frequenzmultiplex-Vielfachzugriff (OFDMA) ermöglicht die gleichzeitige Übertragung von mehreren IoT-Geräten auf demselben Kanal, was die Effizienz in dichten Bereitstellungen erhöht.
• Target Wake Time (TWT) optimiert die Batterielebensdauer, indem es eine präzise Planung der Aufwachzeiten des Geräts ermöglicht.
• Die Dual-Band-Unterstützung bietet Flexibilität für verschiedene Anwendungsfälle: 2,4 Gigahertz (GHz) gewährleistet eine bessere Durchdringung von Hindernissen, während 5 GHz eine höhere Bandbreite bietet.
• Eine Sendeleistung von 18 Dezibel, bezogen auf 1 Milliwatt (dBm), sorgt für eine zuverlässige Abdeckung großer Industrieflächen.

Die BLE-5.4-Unterstützung der Module erfolgt über einen speziellen Highspeed-UART-Kanal (HS-UART). BLE 5.4 ist ein Protokoll, das sich gut für industrielle Umgebungen eignet. Es unterstützt:

• Periodic Advertising with Response (PAwR) zur Senkung des Stromverbrauchs durch die Verwendung vorgegebener Sendefenster
• Periodic Advertising Sync Transfer (PAST) zur Vereinfachung der Netzwerkverwaltung, indem Primärgeräte Synchronisationsdaten gemeinsam nutzen können
• LE 2 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) Physical Layer (PHY) zur Unterstützung einer schnellen Datenübertragung mit schneller Rückkehr in den Ruhezustand, was die Energieeffizienz weiter verbessert
• LE Long Range Modus für zuverlässige Kommunikation über größere Entfernungen

Die Module unterstützen die Koexistenz von Wi-Fi und Bluetooth für Anwendungen, die beide Protokolle erfordern.

Hochzuverlässiges Design

Die Sona-TI351-Module verfügen über einen integrierten Leistungsverstärker (PA), der die Stärke des Ausgangssignals erhöht, um einen zuverlässigen Betrieb in anspruchsvollen Umgebungen zu gewährleisten. Auf der Eingangsseite verbessert ein rauscharmer Verstärker (LNA) den Signalempfang, indem er schwache Signale verstärkt und gleichzeitig Rauschstörungen minimiert. Diese Kombination gewährleistet eine stabile drahtlose Verbindung selbst in Umgebungen mit erheblichen EMI und physischen Hindernissen.

Die Module sind außerdem auf physische Zuverlässigkeit ausgelegt. Die SMT-Versionen verfügen über robuste Verbindungen, die Vibrationen und mechanischen Belastungen standhalten, während die eingebettete Antennenoption einen potenziellen Fehlerpunkt beseitigt. Beide besitzen einen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +85 °C.

Umfassende Softwareunterstützung für Linux- und Android-Betriebssysteme

Die Sona-TI351-Module bieten umfassende Softwareunterstützung für die Betriebssysteme Linux und Android. Für Linux wurde der Netzwerk-Stack über mehrere Kernel-Versionen hinweg getestet, mit rückportierten Treibern für Versionen ab v2.6.37, um die Kompatibilität mit älteren Kernels sicherzustellen. Der Stack unterstützt bekannte Build-Umgebungen, darunter Buildroot, Yocto und Ubuntu.

Anstatt nur die hardwarespezifischen Treiber bereitzustellen, liefert Ezurio einen kompletten, vorab getesteten Netzwerk-Stack (Abbildung 2). Dieser Ansatz hilft, Inkompatibilitäten zwischen Komponenten zu vermeiden und die Systemintegration zu beschleunigen. Der Stack wird laufend mit den neuesten Treiberquellen und Kernelkomponenten gepflegt, um eine optimale Performance zu gewährleisten.

Abbildung 2: Der Sona TI351 wird mit einem umfassenden Softwarepaket für die Vernetzung geliefert. (Bildquelle: Ezurio)

Bedenken hinsichtlich Sicherheit und Zertifizierung

Die Module nutzen die erweiterten Sicherheitsfunktionen von Wi-Fi 6 und BLE 5.4. Auf der Wi-Fi-Seite bieten sie robuste Unterstützung für WPA2/3-Sicherheitsprotokolle in Unternehmensqualität, einschließlich fortschrittlicher Verschlüsselungs- und Authentifizierungsmechanismen.

Bei BLE ermöglicht die Funktion Encrypted Advertising Data die sichere Übertragung sensibler Informationen ohne den Overhead eines kontinuierlichen Verbindungsaufbaus, was insbesondere bei Gebäudeautomationssystemen zur Übertragung von Umgebungsdaten oder Zugangsberechtigungen nützlich ist. Darüber hinaus ermöglicht das BLE Generic Attribute Profile (GATT) Security Levels Characteristic unterschiedliche Sicherheitsstufen für verschiedene Datentypen, wodurch das Gleichgewicht zwischen Sicherheitsaufwand und Leistung optimiert wird.

Unabhängig davon, für welches Protokoll sich die Entwickler entscheiden, kann die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften ein großes Problem darstellen, insbesondere bei Geräten, die international versandt werden. Um diese Bedenken zu zerstreuen, ist die Sona-TI351-Familie nach folgenden Normen zertifiziert: FCC (USA), IC (Kanada), CE (Europa), UKCA (Großbritannien), MIC (Japan), RCM (Australien/Neuseeland) und KCC (Südkorea).

SMT- und M.2-Optionen bieten Flexibilität bei der Montage

Wie bereits erwähnt, ist die Ezurio-Familie Sona TI351 in verschiedenen Konfigurationen erhältlich, um spezifische Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Der 453-00200R (Abbildung 3) beispielsweise verwendet den kompakten M.2-1216-SMT-Formfaktor von 12 x 16 Millimeter (mm) mit einer integrierten Chip-Antenne. Dieses Design ermöglicht eine automatisierte Montage und bietet gleichzeitig eine robuste Verbindung, die industriellen Umgebungen standhalten kann. Durch diese Kombination von Merkmalen eignet sich das Modul besonders gut für den Einsatz in hohen Stückzahlen, wo Zuverlässigkeit und Fertigungseffizienz entscheidend sind.

Abbildung 3: Das Sona TI351 453-00200R ist ein kompaktes 12 x 12 mm großes Modul in einem M.2-1216-SMT-Formfaktor mit integrierter Chip-Antenne. (Bildquelle: Ezurio)

Für Anwendungen, die den Anschluss einer externen Antenne erfordern, hat der 453-00199R (Abbildung 4) den gleichen robusten M.2-1216-Formfaktor, bietet aber einen MHF4L-Anschluss anstelle einer Chip-Antenne. Diese Konfiguration ermöglicht die Verwendung externer Antennen für einen optimalen Signalempfang in schwierigen HF-Umgebungen, z. B. in Metallgehäusen oder Bereichen mit hoher EMI.

Abbildung 4: Das Sona-Modul TI351 453-00199R verfügt über einen MHF4L-Antennenanschluss. (Bildquelle: Ezurio)

Im Gegensatz zu den beiden vorherigen Beispielen verwendet das 453-00209 (Abbildung 5) einen M.2-2230-Key-E-Anschluss für steckbare Systemkonfigurationen. Diese Funktion ermöglicht eine einfache Installation und einen einfachen Austausch vor Ort und ist damit besonders nützlich für Anwendungen zur Geräteüberwachung, bei denen eine Minimierung der Systemausfallzeit während der Wartung entscheidend ist.

Abbildung 5: Das Sona-Modul TI351 453-00209 verwendet einen M.2-2230-Key-E-Anschluss für steckbare Systemkonfigurationen. (Bildquelle: Ezurio)

Diese Bandbreite an Optionen ermöglicht es Systementwicklern, ihre Implementierungen für bestimmte Anwendungsfälle zu optimieren und gleichzeitig die Zuverlässigkeit und einfache Integration zu gewährleisten.

Vorzertifizierte Antennen optimieren HF-Design

Für Module, die mit dem MHF4L-Anschluss ausgestattet sind, bietet Ezurio eine Reihe von vorzertifizierten Antennenoptionen. Ein Beispiel dafür ist die flexible 5W-Planar-Inverted-F-Antenne (FlexPIFA) EFB2471A3S-10MH4L (Abbildung 6) mit selbstklebender Rückseite für eine einfache Integration. Diese Dreibandantenne (2,4/5/6 GHz, mit Unterstützung für 7,125 GHz) weist ein niedriges durchschnittliches Stehwellenverhältnis (VSWR) von 1,6:1 bei 5,925 bis 7,125 GHz auf. Es hat eine Verstärkung von 3,9 Dezibel relativ zur Isotropie (dBi) bei 5 GHz und eignet sich besonders gut für globale Anwendungen, bei denen die Leistung über verschiedene Frequenzbänder hinweg wichtig ist.

Abbildung 6: Die EFB2471A3S-10MH4L ist eine Dreibandantenne für 2,4/5/6 GHz und 5 W. (Bildquelle: Ezurio)

Für stationäre industrielle IoT- (IIoT) und Geräteüberwachungsanwendungen bietet das 001-0021 (Abbildung 7) eine Dualband-Lösung mit 2,4/5 GHz. Es hat ein VSWR von <2,5:1 bei 2,4 GHz und eine Verstärkung von 3 dBi bei 5 GHz.

Abbildung 7: Die 001-0021 ist eine Dualbandantenne für 2,4/5 GHz. (Bildquelle: Ezurio)

Die Palette der vorzertifizierten Antennen kann die Produktentwicklung erheblich optimieren. Ezurio hat die Antennen für die Verwendung mit den Modulen bereits getestet, wodurch das Risiko unerwarteter HF-Performanceprobleme verringert wird. Generell ermöglicht die Kombination von Modulformfaktoren und Antennenauswahl den Systementwicklern, ihre Implementierungen zu optimieren und gleichzeitig eine einfache Integration zu gewährleisten.

Entwicklungskit bietet vollen Zugang

Entwickler können das Entwicklungskit 453-00200-K1 (Abbildung 8) verwenden, um schnell mit den Modulen arbeiten zu können. Dieses umfassende Kit verwendet ein Chip-Antennenmodul 453-00200 und verfügt über mehrere Software- und Hardware-Schnittstellen zu einem Linux-Host, um die Funktionalität und Performance des Moduls zu testen.

Abbildung 8: Das Sona-TI351-Entwicklungskit basiert auf einem Chip-Antennenmodul 453-00200 und bietet Kommunikations- und Hardware-Schnittstellen zu einem Linux-Host. (Bildquelle: Ezurio)

Das Kit enthält Highspeed- und Lowspeed-Kabel sowie Adapter/Tochterkarten für den Anschluss an UART- oder Highspeed-SDIO-Geräte. On-Board-Steckleisten, Jumper und Schalter erleichtern die Trennung von Strom- und Signalnetzen zum Testen und Messen des Stromverbrauchs während der Hardware- und Softwareentwicklung.

Fazit

Die Sona-TI351-Module erfüllen die wichtigsten Anforderungen an die drahtlose Vernetzung in industriellen Umgebungen, indem sie fortschrittliche drahtlose Funktionen in ein kompaktes, robustes Design integrieren. Die Vorzertifizierung von Modulen und Antennen, mehrere Montageoptionen und Formfaktoren sowie ein umfassendes Entwicklungskit minimieren die Entwicklungszeit und das Risiko.