Simplifique a integração industrial sem fios utilizando módulos Wi-Fi 6 pré-certificados com Bluetooth LE

Com o surgimento da Internet das Coisas (IoT), a conetividade sem fios tornou-se um requisito fundamental para aplicações industriais que vão desde o monitoramento de equipamentos e o rastreamento de ativos até à automatização predial. Os projetistas que pretendem implementar esta conetividade enfrentam vários desafios, incluindo a integração de chipsets sem fios, antenas, componentes de software, certificação global, segurança e confiabilidade em ambientes severos.

Esses desafios podem ser superados optando por módulos Wi-Fi 6 robustos e pré-certificados com Bluetooth Low Energy (BLE) 5.4 que oferecem os recursos necessários e simplificam a integração.

Este artigo aborda os desafios da conetividade sem fios para os projetistas de sistemas industriais e apresenta exemplos de módulos Ezurio Wi-Fi 6 pré-certificados com BLE 5.4. Também aborda as antenas pré-certificadas e um kit de desenvolvimento associado.

Principais desafios nas comunicações industriais sem fios

Os ambientes industriais contêm um número cada vez maior de pontos de extremidade que precisam compartilhar dados de alta velocidade, e as redes sem fios são frequentemente o único meio prático de comunicar esses dados.

Isto pode levar ao congestionamento da rede para tecnologias sem fios mais antigas, com problemas de latência e perda de pacotes que afetam a eficiência operacional. Uma tecnologia de comunicações desatualizada pode também deixar as redes vulneráveis a ciberataques.

As tecnologias modernas, como o Wi-Fi 6 e o BLE 5.4, podem resolver estes problemas, mas o seu desenvolvimento e integração requerem uma forte especialização em RF, especialmente em dispositivos com limitações de espaço e aplicações de modernização. Além disso, muitas soluções sem fios exigem etapas de montagem manual, o que atrasa a produção e aumenta os custos.

A confiabilidade é outra preocupação. Muitos ambientes industriais apresentam interferências eletromagnéticas (EMI) significativas, temperaturas extremas, vibrações e choques. Finalmente, várias aplicações exigem baixo consumo de energia para prolongar a vida útil da bateria e, ao mesmo tempo, garantir a conformidade com as normas globais.

Uma solução robusta: módulos Wi-Fi 6 com Bluetooth LE 5.4

Os módulos Sona TI351 da Ezurio respondem aos desafios da conetividade industrial sem fios, combinando Wi-Fi e BLE em invólucros robustos e pré-certificados (Figura 1). Construídos com base no CI SimpleLink CC3351 Wi-Fi e BLE da Texas Instruments, estes módulos estão disponíveis em variantes de tecnologia de montagem em superfície (SMT) e conectáveis, com a possibilidade de escolha entre uma antena de chip embutida ou um conector de antena.

Figura 1: O Sona TI351 é uma família de módulos compactos e pré-certificados Wi-Fi 6 e BLE 5.4 em variantes SMT e conectáveis com antenas embutidas ou conectores de antena. (Fonte da imagem: Ezurio)

Todos os módulos suportam Wi-Fi 6 (802.11ax) através de uma interface SDIO 2.0 com transferência de dados a alta velocidade e deteção e correção de erros incorporadas. O Wi-Fi 6 oferece várias funcionalidades que suportam um desempenho confiável em redes industriais congestionadas:

• O acesso múltiplo por divisão de frequência ortogonal (OFDMA) permite a transmissão simultânea de vários dispositivos IoT no mesmo canal, aumentando a eficiência em implementações densas.
• O TWT (tempo pretendido para despertar) optimiza a duração da bateria, permitindo um agendamento preciso dos tempos de despertar do dispositivo.
• O suporte de banda dupla oferece flexibilidade para diferentes casos de uso: 2,4 gigahertz (GHz) garante uma melhor penetração nos obstáculos, enquanto 5 GHz proporciona uma maior largura de banda.
• Uma potência de transmissão de 18 decibéis referenciada a 1 miliwatt (dBm) proporciona uma cobertura confiável em grandes espaços industriais.

O suporte BLE 5.4 dos módulos é efetuado através de um canal dedicado UART de alta velocidade (HS-UART). O BLE 5.4 é um protocolo que se adapta bem a ambientes industriais. Suporta:

• Publicidade periódica com resposta (PAwR) para reduzir o consumo de energia através da utilização de janelas de transmissão pré-determinadas
• Transferência periódica de sincronização de publicidade (PAST) para simplificar o gerenciamento da rede, permitindo que os dispositivos principais compartilhem dados de sincronização
• Camada física (PHY) LE de 2 megabits por segundo (Mbit/s) para suportar a transmissão rápida de dados com um retorno rápido ao modo de suspensão, melhorando ainda mais a eficiência energética
• Modo de longo alcance LE para uma comunicação confiável a longas distâncias

Os módulos suportam a coexistência de Wi-Fi e Bluetooth para aplicações que exigem ambos os protocolos.

Um design de alta confiabilidade

Os módulos Sona TI351 incorporam um amplificador de potência (PA) integrado que aumenta a intensidade do sinal de saída para garantir um funcionamento confiável em ambientes exigentes. No lado de entrada, um amplificador de baixo ruído (LNA) melhora a recepção do sinal, amplificando os sinais fracos e minimizando a interferência do ruído. Esta combinação assegura uma conetividade sem fios estável, mesmo em ambientes com EMI significativa e obstáculos físicos.

Os módulos também são projetados para oferecer confiabilidade física. As versões SMT têm conexões robustas que toleram vibrações e tensões mecânicas, enquanto a opção de antena embutida remove um ponto potencial de falha. Os módulos também têm uma faixa de temperatura operacional de -40°C a 85°C.

Suporte abrangente de software para sistemas operacionais Linux e Android

Os módulos Sona TI351 incluem suporte abrangente de software para os sistemas operacionais Linux e Android. Para o Linux, a pilha de conetividade foi testada em várias versões do kernel, com drivers retroadaptados para versões anteriores à v2.6.37 a fim de garantir a compatibilidade com kernels mais antigos. A pilha suporta ambientes de compilação familiares, incluindo Buildroot, Yocto e Ubuntu.

Em vez de fornecer apenas os drivers específicos de hardware, a Ezurio fornece uma pilha de conetividade completa e pré-testada (Figura 2). Esta abordagem ajuda a evitar incompatibilidades entre componentes e acelera a integração do sistema. A pilha é continuamente mantida com a fonte de driver e os componentes do kernel mais recentes para garantir um desempenho ideal.

Figura 2: O Sona TI351 é fornecido com um conjunto abrangente de software de conetividade. (Fonte da imagem: Ezurio)

Preocupações de segurança e certificação

Os módulos aproveitam os recursos avançados de segurança do Wi-Fi 6 e do BLE 5.4. No lado do Wi-Fi, fornecem suporte robusto para protocolos de segurança WPA2/3 de grau corporativo, incluindo mecanismos avançados de criptografia e autenticação.

Para o BLE, o recurso de dados publicitários criptografados permite a transmissão segura de informações confidenciais sem a sobrecarga de estabelecer conexões contínuas, o que é particularmente útil em sistemas de automação predial que transmitem dados ambientais ou credenciais de acesso. Além disso, a caraterística dos níveis de segurança do perfil de atributo genérico BLE (GATT) permite diferentes níveis de segurança para vários tipos de dados, optimizando o equilíbrio entre a sobrecarga de segurança e o desempenho.

A conformidade regulamentar pode ser uma dor de cabeça significativa, independentemente do protocolo que os projetistas escolham, especialmente para dispositivos enviados internacionalmente. Para responder a estas preocupações, a família Sona TI351 está certificada segundo normas que incluem a FCC (EUA), IC (Canadá), CE (Europa), UKCA (Reino Unido), MIC (Japão), RCM (Austrália/Nova Zelândia) e KCC (Coreia do Sul).

As opções SMT e M.2 proporcionam flexibilidade de montagem

Tal como referido anteriormente, a família Sona TI351 da Ezurio está disponível em várias configurações para satisfazer requisitos de aplicações específicas. Por exemplo, o 453-00200R (Figura 3) utiliza o fator de forma compacto M.2 1216 SMT de 12 x 16 milímetros (mm) com uma antena de chip integrada. Este design permite a montagem automatizada, ao mesmo tempo que proporciona uma conexão robusta que pode resistir a ambientes industriais. Esta combinação de caraterísticas torna o módulo particularmente adequado para implementações de grande escala em que a confiabilidade e a eficiência de fabricação são fundamentais.

Figura 3: O Sona TI351 453-00200R é um módulo compacto de 12 x 12 mm num fator de forma M.2 1216 SMT com uma antena de chip integrada. (Fonte da imagem: Ezurio)

Para aplicações que exigem conectividade de antena externa, o 453-00199R (Figura 4) tem o mesmo fator de forma robusto M.2 1216, mas oferece um conector MHF4L em vez de uma antena de chip. Esta configuração permite a utilização de antenas externas para uma ótima recepção do sinal em ambientes de RF difíceis, tais como gabinetes metálicos ou áreas com elevada EMI.

Figura 4: O módulo Sona TI351 453-00199R possui um conector de antena MHF4L. (Fonte da imagem: Ezurio)

Ao contrário dos dois exemplos anteriores, o 453-00209 (Figura 5) utiliza um conector M.2 2230 Key E para configurações de sistema conectáveis. Esta caraterística permite uma fácil instalação e substituição em campo, tornando-o particularmente útil para aplicações de monitoramento de equipamentos em que é crucial minimizar a paralisação do sistema durante a manutenção.

Figura 5: O módulo Sona TI351 453-00209 utiliza um conector M.2 2230 Key E para configurações de sistema conectáveis. (Fonte da imagem: Ezurio)

Esta gama de opções permite que os projetistas de sistemas otimizem as suas implementações para casos de uso específico, mantendo a confiabilidade e a facilidade de integração.

Antenas pré-certificadas simplificam o design de RF

Para os módulos equipados com o conector MHF4L, a Ezurio oferece uma gama de opções de antenas pré-certificadas. Um exemplo é a antena flexível Planar Inverted-F (FlexPIFA) de 5 W EFB2471A3S-10MH4L (Figura 6) com forro adesivo para facilitar a integração. Esta antena de banda tripla (2,4/5/6 GHz, com suporte para 7,125 GHz) mantém um baixa relação média de ondas estacionárias de tensão (VSWR ou ROE em português) de 1,6:1 em 5,925 a 7,125 GHz. Tem um ganho de 3,9 decibéis em relação ao isotrópico (dBi) a 5 GHz e é particularmente adequada para aplicações globais em que o desempenho em diferentes bandas de frequência é essencial.

Figura 6: A EFB2471A3S-10MH4L é uma antena de banda tripla de 2,4/5/6 GHz de 5 W. (Fonte da imagem: Ezurio)

Para aplicações estacionárias de IoT Industrial (IIoT) e de monitoramento de equipamentos, a 001-0021 (Figura 7) oferece uma solução de banda dupla de 2,4/5 GHz. Tem uma VSWR de <2,5:1 a 2,4 GHz e um ganho de 3 dBi a 5 GHz.

Figura 7: A 001-0021 é uma antena de banda dupla de 2,4/5 GHz. (Fonte da imagem: Ezurio)

A linha de antenas pré-certificadas pode simplificar significativamente o desenvolvimento de produtos. A Ezurio já testou as antenas para utilização com os módulos, reduzindo o risco de problemas inesperados de desempenho de RF. Em termos mais gerais, a combinação dos fatores de forma dos módulos e das opções de antena permite que os projetistas de sistemas otimizem as suas implementações, mantendo a facilidade de integração.

O kit de desenvolvimento fornece acesso total

Os projetistas podem utilizar o kit de desenvolvimento 453-00200-K1 (Figura 8) para começar rapidamente a usar os módulos. Este kit completo utiliza um módulo de antena de chip 453-00200 e inclui várias interfaces de software e hardware para um hospedeiro Linux a fim de testar a funcionalidade e o desempenho do módulo.

Figura 8: O kit de desenvolvimento Sona TI351 é baseado num módulo de antena de chip 453-00200 e fornece interfaces de comunicação e hardware para um hospedeiro Linux. (Fonte da imagem: Ezurio)

O kit inclui cabos de alta e baixa velocidade e placas adaptadoras/filhas que se conectam a dispositivos UART ou SDIO de alta velocidade. As barras de pinos, jumpers e interruptores na placa facilitam a separação das redes de alimentação e de sinal para testar e medir o consumo de energia durante o desenvolvimento de hardware e software.

Conclusão

Os módulos Sona TI351 respondem aos principais desafios de conetividade sem fios em ambientes industriais, reunindo capacidades sem fios avançadas num design compacto e robusto. A pré-certificação de módulos e antenas, as múltiplas opções de montagem e fatores de forma e um kit de desenvolvimento abrangente minimizam o tempo e o risco de desenvolvimento.