Use módulos sem fio multiprotocolo para simplificar o projeto e a certificação de produtos IoT

A conectividade sem fio permite que os projetistas transformem produtos burros em elementos inteligentes e integrados da Internet das Coisas (IoT), que podem enviar dados para a nuvem para análise baseada em inteligência artificial (IA) e, ao mesmo tempo, permitir que os dispositivos recebam instruções OTA (over-the-air ou por via aérea), atualizações de firmware e aprimoramentos de segurança.

Mas adicionar um link sem fio a um produto não é algo trivial. Antes mesmo de iniciar a fase de projeto, os projetistas precisam escolher um protocolo sem fio, o que pode ser assustador. Por exemplo, vários padrões sem fio operam no popular espectro de 2,4 gigahertz (GHz) sem licença. Cada um desses padrões representa um compromisso em termos de alcance, taxa de transferência e consumo de energia. A seleção da melhor opção para um determinada aplicação requer uma avaliação cuidadosa de seus requisitos em relação às características de um protocolo.

Então, mesmo com transceptores modernos altamente integrados, projetar o circuito de radiofrequência (RF) é um desafio para muitas equipes de projeto, o que leva a atrasos nos custos e no cronograma. Além disso, um produto de RF precisará ser certificado para operação, o que, por si só, pode ser um processo complexo e demorado.

Uma solução é basear o projeto em um módulo certificado que usa um SoC (system-on-chip ou sistema sobre chip) multiprotocolo. Isso elimina a complexidade do projeto de RF com componentes discretos e permite flexibilidade na escolha do protocolo sem fio. Essa abordagem de módulo apresenta aos projetistas uma solução sem fio intercambiável, o que facilita muito a integração da conectividade sem fio aos produtos e a aprovação da certificação.

Este artigo considera os benefícios da conectividade sem fio, examina os pontos fortes de alguns dos principais protocolos sem fio de 2,4 GHz, analisa brevemente os problemas de projeto de hardware e apresenta um módulo de RF adequado da Würth Elektronik. O artigo também discute o processo de certificação necessário para atender às regulamentações globais, considera o desenvolvimento do software da aplicação e apresenta um kit de desenvolvimento de software (SDK) para ajudar os projetistas a começar a usar o módulo.

As vantagens dos transceptores multiprotocolo

Nenhum setor sem fio de curto alcance domina, pois cada um faz concessões para satisfazer suas aplicações de destino. Por exemplo, um maior alcance e/ou taxa de transferência tem o custo de um maior consumo de energia. Outros fatores importantes a serem considerados são a imunidade à interferência, o recurso de rede em malha e a interoperabilidade do protocolo de Internet (IP).

Entre as várias tecnologias sem fio de curto alcance estabelecidas, há três líderes nítidos: Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE), Zigbee e Thread. Eles têm algumas semelhanças devido a um DNA compartilhado da especificação IEEE 802.15.4. Essa especificação descreve as camadas físicas (PHY) e de controle de acesso à mídia (MAC) para redes de área pessoal sem fio (WPANs) de baixa taxa de dados. As tecnologias geralmente operam em 2,4 GHz, embora existam algumas variantes de Zigbee abaixo de GHz.

O Bluetooth LE é adequado para aplicações de IoT, como sensores domésticos inteligentes, em que as taxas de transmissão de dados são modestas e ocorrem raramente (Figura 1). A interoperabilidade do Bluetooth LE com os chips Bluetooth hospedados na maioria dos smartphones também é uma grande vantagem para aplicações voltadas ao consumidor, como as aplicações vestíveis. As principais desvantagens da tecnologia são a necessidade de um gateway caro e que consome muita energia para se conectar à nuvem e os recursos desajeitados da malha de rede.

Figura 1: O Bluetooth LE é bem adequado para sensores domésticos inteligentes, como câmeras e termostatos. Sua interoperabilidade com smartphones simplifica a configuração de produtos compatíveis. (Fonte da imagem: Nordic Semiconductor)

O Zigbee também é uma boa opção para aplicações de baixa potência e baixa taxa de transferência em automação industrial, comercial e doméstica. Sua taxa de transferência é menor que a do Bluetooth LE, enquanto seu alcance e consumo de energia são semelhantes. O Zigbee não é interoperável com smartphones, nem oferece recurso de IP nativo. Uma das principais vantagens do Zigbee é o fato de ele ter sido projetado desde o início para malhas de rede.

O Thread, como o Zigbee, opera usando a PHY e MAC IEEE 802.15.4 e foi projetado para suportar grandes malhas de rede de até 250 dispositivos. A diferença entre o Thread e o Zigbee é o uso do 6LoWPAN (uma combinação de IPv6 e WPANs de baixa potência), o que facilita a conectividade com outros dispositivos e com a nuvem, embora por meio de um dispositivo de borda de rede chamado roteador de borda. (Consulte "Um breve guia sobre o que é importante nas tecnologias sem fio de curto alcance").

Embora os protocolos baseados em padrões sejam dominantes, ainda há um nicho para protocolos proprietários de 2,4 GHz. Apesar de limitarem a conectividade com outros dispositivos equipados com o chip do mesmo fabricante, esses protocolos podem ser sintonizados com precisão para otimizar o consumo de energia, o alcance, a imunidade a interferências ou outros parâmetros operacionais importantes. Uma PHY e MAC IEEE 802.15.4 é perfeitamente capaz de suportar a tecnologia sem fio proprietária de 2,4 GHz.

A popularidade desses três protocolos de curto alcance e a flexibilidade oferecida pela tecnologia proprietária de 2,4 GHz dificultam a escolha do protocolo certo para atender ao mais amplo conjunto de aplicações. Anteriormente, um projetista tinha que escolher uma tecnologia sem fio e, em seguida, redesenhar o produto se houvesse uma demanda por uma variante que usasse um protocolo diferente. Porém, como os protocolos usam PHYs baseadas em uma arquitetura semelhante e operam no espectro de 2,4 GHz, muitos fornecedores de silício oferecem transceptores multiprotocolo.

Esses chips permitem que um único projeto de hardware seja reconfigurado para vários protocolos simplesmente com o carregamento de um novo software. Melhor ainda, o produto poderia ser fornecido com várias pilhas de software, com a alternância entre elas supervisionada por uma unidade microcontroladora (MCU). Isso pode permitir, por exemplo, que o Bluetooth LE seja usado para configurar um termostato doméstico inteligente a partir de um smartphone, antes que o dispositivo troque de protocolo para ingressar em uma rede Thread.

O SoC nRF52840 da Nordic Semiconductor é compatível com Bluetooth LE, malha Bluetooth, Thread, Zigbee, IEEE 802.15.4, ANT+ e pilhas proprietárias de 2,4 GHz. O SoC da Nordic também integra uma MCU Arm® Cortex®-M4, que cuida do protocolo de RF e do software aplicativo, além de 1 megabyte (Mbyte) de memória flash e 256 quilobytes (Kbytes) de RAM. Quando executado no modo Bluetooth LE, o SoC oferece uma taxa de transferência máxima de dados brutos de 2 megabits por segundo (Mbits/s). O consumo de corrente de transmissão de sua fonte de entrada CC de 3 volts é de 5,3 miliamperes (mA) a 0 decibéis com referência a 1 miliwatt (dBm) de potência de saída, e o consumo de corrente de recepção (RX) é de 6,4 mA a uma taxa de dados brutos de 1 Mbit/s. A potência máxima de transmissão do nRF52840 é de +8 dBm e sua sensibilidade é de -96 dBm (Bluetooth LE a 1 Mbit/s).

A importância de um bom projeto de RF

Embora os SoCs sem fio, como o nRF52840 da Nordic, sejam dispositivos muito capazes, eles ainda exigem uma habilidade considerável de projeto para maximizar seu desempenho de RF. Em particular, o engenheiro precisa considerar fatores como filtragem da fonte de alimentação, circuitos de temporização com cristais externos, projeto e posicionamento da antena e, principalmente, o casamento de impedância.

O principal parâmetro que diferencia um bom circuito de RF de um ruim é sua impedância (Z). Em altas frequências, como a de 2,4 GHz usada por um rádio de curto alcance, a impedância em um determinado ponto de uma trilha de RF está relacionada à impedância característica dessa trilha, que, por sua vez, depende do substrato da placa de circuito impresso (PCI), das dimensões da trilha, de sua distância da carga e da impedância da carga.

Acontece que quando a impedância da carga — que para um sistema de transmissão será a antena e para um sistema de recepção será o SoC transceptor — é igual à impedância característica, a impedância medida permanece a mesma em qualquer distância ao longo da trilha da carga. Como resultado, as perdas de linha são minimizadas e a potência máxima é transferida do transmissor para a antena, aumentando assim a robustez e o alcance. Isso faz com que seja uma boa prática de projeto construir uma rede de casamento que garanta que a impedância de um dispositivo de RF seja igual à impedância característica da trilha da placa de circuito impresso. (Consulte "SoCs e ferramentas compatíveis com Bluetooth 4.1, 4.2 e 5 de baixo consumo de energia atendem aos desafios da IoT (Parte 2)").

A rede de casamento compreende um ou mais indutores shunt e capacitores em série. O desafio do projetista é escolher a melhor topologia de rede e os melhores valores de componentes. Os fabricantes geralmente oferecem software de simulação para ajudar no projeto do circuito de casamento, mas, mesmo depois de seguir boas regras de projeto, o circuito resultante pode apresentar um desempenho de RF decepcionante, com falta de alcance e confiabilidade. Isso leva a mais iterações de projeto para revisar a rede de casamento (Figura 2).

Figura 2: O nRF52840 Nordic requer circuitos externos para explorar sua funcionalidade. Os circuitos externos incluem filtragem da tensão de entrada, suporte para temporização de cristal externo e, conectados ao pino da antena (ANT) do SoC, circuitos de casamento de impedância entre o SoC e uma antena. (Fonte da imagem: Nordic Semiconductor)

As vantagens de um módulo

Há algumas vantagens em projetar um circuito sem fio de curto alcance usando componentes discretos, principalmente os custos mais baixos da lista de materiais (BoM) e a economia de espaço. No entanto, mesmo que o projetista siga um dos muitos excelentes projetos de referência dos fornecedores de SoC, outros fatores — como a qualidade e as tolerâncias dos componentes, o layout da placa e as características do substrato e o empacotamento do dispositivo final — podem afetar drasticamente o desempenho de RF.

Uma abordagem alternativa é basear a conectividade sem fio em um módulo de terceiros. Os módulos são soluções totalmente montadas, otimizadas e testadas que permitem a conectividade sem fio "intercambiável". Na maioria dos casos, o módulo já estará certificado para uso em mercados globais, poupando ao projetista o tempo e o dinheiro necessários para passar pela certificação de regulamentação de RF.

Há algumas desvantagens no uso do módulo. Entre eles, estão o aumento das despesas (dependendo do volume), o tamanho maior do produto final, a dependência de um único fornecedor e sua capacidade de envio em volume e (às vezes) um número reduzido de pinos acessíveis em relação ao SoC no qual o módulo se baseia. Mas se a simplicidade do projeto e o tempo de colocação no mercado mais rápido superam essas desvantagens, então um módulo é a resposta.

Um exemplo que usa o nRF52840 Nordic em seu coração é o módulo de rádio de 2,4 GHz Setebos-I 2611011024020 da Würth Elektronik. O módulo compacto mede 12 × 8 × 2 milímetros (mm), tem uma antena integrada, uma cobertura para minimizar a interferência eletromagnética (EMI) e vem com firmware compatível com Bluetooth 5.1 e protocolos proprietários de 2,4 GHz (Figura 3). Conforme descrito acima, o SoC no coração do módulo também é capaz de suportar Thread e Zigbee — com a adição do firmware apropriado.

Figura 3: O módulo de rádio de 2,4 GHz Setebos-I é fornecido em um fator de forma compacto, tem uma antena integrada e vem com uma cobertura para limitar a EMI. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

O módulo aceita uma entrada de 1,8 a 3,6 volts e, quando está no modo de suspensão, consome apenas 0,4 microamperes (µA). Sua frequência de operação abrange a banda Industrial, Científica e Médica (ISM, sigla em inglês), que está centrada em 2,44 GHz (2,402 a 2,480 GHz). Em condições ideais, com potência de saída de 0 dBm, o alcance da linha de visão entre o transmissor e o receptor é de até 600 metros (m), e a taxa de transferência máxima do Bluetooth LE é de 2 Mbits/s. O módulo possui uma antena integrada de um quarto de comprimento de onda (3,13 centímetros (cm)), mas também é possível aumentar o alcance conectando uma antena externa ao terminal ANT mencionado anteriormente no módulo (Figura 4).

Figura 4: O módulo de rádio de 2,4 GHz Setebos-I inclui um pino para uma antena externa (ANT) para ampliar o alcance do rádio. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

O módulo de rádio Setebos-I fornece acesso aos pinos do SoC nRF52840 por meio de pads de solda. A Tabela 1 lista a função de cada pino do módulo. Os pinos "B2" a "B6" são GPIOs programáveis que são úteis para conectar sensores, como dispositivos de temperatura, umidade e qualidade do ar.

Tabela 1: São mostradas as designações dos pinos do módulo de rádio de 2,4 GHz Setebos-I. As saídas de LED podem ser usadas para indicar transmissão e recepção de rádio. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

Certificação de produtos sem fio de curto alcance

Embora a banda de 2,4 GHz seja uma alocação de espectro sem licença, os dispositivos de rádio que operam na banda ainda precisam atender às regulamentações locais, como as ditadas pela FCC (Federal Communications Commission) dos EUA, pela CE (European Declaration of Conformity) ou pelo TELEC (Telecom Engineering Center) do Japão. A aprovação nos regulamentos exige o envio de um produto para testes e certificação, o que pode ser demorado e caro. Se o produto de RF for reprovado em qualquer parte do teste, deverá ser feito um envio completamente novo. Se o módulo for usado no modo Bluetooth, ele também precisará de um registro de Bluetooth do Bluetooth Special Interest Group (SIG).

A certificação para o módulo não confere automaticamente a certificação para o produto final que usa o módulo. No entanto, isso normalmente transforma a certificação de produtos finais em um exercício burocrático, em vez de uma extensa tarefa de reteste — desde que eles não usem dispositivos sem fio adicionais, como Wi-Fi. O mesmo ocorre geralmente ao obter o registro de Bluetooth. Uma vez certificados, os produtos que usam o módulo têm uma etiqueta indicando os números ID da FCC, CE e outros números de identificação relevantes (Figura 5).

Figura 5: Exemplo de uma etiqueta ID anexada ao módulo Setebos-I para mostrar que ele foi aprovado na certificação de RF da CE e da FCC. Em geral, a certificação pode ser herdada pelo produto final sem a necessidade de novos testes por meio de uma simples documentação. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

Os fabricantes de módulos geralmente se esforçam para obter certificação de RF (e registro de Bluetooth, se apropriado) para seus módulos nas regiões em que pretendem vender os produtos. A Würth Elektronik fez isso para o módulo de rádio Setebos-I, embora ele deva ser usado com o firmware de fábrica. No caso da operação Bluetooth, o módulo é pré-certificado, desde que seja usado com a pilha de fábrica S140 Bluetooth LE da Nordic ou com uma pilha fornecida por meio do kit de desenvolvimento de software nRF Connect SDK da empresa.

O firmware da Würth e da Nordic é robusto e comprovado para qualquer aplicação. Mas se o projetista decidir reprogramar o módulo com uma pilha Bluetooth LE de padrão aberto ou proprietária de 2,4 GHz, ou com uma pilha de um fornecedor comercial alternativo, ele precisará iniciar os programas de certificação do zero para as regiões de operação pretendidas.

Ferramentas de desenvolvimento para o módulo de rádio Setebos-I

Para desenvolvedores avançados, o nRF Connect SDK da Nordic oferece uma ferramenta de design abrangente para a criação do software da aplicação para o SoC nRF52840. A extensão nRF Connect for VS Code é o ambiente de desenvolvimento integrado (IDE) recomendado para executar o nRF Connect SDK. Também é possível usar o nRF Connect SDK para carregar um protocolo alternativo de Bluetooth LE ou proprietário de 2,4 GHz no nRF52840. (Consulte os comentários acima sobre o impacto que isso tem na certificação do módulo).

O nRF Connect SDK funciona com o kit de desenvolvimento nRF52840 DK (Figura 6). O hardware apresenta o SoC nRF52840 e oferece suporte ao desenvolvimento e teste de código de protótipo. Quando o software da aplicação estiver pronto, o nRF52840 DK pode atuar como um gravador de memória J-LINK para carregar o código na memória flash do nRF52840 do módulo de rádio Setebos-I por meio dos pinos "SWDCLK" e "SWDIO" do módulo.

Figura 6: O nRF52840 DK da Nordic pode ser usado para desenvolver e testar software da aplicação. O kit de desenvolvimento pode então ser usado para programar outros SoCs nRF52840, como o usado no módulo Setebos-I. (Fonte da imagem: Nordic Semiconductor)

O software da aplicação criado com as ferramentas de desenvolvimento da Nordic foi projetado para ser executado na MCU Arm Cortex-M4 integrada do nRF52840. Mas pode ser que o produto final já esteja equipado com outra MCU, e o desenvolvedor queira usá-la para executar o código da aplicação e supervisionar a conectividade sem fio. Ou o desenvolvedor pode estar mais familiarizado com as ferramentas de desenvolvimento de outros microprocessadores host populares, como o STM32F429ZIY6TR da STMicroelectronics. Esse processador também é baseado em um núcleo Arm Cortex-M4.

Para permitir que um microprocessador host externo execute o software da aplicação e supervisione o SoC nRF52840, a Würth Elektronik oferece seu Wireless Connectivity SDK. O SDK é um conjunto de ferramentas de software que permite a rápida integração de software dos módulos sem fio da empresa com muitos processadores populares, incluindo o chip STM32F429ZIY6TR. O SDK consiste em drivers e exemplos em C que usam os periféricos UART, SPI ou USB da plataforma subjacente para se comunicar com o dispositivo de rádio conectado (Figura 7). O desenvolvedor simplesmente porta o código C do SDK para o processador host. Isso reduz significativamente o tempo necessário para projetar uma interface de software para o módulo de rádio.

Figura 7: O driver Wireless Connectivity SDK facilita para os desenvolvedores acionar o módulo de rádio Setebos-I por meio de uma porta UART usando um microprocessador host externo. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

O módulo de rádio Setebos-I usa uma "interface de comando" para tarefas de configuração e operação. Essa interface fornece até 30 comandos que realizam tarefas como atualizar várias configurações do dispositivo, transmitir e receber dados e colocar o módulo em um dos vários modos de baixo consumo de energia. O dispositivo de rádio conectado deve ser executado no modo de comando para usar o Wireless Connectivity SDK.

Conclusão

Pode ser complicado decidir sobre um único protocolo sem fio para um produto conectado, e ainda mais desafiador projetar o circuito de rádio do zero. Um módulo de rádio, como o Setebos-I da Würth Elektronik, não apenas oferece flexibilidade na escolha do protocolo, mas também oferece uma solução de conectividade intercambiável que atende aos requisitos regulamentares de várias regiões operacionais. O módulo Setebos-1 vem com o Wireless Connectivity SDK da Würth, o que torna simples e rápido para os desenvolvedores controlar o módulo usando sua própria escolha de MCU host.