ลดความซับซ้อนของการบูรณาการระบบไร้สายในอุตสาหกรรมโดยใช้โมดูล Wi-Fi 6 ที่ผ่านการรับรองล่วงหน้าพร้อมบูลทูธ LE

ด้วยการเพิ่มขึ้นของอินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT) การเชื่อมต่อแบบไร้สายได้กลายเป็นความต้องการพื้นฐานสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม ตั้งแต่การตรวจสอบอุปกรณ์และการติดตามทรัพย์สินไปจนถึงระบบอัตโนมัติในอาคาร นักออกแบบที่ต้องการนำการเชื่อมต่อนี้ไปใช้งานต้องเผชิญกับความท้าทายมากมาย เช่น การรวมชิปเซ็ตไร้สาย เสาอากาศ ส่วนประกอบซอฟต์แวร์ การรับรองระดับโลก ความปลอดภัย และความน่าเชื่อถือในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

คุณสามารถเอาชนะความท้าทายเหล่านี้ได้โดยเลือกใช้โมดูล Wi-Fi 6 ที่ทนทานและผ่านการรับรองล่วงหน้าพร้อมด้วย Bluetooth Low Energy (BLE) 5.4 ที่ให้คุณสมบัติที่จำเป็นพร้อมทั้งลดความซับซ้อนในการบูรณาการ

บทความนี้กล่าวถึงความท้าทายด้านการเชื่อมต่อไร้สายสำหรับนักออกแบบระบบอุตสาหกรรม และแนะนำตัวอย่างโมดูล Ezurio Wi-Fi 6 ที่ผ่านการรับรองล่วงหน้าพร้อม BLE 5.4 นอกจากนี้ยังมีการหารือเกี่ยวกับเสาอากาศที่ได้รับการรับรองล่วงหน้าและชุดพัฒนาที่เกี่ยวข้อง

ความท้าทายที่สำคัญในการสื่อสารไร้สายในอุตสาหกรรม

สภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมประกอบด้วยจำนวนจุดสิ้นสุดที่เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ ที่ต้องการแบ่งปันข้อมูลความเร็วสูง และเครือข่ายไร้สายมักเป็นวิธีเดียวที่ใช้งานได้จริงในการสื่อสารข้อมูลนี้

สิ่งนี้อาจนำไปสู่ความแออัดของเครือข่ายสำหรับเทคโนโลยีไร้สายรุ่นเก่า โดยมีปัญหาด้านความหน่วงและการสูญเสียแพ็กเก็ตซึ่งจะส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการทำงาน เทคโนโลยีการสื่อสารที่ล้าสมัยยังทำให้เครือข่ายเสี่ยงต่อการโจมตีทางไซเบอร์ได้อีกด้วย

เทคโนโลยีสมัยใหม่ เช่น Wi-Fi 6 และ BLE 5.4 สามารถแก้ไขปัญหาเหล่านี้ได้ แต่การพัฒนาและบูรณาการต้องใช้ความเชี่ยวชาญด้าน RF ที่แข็งแกร่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุปกรณ์ที่มีพื้นที่จำกัดและการใช้งานแบบปรับปรุงแก้ไข นอกจากนี้ โซลูชันไร้สายจำนวนมากยังต้องมีขั้นตอนการประกอบด้วยมือ ซึ่งทำให้การผลิตช้าลงและเพิ่มต้นทุน

ความน่าเชื่อถือก็เป็นอีกเรื่องที่ต้องกังวล สภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมหลายแห่งมีสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ที่รุนแรง อุณหภูมิที่รุนแรง และแรงสั่นสะเทือนและแรงกระแทก ในที่สุด แอปพลิเคชั่นจำนวนมากต้องการการใช้พลังงานต่ำเพื่อยืดอายุแบตเตอรี่ในขณะที่ยังให้เป็นไปตามมาตรฐานสากล

โซลูชันที่แข็งแกร่ง: โมดูล Wi-Fi 6 พร้อม Bluetooth LE 5.4

โมดูล Sona TI351 ของ Ezurio แก้ไขปัญหาการเชื่อมต่อไร้สายในอุตสาหกรรมด้วยการรวม Wi-Fi และ BLE ไว้ในแพ็คเกจที่ผ่านการรับรองล่วงหน้าที่แข็งแกร่ง (รูปที่ 1) โมดูลเหล่านี้สร้างขึ้นโดยใช้ชิป Wi-Fi ของ Texas Instruments SimpleLink CC3351 และ IC เสริม BLE โดยมีให้เลือกใช้ทั้งแบบเทคโนโลยีติดตั้งบนพื้นผิว (SMT) และแบบปลั๊กอิน โดยสามารถเลือกใช้เสาอากาศชิปในตัวหรือขั้วต่อเสาอากาศได้

รูปที่ 1: Sona TI351 คือกลุ่มผลิตภัณฑ์โมดูล Wi-Fi 6 และ BLE 5.4 ขนาดกะทัดรัดที่ผ่านการรับรองล่วงหน้าแล้วในรุ่น SMT และแบบปลั๊กอินพร้อมเสาอากาศในตัวหรือขั้วต่อเสาอากาศ (แหล่งที่มาของภาพ: Ezurio)

โมดูลทั้งหมดรองรับ Wi-Fi 6 (802.11ax) ผ่านทางอินเทอร์เฟซ SDIO 2.0 ที่มีการถ่ายโอนข้อมูลความเร็วสูงและการตรวจจับและแก้ไขข้อผิดพลาดในตัว Wi-Fi 6 มีคุณสมบัติหลายประการที่รองรับประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ในเครือข่ายอุตสาหกรรมที่มีการใช้งานหนาแน่น:

• การแบ่งความถี่หลายช่องทางแบบมุมฉาก (OFDMA) ช่วยให้ส่งข้อมูลพร้อมกันได้จากอุปกรณ์ IoT หลายเครื่องในช่องสัญญาณเดียวกัน ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้งานแบบหนาแน่น
• Target Wake Time (TWT) ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพอายุการใช้งานแบตเตอรี่ด้วยการกำหนดเวลาปลุกอุปกรณ์ได้อย่างแม่นยำ
• การรองรับแบบดูอัลแบนด์ช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นให้กับกรณีการใช้งานที่หลากหลาย: 2.4 กิกะเฮิรตซ์ (GHz) ช่วยให้สามารถทะลุผ่านสิ่งกีดขวางได้ดีขึ้น ในขณะที่ 5GHz จะให้แบนด์วิดท์ที่สูงกว่า
• กำลังส่งสัญญาณ 18 เดซิเบลที่อ้างอิงถึง 1 มิลลิวัตต์ (dBm) ช่วยให้ครอบคลุมพื้นที่อุตสาหกรรมขนาดใหญ่ได้อย่างน่าเชื่อถือ

การรองรับ BLE 5.4 ของโมดูลนั้นผ่านช่องสัญญาณ UART ความเร็วสูงเฉพาะ (HS-UART) BLE 5.4 เป็นโปรโตคอลที่เหมาะกับสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม รองรับ:

• การโฆษณาเป็นระยะพร้อมการตอบสนอง (PAwR) เพื่อลดการใช้พลังงานโดยใช้หน้าต่างการส่งสัญญาณที่กำหนดไว้ล่วงหน้า
• การถ่ายโอนการซิงโครไนซ์โฆษณาเป็นระยะ (PAST) เพื่อลดความซับซ้อนในการจัดการเครือข่ายโดยเปิดใช้งานอุปกรณ์หลักเพื่อแบ่งปันข้อมูลการซิงโครไนซ์
• ชั้นกายภาพ LE 2 เมกะบิตต่อวินาที (Mbit/s) (PHY) เพื่อรองรับการส่งข้อมูลที่รวดเร็วพร้อมกลับเข้าสู่โหมดสลีปอย่างรวดเร็ว ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานให้ดียิ่งขึ้น
• โหมด LE Long Range สำหรับการสื่อสารที่เชื่อถือได้ในระยะทางที่ขยายออกไป

โมดูลรองรับการใช้งานร่วมกันของ Wi-Fi และบลูทูธสำหรับแอปพลิเคชั่นที่ต้องการทั้งสองโปรโตคอล

การออกแบบที่มีความน่าเชื่อถือสูง

โมดูล Sona TI351 ประกอบด้วยเครื่องขยายสัญญาณกำลังรวม (PA) ที่ช่วยเพิ่มความแรงของสัญญาณขาออกเพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่เชื่อถือได้ในสภาพแวดล้อมที่ต้องการความแม่นยำสูง ที่ด้านขาเข้า เครื่องขยายสัญญาณรบกวนต่ำ (LNA) ช่วยเพิ่มการรับสัญญาณโดยขยายสัญญาณที่อ่อนพร้อมลดสัญญาณรบกวนให้เหลือน้อยที่สุด การรวมกันนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าการเชื่อมต่อไร้สายจะเสถียรแม้ในสภาพแวดล้อมที่มี EMI และสิ่งกีดขวางทางกายภาพที่สำคัญ

โมดูลเหล่านี้ยังได้รับการออกแบบเพื่อความน่าเชื่อถือทางกายภาพอีกด้วย เวอร์ชัน SMT มีการเชื่อมต่อที่แข็งแรงทนทานต่อการสั่นสะเทือนและแรงกดดันทางกล ในขณะที่ตัวเลือกเสาอากาศแบบฝังจะขจัดจุดที่อาจเกิดความล้มเหลวได้ นอกจากนี้ โมดูลยังมีช่วงอุณหภูมิในการทำงานตั้งแต่ -40°C ถึง 85°C

รองรับซอฟต์แวร์ที่ครอบคลุมสำหรับระบบปฏิบัติการ Linux และ Android

โมดูล Sona TI351 รองรับซอฟต์แวร์ที่ครอบคลุมสำหรับระบบปฏิบัติการ Linux และ Android สำหรับ Linux สแต็กการเชื่อมต่อได้รับการทดสอบแล้วในเคอร์เนลหลายเวอร์ชัน โดยมีไดรเวอร์แบบย้อนพอร์ตสำหรับรุ่นตั้งแต่ v2.6.37 เพื่อให้แน่ใจว่าเข้ากันได้กับเคอร์เนลรุ่นเก่า สแต็กรองรับสภาพแวดล้อมการสร้างที่คุ้นเคย รวมถึง Buildroot, Yocto และ Ubuntu

แทนที่จะให้เพียงไดร์เวอร์เฉพาะฮาร์ดแวร์ Ezurio ยังมอบสแต็กการเชื่อมต่อที่ผ่านการทดสอบล่วงหน้ามาครบถ้วน (รูปที่ 2) แนวทางนี้ช่วยป้องกันความไม่เข้ากันระหว่างส่วนประกอบและเร่งการรวมระบบ สแต็กได้รับการบำรุงรักษาอย่างต่อเนื่องด้วยแหล่งไดรเวอร์และส่วนประกอบเคอร์เนลล่าสุดเพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพที่เหมาะสมที่สุด

รูปที่ 2: Sona TI351 มาพร้อมกับซอฟต์แวร์การเชื่อมต่อที่ครอบคลุม (แหล่งที่มาของภาพ: Ezurio)

ความกังวลเกี่ยวกับความปลอดภัยและการรับรอง

โมดูลใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติความปลอดภัยขั้นสูงของ Wi-Fi 6 และ BLE 5.4 ทางด้าน Wi-Fi นั้น พวกเขาให้การสนับสนุนที่แข็งแกร่งสำหรับโปรโตคอลความปลอดภัย WPA2/3 ระดับองค์กร รวมถึงกลไกการเข้ารหัสและการตรวจสอบสิทธิ์ขั้นสูง

สำหรับ BLE คุณลักษณะข้อมูลการโฆษณาที่เข้ารหัสจะช่วยให้สามารถเผยแพร่ข้อมูลที่ละเอียดอ่อนได้อย่างปลอดภัยโดยไม่ต้องสร้างการเชื่อมต่อต่อเนื่อง ซึ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งในระบบอัตโนมัติของอาคารที่ส่งข้อมูลด้านสิ่งแวดล้อมหรือข้อมูลรับรองการเข้าถึง นอกจากนี้ คุณสมบัติระดับความปลอดภัย BLE Generic Attribute Profile (GATT) ยังอนุญาตให้มีระดับความปลอดภัยที่แตกต่างกันสำหรับประเภทข้อมูลต่างๆ ช่วยปรับสมดุลระหว่างค่าใช้จ่ายด้านความปลอดภัยและประสิทธิภาพการทำงานให้เหมาะสม

การปฏิบัติตามข้อกำหนดอาจเป็นเรื่องปวดหัวอย่างมากไม่ว่านักออกแบบโปรโตคอลจะเลือกใดก็ตาม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์ที่จัดส่งระหว่างประเทศ เพื่อแก้ไขข้อกังวลเหล่านี้ ตระกูล Sona TI351 ได้รับการรับรองมาตรฐานต่างๆ เช่น FCC (สหรัฐอเมริกา), IC (แคนาดา), CE (ยุโรป), UKCA (สหราชอาณาจักร), MIC (ญี่ปุ่น), RCM (ออสเตรเลีย/นิวซีแลนด์) และ KCC (เกาหลีใต้)

ตัวเลือก SMT และ M.2 ให้ความยืดหยุ่นในการประกอบ

ตามที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้ ตระกูล Ezurio Sona TI351 มีให้เลือกหลายรูปแบบเพื่อตอบสนองความต้องการของแอปพลิเคชันเฉพาะ ตัวอย่างเช่น 453-00200R (รูปที่ 3) ใช้ฟอร์มแฟกเตอร์ M.2 1216 SMT ขนาดกะทัดรัด 12 x 16 มิลลิเมตร (mm) พร้อมเสาอากาศชิปแบบรวม การออกแบบนี้ช่วยให้สามารถประกอบแบบอัตโนมัติได้พร้อมกับการเชื่อมต่อที่แข็งแรงทนทานต่อสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม การผสมผสานคุณลักษณะเหล่านี้ทำให้โมดูลนี้เหมาะสมเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานปริมาณมากซึ่งความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพการผลิตเป็นสิ่งสำคัญ

รูปที่ 3: Sona TI351 453-00200R เป็นโมดูลขนาดกะทัดรัด 12 x 12mm ในฟอร์มแฟกเตอร์ M.2 1216 SMT พร้อมเสาอากาศชิปในตัว (แหล่งที่มาของภาพ: Ezurio)

สำหรับแอพพลิเคชั่นที่ต้องการการเชื่อมต่อเสาอากาศภายนอก 453-00199R (รูปที่ 4) มีฟอร์มแฟกเตอร์ M.2 1216 ที่ทนทานเหมือนกัน แต่มีขั้วต่อ MHF4L แทนเสาอากาศชิป การกำหนดค่านี้ช่วยให้สามารถใช้เสาอากาศภายนอกเพื่อรับสัญญาณได้ดีที่สุดในสภาพแวดล้อม RF ที่ท้าทาย เช่น กล่องโลหะหรือพื้นที่ที่มี EMI สูง

รูปที่ 4: โมดูล Sona TI351 453-00199R มีขั้วต่อเสาอากาศ MHF4L (แหล่งที่มาของภาพ: Ezurio)

ต่างจากสองตัวอย่างก่อนหน้า 453-00209 (รูปที่ 5) ใช้ขั้วต่อ M.2 2230 Key E สำหรับการกำหนดค่าระบบแบบปลั๊กอิน คุณลักษณะนี้ช่วยให้ติดตั้งและเปลี่ยนอุปกรณ์ในสถานที่ได้ง่าย จึงมีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการตรวจสอบอุปกรณ์ที่การลดเวลาหยุดทำงานของระบบระหว่างการบำรุงรักษาถือเป็นสิ่งสำคัญ

รูปที่ 5: โมดูล Sona TI351 453-00209 ใช้ขั้วต่อ M.2 2230 Key E สำหรับการกำหนดค่าระบบแบบปลั๊กอิน (แหล่งที่มาของภาพ: Ezurio)

ตัวเลือกกลุ่มนี้ช่วยให้นักออกแบบระบบเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานสำหรับกรณีการใช้งานเฉพาะต่างๆ ในขณะที่ยังคงรักษาความน่าเชื่อถือและความง่ายในการรวมเข้าด้วยกัน

เสาอากาศที่ผ่านการรับรองล่วงหน้าช่วยปรับปรุงการออกแบบ RF

สำหรับโมดูลที่ติดตั้งขั้วต่อ MHF4L Ezurio นำเสนอตัวเลือกเสาอากาศที่ผ่านการรับรองล่วงหน้าหลายแบบ ตัวอย่างหนึ่งคือเสาอากาศ EFB2471A3S-10MH4L แบบยืดหยุ่น 5 วัตต์ Planar Inverted-F (FlexPIFA) (รูปที่ 6) ที่มีกาวด้านหลังเพื่อให้ง่ายต่อการติดตั้ง เสาอากาศสามแบนด์ (2.4/5/6GHz รองรับ 7.125GHz) นี้รักษาอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยต่ำ (VSWR) ที่ 1.6:1 ที่ 5.925 ถึง 7.125GHz มีค่ากำไร 3.9 เดซิเบลเมื่อเทียบกับไอโซทรอปิก (dBi) ที่ 5GHz และเหมาะเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานทั่วโลกที่ประสิทธิภาพการทำงานข้ามแบนด์ความถี่ที่แตกต่างกันนั้นมีความจำเป็น

รูปที่ 6: EFB2471A3S-10MH4L เป็นเสาอากาศ 3 ย่านความถี่ 2.4/5/6 GHz, 5 W (แหล่งที่มาของภาพ: Ezurio)

สำหรับการใช้งาน IoT อุตสาหกรรมแบบคงที่ (IIoT) และการตรวจสอบอุปกรณ์ 001-0021 (รูปที่ 7) นำเสนอโซลูชัน 2.4/5 GHz แบบดูอัลแบนด์ มีค่า VSWR น้อยกว่า 2.5:1 ที่ 2.4GHz และมีค่าขยาย 3dBi ที่ 5GHz

รูปที่ 7: 001-0021 เป็นเสาอากาศ 2.4/5 GHz แบบดูอัลแบนด์ (ที่มาของภาพ: Ezurio)

กลุ่มผลิตภัณฑ์เสาอากาศที่ได้รับการรับรองล่วงหน้าสามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการพัฒนาผลิตภัณฑ์ได้อย่างมาก Ezurio ได้ทำการทดสอบเสาอากาศสำหรับใช้กับโมดูลแล้ว ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงต่อปัญหาประสิทธิภาพ RF ที่ไม่คาดคิด โดยทั่วไปแล้ว การผสมผสานกันของปัจจัยรูปแบบโมดูลและตัวเลือกเสาอากาศทำให้ผู้ออกแบบระบบสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานได้ในขณะที่ยังคงรักษาความสะดวกในการบูรณาการไว้

ชุดพัฒนาให้การเข้าถึงแบบเต็มรูปแบบ

นักออกแบบสามารถใช้ชุดพัฒนา 453-00200-K1 (รูปที่ 8) เพื่อเริ่มต้นใช้งานโมดูลได้อย่างรวดเร็ว ชุดที่ครบครันนี้ใช้โมดูลเสาอากาศชิป 453-00200 และมีอินเทอร์เฟซซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์หลายตัวต่อโฮสต์ Linux เพื่อทดสอบการทำงานและประสิทธิภาพของโมดูล

รูปที่ 8: ชุดพัฒนา Sona TI351 ใช้โมดูลเสาอากาศชิป 453-00200 และจัดเตรียมอินเทอร์เฟซการสื่อสารและฮาร์ดแวร์ให้กับโฮสต์ Linux (แหล่งที่มาของภาพ: Ezurio)

ชุดอุปกรณ์นี้ประกอบด้วยสายเคเบิลความเร็วสูงและความเร็วต่ำ รวมถึงอะแดปเตอร์/บอร์ดเสริมที่เชื่อมต่อกับ UART หรืออุปกรณ์ SDIO ความเร็วสูง ส่วนหัว จัมเปอร์ และสวิตช์บนบอร์ดช่วยให้แยกเน็ตพลังงานและเน็ตสัญญาณได้อย่างง่ายดายสำหรับการทดสอบและวัดการใช้พลังงานระหว่างการพัฒนาฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์

บทสรุป

โมดูล Sona TI351 แก้ไขปัญหาการเชื่อมต่อไร้สายที่สำคัญในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมด้วยการรวมความสามารถไร้สายขั้นสูงไว้ในดีไซน์ที่กะทัดรัดและทนทาน การรับรองล่วงหน้าของทั้งโมดูลและเสาอากาศ ตัวเลือกการติดตั้งและปัจจัยรูปแบบต่างๆ และชุดพัฒนาที่ครอบคลุม ช่วยลดเวลาและความเสี่ยงในการพัฒนา