Modules 802.11x : utilisation de kits de développement pour simplifier les efforts de conception de solutions sans fil IoT

Les concepteurs de produits Internet des objets (IoT) utilisent une connectivité sans fil basée sur la technologie Wi-Fi, car elle est largement déployée et bien comprise. Cependant, la RF de toute sorte est complexe et nécessite des tests de conformité réglementaire. Sans l'expertise adéquate, cela peut ralentir le développement, surtout si un concepteur choisit de concevoir la section RF à partir de zéro.

L'un des moyens pour accélérer le processus de conception consiste à opter pour l'un des nombreux modules précertifiés disponibles. À cette fin, cet article traite des avantages de la technologie Wi-Fi pour les applications sans fil avant d'expliquer comment concevoir un produit à l'aide d'un module et des outils de conception associés.

Pourquoi la technologie Wi-Fi ?

La technologie Wi-Fi est l'une des nombreuses technologies RF à courte portée populaires dédiées à la communication sans fil, tirant parti de l'attribution des bandes de fréquence industrielle, scientifique et médicale (ISM) de 2,4 GHz sans licence. La technologie est basée sur la spécification IEEE 802.11 et est disponible en plusieurs variantes avec différents débits et différentes méthodes de codage numérique.

Comparée à des technologies telles que Bluetooth Low-Energy (Bluetooth LE) et Zigbee, elle est relativement gourmande en énergie, coûteuse et nécessite des ressources de processeur considérables. Cependant, elle est aussi incroyablement rapide. De la version 802.11b la plus basse avec un débit de données brutes de 11 Mbps à l'impressionnant 600 Mbps de la variante n, aucune autre technologie de 2,4 GHz de norme ouverte ne s'en rapproche. (Consultez l'article de DigiKey, relatif à la comparaison des technologies sans fil basse consommation.)

Quelle version de la technologie Wi-Fi ?

Un élément commun parmi les variantes Wi-Fi est que toutes les spécifications opérationnelles Wi-Fi sont dictées par la Wi-Fi Alliance, les dépositaires de la marque et des spécifications Wi-Fi. L'alliance détermine les structures de données, les techniques de cryptage, les fréquences, les configurations de paquets et les sous-protocoles utilisés par les réseaux locaux (LAN) Wi-Fi.

Plus important encore, la technologie Wi-Fi peut également tirer parti de l'attribution des bandes de fréquences de 5 GHz, ce qui augmente encore le débit et réduit le potentiel d'interférence en supprimant les communications de la bande de 2,4 GHz saturée. L'inconvénient est une réduction de la portée et une plus faible pénétration des obstacles. (Consultez l'article de DigiKey relatif à la comparaison des réseaux LAN sans fil de 2,4 GHz et 5 GHz dans les applications industrielles.)

Il existe plusieurs protocoles Wi-Fi : IEEE 802.11b/g fonctionnant dans la bande 2,4 GHz, IEEE 802.11a/ac conçu pour fonctionner dans la bande 5 GHz, tandis que les radios IEEE 802.11n peuvent fonctionner dans les deux bandes.

Le protocole IEEE 802.11b a été adopté en 1999 et présente des débits de données de 5,5 et 11 Mbps. Il est maintenant largement utilisé, mais uniquement dans les systèmes hérités. Cependant, la prise en charge de « b » est intégrée dans les radios « n » contemporaines, de sorte que les systèmes modernes peuvent fonctionner avec des systèmes hérités.

Le protocole IEEE 802.11g a été adopté en 2003 et utilise une technique de modulation différente de celle du protocole d'origine avec des débits de données pouvant atteindre 54 Mbps. Dans les applications pratiques, le débit de données utilisable est souvent réduit de moitié en raison des algorithmes de correction d'erreur directe. « g » est rétrocompatible avec « b ».

Le protocole IEEE 802.11n a été adopté en 2009 et introduit une technologie d'antenne à entrée multiple, sortie multiple (MIMO) pour coder plusieurs « flux spatiaux » simultanés, augmentant le débit de données à 216 Mbps (en supposant une largeur de canal de 20 MHz et un émetteur utilisant trois flux spatiaux). Le 802.11n spécifie également un canal plus large de 40 MHz, formé par la liaison de deux canaux de 20 MHz, ce qui augmente le débit à 450 Mbps. Les dispositifs qui prennent en charge trois flux spatiaux sont limités aux ordinateurs portables haut de gamme, aux tablettes et aux points d'accès. Les dispositifs à deux flux spatiaux sont plus nombreux, mais sont toujours limités aux ordinateurs portables, aux tablettes et à la dernière génération de smartphones.

L'IEEE 802.11a est identique à « g » dans la plupart des cas, sauf qu'il fonctionne dans la bande de 5 GHz. Le débit de données maximum est le même, 54 Mbps. Aujourd'hui, le 802.11a est largement considéré comme un protocole hérité.

L'IEEE 802.11ac a été adopté en 2013 et offre huit flux spéciaux et des largeurs de canaux pouvant atteindre 160 MHz pour encore augmenter le débit. Les produits commerciaux commencent tout juste à arriver sur le marché, restent chers et, au moins dans un premier temps, la technologie ne sera utilisée que pour les produits de consommation très haut de gamme.

L'attribution de la bande de 2,4 GHz permet une sélection entre les canaux de 20 MHz 11 (aux États-Unis), 13 (dans la plupart des régions du monde) et 14 (au Japon). La largeur de 83 MHz de la bande ne comprend que trois canaux Wi-Fi sans chevauchement (1, 6 et 11) (Figure 1).

Figure 1 : Les attributions de canaux Wi-Fi dans la bande ISM de 2,4 GHz autorisent trois canaux de 20 MHz sans chevauchement (1, 6 et 11). (Source de l'image : Cisco)

Pour éviter les conflits pouvant résulter des réseaux WLAN adjacents utilisant l'un des canaux 11 à 14, les fabricants conçoivent généralement leur équipement pour communiquer uniquement dans les canaux sans chevauchement. Par exemple, une radio Wi-Fi subissant une interférence excessive dans le canal 1 peut être commutée vers les canaux 6 ou 11 dans le but de trouver un environnement sans interférence.

Pour faciliter le partage du spectre, la technologie Wi-Fi inclut des mécanismes de contention qui rationnent la bande passante de manière équitable entre les points d'accès utilisant le même canal. Un point d'accès fonctionnant sur un canal encombré connaît un temps d'antenne limité, ce qui a une incidence sur le moment durant lequel celui-ci peut recevoir ou envoyer des données.

Wi-Fi pour l'IoT

Il est important de noter que la technologie Wi-Fi, basée sur la spécification IEEE 802.11, ne définit que les couches physiques (PHY) et de liaison de données d'un protocole de communication. Les couches de liaison de données comprennent les couches MAC (Media Access Control) et LLC (Logical Link Control). Cependant, l'omniprésence de la technologie Wi-Fi pour la connectivité Internet fait que la couche PHY et la couche de liaison de données associées sont généralement intégrées dans une pile de protocoles TCP/IP complète. Cette pile de protocoles assure l'interopérabilité Internet et est généralement (mais pas toujours) le logiciel fourni par le fournisseur de la solution de connectivité Wi-Fi. Le reste de cet article traite des solutions Wi-Fi avec des piles TCP/IP (Figure 2).

Figure 2 : La technologie Wi-Fi définit les couches de liaison physique et de données d'une pile. Généralement, les fournisseurs proposent un micrologiciel qui intègre ces couches avec une pile TCP/IP complète offrant une interopérabilité Internet. (Source de l'image : Centre international de physique théorique)

Alors que la technologie Wi-Fi s'est imposée comme une technologie clé pour connecter les smartphones, les ordinateurs portables et les PC à Internet, elle se diversifie rapidement pour devenir une technologie de base pour l'IoT.

Lorsque l'interopérabilité et le débit Internet sont plus importants que la consommation d'énergie, les dispositifs IoT alimentés par Wi-Fi offrent une solution convaincante au problème de transfert des informations directement des capteurs sans fil vers Internet. Les capteurs Wi-Fi IoT se connectent directement à Internet sans recourir à des complications, telles que des couches réseau supplémentaires comme IPv6 sur les réseaux personnels sans fil basse consommation (6LoWPAN).

La technologie Wi-Fi est une excellente option pour des « passerelles » rentables, où les unités multiprotocoles Bluetooth LE/Zigbee/Wi-Fi basées sur un système sur puce regroupent les données de plusieurs capteurs sans fil basse consommation et transmettent ces informations au cloud.

Notez qu'une forme de technologie Wi-Fi à basse consommation énergétique émerge actuellement. Basée sur le protocole IEEE 802.11ah et surnommée « HaLow », la technologie offre une consommation d'énergie réduite en tirant parti du rapport cyclique ultrafaible utilisé par d'autres technologies sans fil basse consommation. Sa consommation d'énergie devrait être d'environ 1 % de celle consommée par les puces Wi-Fi classiques. HaLow opère dans la bande ISM à 900 MHz, ce qui optimise sa portée à près du double de celle de la technologie Wi-Fi actuelle. Le compromis réside dans le débit, qui est considéré comme comparable au débit maximal de données brutes Bluetooth LE de 2 Mbps.

Accélération des conceptions basées sur la technologie Wi-Fi

Concevoir une solution Wi-Fi IoT à partir de zéro réduit les coûts et offre une opportunité d'optimiser pleinement les performances du produit sans fil. Cependant, le concepteur a besoin d'une expertise en matériel RF à des fréquences gigahertz et d'une connaissance des protocoles TCP/IP considérables en plus de faire preuve de ténacité pour suivre un long processus de test et de vérification pour la certification de conformité.

Les fournisseurs de semi-conducteurs apportent leur aide en fournissant des conceptions de référence qui peuvent servir de base pour accélérer le processus de développement. Cependant, de tels schémas ne peuvent être considérés que comme un point de départ ; de légères variations dans les éléments magnétiques, les substrats, les pistes et les impédances des circuits peuvent avoir un effet significatif sur les performances. De plus, plusieurs itérations de conception sont généralement requises pour que tout fonctionne correctement.

Une solution beaucoup plus rapide pour obtenir une conception satisfaisante consiste à sélectionner un module assemblé, testé, vérifié et certifié conforme. Ces produits peuvent être rapidement intégrés dans une solution Wi-Fi IoT, ce qui accélère la mise sur le marché.

Les modules IEEE 802.11 d'application IoT de toutes les variantes, ainsi que les outils de développement associés, sont facilement disponibles auprès de nombreux fournisseurs de puces. Un module de base intègre généralement un processeur de bande de base WLAN et un support d'émetteur-récepteur RF, un amplificateur de puissance, des horloges, des commutateurs RF, des filtres, des composants passifs et une solution de gestion de l'alimentation.

Étant donné qu'une pile TCP/IP basée sur Wi-Fi est un élément complexe de micrologiciel à superviser, elle nécessite les ressources d'un microprocesseur capable de prendre en charge un système d'exploitation de haut niveau, tel que Linux ou Android. Les pilotes courants pour les systèmes d'exploitation gérant les piles Wi-Fi sont disponibles auprès des fournisseurs de matériel, tandis que des pilotes supplémentaires, tels que ceux requis pour WinCE et une gamme de systèmes d'exploitation en temps réel, sont pris en charge par des tiers.

Souvent, le concepteur doit trouver un microprocesseur approprié, ainsi que des composants passifs pour former des circuits correspondants, et des antennes de 2,4 et/ou 5 GHz. Cependant, certaines solutions de modules incluent un processeur intégré et d'autres encore comprennent une solution de travail complète.

Modules Wi-Fi pour chaque situation

Un excellent exemple de module Wi-Fi économique conçu pour les applications IoT, telles que les terminaux de point de vente, les caméras de sécurité à distance et les capteurs médicaux, est le WF111 de Silicon Labs, de marque Bluegiga. Le dispositif fournit une connectivité Internet via Wi-Fi b, g ou n. Le produit offre un fonctionnement à 2,4 GHz uniquement, un débit de données maximal de 72 Mbps et un bilan de liaison de 114 dBm (puissance de sortie de l'émetteur de 17 dBm et sensibilité du récepteur de -97 dBm). La tension d'alimentation est de 1,7 à 3,6 V avec un courant de crête de transmission de 192 mA et un courant de crête de réception de 88 mA.

Le WF111 comprend une antenne intégrée (ou un connecteur pour une antenne externe) et il est conçu pour fonctionner avec un microprocesseur hôte externe. Le dispositif est commandé par le microprocesseur hôte à l'aide d'une interface SDIO (Secure Digital Input Output) fonctionnant en mode 1 bit ou 4 bits. L'interface SDIO permet au microprocesseur hôte d'accéder directement à la fonctionnalité IEEE 802.11.

Étant donné que le fournisseur de puces prévoit une utilisation du WF111 à proximité des capteurs Bluetooth LE, jusqu'à six lignes de commande matérielle sont incluses pour gérer la coexistence sans fil. Les lignes de commande assurent la communication entre les dispositifs Wi-Fi et Bluetooth afin d'éviter les transferts de paquets simultanés qui se produisent généralement lorsque les dispositifs Wi-Fi et Bluetooth LE sont à proximité. De tels transferts dégradent généralement les performances de liaison (Figure 3).

Figure 3 : Le WF111 de Silicon Labs comprend six lignes de commande pour garantir que les dispositifs Wi-Fi et Bluetooth coordonnent les communications afin d'améliorer la coexistence. (Source de l'image : Silicon Labs)

Le WL1801 de Texas Instruments (TI) va plus loin dans sa collaboration avec Bluetooth en intégrant le protocole IEEE 802.11 a/b/g/n et un émetteur-récepteur Bluetooth/Bluetooth LE dans le même dispositif. Un tel module est une solution idéale pour les dispositifs de passerelle IoT décrits ci-dessus, en raison de son interopérabilité intégrée avec les protocoles Wi-Fi et Bluetooth.

Le dispositif offre un fonctionnement Wi-Fi de 2,4 et 5 GHz, un débit de données maximal de 54 Mbps et un bilan de liaison de 115 dBm (sortie de puissance de l'émetteur de 18,5 dBm et sensibilité du récepteur de -96,5 dBm). La plage de tensions de fonctionnement est comprise entre 2,9 et 4,8 V avec un courant de crête de transmission de 420 mA et un courant de crête de réception de 85 mA. Les modules sont certifiés FCC, IC, ETSI et Telec.

Le WL1801 est fourni avec des piles Wi-Fi et Bluetooth, mais doit être associé à un microprocesseur approprié, à un quartz de 32 kHz et à une ou plusieurs antennes pour former une solution complète. TI suggère un microprocesseur de sa gamme Sitara, par exemple l'AM3351, un dispositif ARM^® Cortex^®-A8 capable de prendre en charge les systèmes d'exploitation Linux, Android ou ceux en temps réel, ainsi que le pilote Wi-Fi et la pile Bluetooth LE. Le microprocesseur entraîne le fonctionnement Wi-Fi via une interface SDIO et Bluetooth via une interface UART (Figure 4).

Figure 4 : Le WL1801 de TI laisse le choix du microprocesseur au concepteur, bien que la société recommande une puce efficace, comme Sitara basée sur ARM Cortex-A8. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le module LBEE5ZZ1MD de Murata va encore plus loin en intégrant un processeur, avec une pile micrologicielle Wi-Fi préchargée. Bien que cela simplifie les choses en faisant correspondre le processeur à la radio, l'inconvénient est que les développeurs s'engagent à choisir le matériel de processeur du fabricant de modules et éventuellement un environnement de développement peu familier.

Le module de Murata fournit une connectivité Internet via Wi-Fi b, g ou n. Le dispositif offre uniquement un fonctionnement à 2,4 GHz, un débit de données maximal de 65 Mbps et un bilan de liaison de 100 dBm (sortie de puissance de l'émetteur de 2 dBm et sensibilité du récepteur de -98 dBm). Il fonctionne sur une alimentation de 3,3 V avec un courant de crête de transmission de 300 mA et un courant de crête de réception de 45 mA.

Le module associe MAC/bande de base/radio Wi-Fi au microprocesseur STM32F412 ARM Cortex-M4 de STMicroelectronics. Le module comprend des quartz intégrés, des circuits d'adaptation et une antenne de 2,4 GHz. Il est possible d'ajouter un quartz périphérique de 32,786 kHz. Le processeur STM32F412 inclut des interfaces UART, SPI, I²C et autres (Figure 5).

Figure 5 : Le module Wi-Fi LBEE5ZZ1MD de Murata intègre un microprocesseur ARM Cortex-M4 avec des quartz, des circuits d'adaptation et une antenne. (Source de l'image : Murata)

Le module est livré avec une pile TCP/IP et un système d'exploitation Electric Imp pour la connexion au service cloud Electric Imp. Ceci est utile pour les concepteurs qui ne sont pas déjà familiarisés avec un fournisseur de services cloud tiers et avec la façon de télécharger et d'accéder aux données. Des conseils de développement sont offerts sur le site Web du centre de développement Electric Imp.

Le NINA W132 d'u-blox est un exemple de ce qu'une solution modulaire peut apporter à un concepteur. Le dispositif intègre les fonctionnalités Wi-Fi et Bluetooth LE, un processeur hôte, une solution de gestion de l'alimentation, 16 Mbits de mémoire Flash à part et un quartz de 40 MHz.

La connectivité Internet s'effectue via Wi-Fi 802.11b, g ou n. Le dispositif offre un fonctionnement à 2,4 GHz seulement, un débit de données brutes maximal de 54 Mbps et un bilan de liaison de 112 dBm (sortie de puissance de l'émetteur de 16 dBm et sensibilité du récepteur de -96 dBm). Il fonctionne sur une alimentation de 3,3 V, avec un courant de crête de transmission de 320 mA et un courant de crête de réception de 140 mA.

L'unité est livrée avec un logiciel d'application préchargé. Les développeurs doivent d'abord comprendre qu'ils s'engagent à utiliser la boîte à outils logicielle S-center d'u-blox pour la configuration (via les commandes AT).

Le module NINA-W132 fournit une sécurité de bout en bout pour la protection de liaison sans fil en utilisant la norme 802.11i (WPA2) et la sécurité d'entreprise.

Tirer parti des kits de développement

Alors que les modules permettent de réaliser des économies de matériel considérables et sont généralement fournis avec une pile logicielle Wi-Fi (TCP/IP) éprouvée (et souvent des exemples d'application), la solution n'est pas toujours optimisée pour l'application cible du développeur. Une telle optimisation est souvent possible en se tournant vers le kit de développement du fabricant de modules. Les outils de développement prennent souvent la forme de cartes de développement assemblées et testées, hébergeant le module.

Habituellement, il est possible de connecter les cartes de développement pour les modules nécessitant un microprocesseur auxiliaire à une plateforme de développement basée sur le microprocesseur cible. Les kits de développement sont conçus pour fournir une interface de programmation d'applications (API) au processeur hôte et, à son tour, à la pile Wi-Fi, facilitant le codage d'application supplémentaire.

Par exemple, Silicon Labs propose le kit de développement WF111 pour évaluer le module WF111 décrit ci-dessus. Le kit de développement comprend une carte à circuit imprimé assemblée et testée avec le module WF111. Elle est conçue pour tenir dans un emplacement de carte SDIO standard. Une fois monté, le module peut être utilisé et évalué en utilisant les outils d'évaluation du microprocesseur cible. Une embase peut être ajoutée pour permettre un accès facile au bus de débogage du module à des fins de certification RF.

Un autre exemple est la carte de développement WL1835 de TI. Il s'agit d'une carte à circuit imprimé entièrement assemblée et testée comprenant les modules WL1801, tous les circuits périphériques et l'antenne. Il est possible de la connecter à la carte de développement TMDSICE3359 de Sitara, qui dispose d'un processeur Sitara adapté pour commander le module WL1801. Cette configuration de développement permet au développeur de tester les performances d'une unité Wi-Fi en fonctionnement dans son application cible.

Conclusion

La technologie Wi-Fi occupe une position unique parmi les protocoles sans fil IoT, car elle peut prendre en charge des débits de données élevés tout en offrant une interopérabilité transparente avec Internet. Cependant, comme toute technologie RF, elle est difficile à concevoir à partir de zéro.

Pour de nombreux concepteurs, en particulier ceux qui font face à un cycle de conception court, un module peut être une meilleure option. Le module peut être fourni avec un microprocesseur embarqué ou être combiné avec le microprocesseur le mieux adapté, pour considérablement simplifier et accélérer le processus de conception et de certification.