Accélérer le déploiement IoT avancé grâce à des modules de microcontrôleurs sans fil multiprotocoles

Les conceptions Internet des objets (IoT) avancées requièrent désormais des options de connectivité sans fil sécurisées qui garantissent l'efficacité du réseau, des performances optimales et l'interopérabilité dans des environnements d'exploitation hétérogènes, incluant les protocoles Wi-Fi, Bluetooth Low Energy (BLE), Thread et Matter. Les plateformes de solutions adaptées doivent s'intégrer parfaitement avec les capteurs et les périphériques, et disposer d'un écosystème permettant le développement rapide, de l'évaluation au déploiement de dispositifs certifiés à l'échelle mondiale.

Répondre à ces exigences à l'aide de solutions personnalisées conçues à partir de zéro reste un défi, principalement en raison de la complexité de la conception radiofréquence (RF) et à signaux mixtes et de la certification des dispositifs. Les concepteurs ont besoin d'une approche plus intégrée.

Cet article offre un bref aperçu des défis de connectivité auxquels sont confrontés les concepteurs de dispositifs sans fil pour l'IoT. Il présente ensuite une plateforme sans fil prête à l'emploi de u-blox qui accélère la conception IoT avancée en réduisant les délais associés à la configuration radio, à l'intégration des protocoles, à la mise en œuvre de la sécurité et à la conformité aux normes et réglementations.

Comment l'évolution des exigences de connectivité favorise l'adoption de modules intégrés

Les applications émergentes, telles que les systèmes de contrôle industriel, l'immotique commerciale et les écosystèmes de dispositifs intelligents, nécessitent des solutions IoT flexibles capables de répondre aux exigences spécifiques en matière de matériel, de logiciels et de communications sans compromettre la sécurité ni le bilan de puissance. Dans un nombre croissant d'applications, les dispositifs IoT doivent également prendre en charge plusieurs options de connectivité. Ils doivent être capables de maintenir des communications fiables dans les environnements RF de plus en plus encombrés avec diverses sources de perturbations radioélectriques (RFI) et d'interférences électromagnétiques (EMI).

Dans ces applications, différents protocoles sans fil sont essentiels pour répondre aux exigences applicatives spécifiques. Le Wi-Fi 6 double bande offre une meilleure planification de la qualité de service pour maintenir le débit dans les réseaux denses. Le BLE répond au besoin de fonctionnement basse consommation dans les communications à courte portée, et Thread permet des réseaux maillés IPv6 auto-régénérateurs à grande échelle, avec authentification des dispositifs et cryptage AES-128. Ces multiples options de connectivité constituent la base du protocole Matter, une couche application basée IP qui peut fonctionner via Wi-Fi ou Thread, tout en s'appuyant sur BLE pour la mise en service des dispositifs et l'intégration sécurisée.

Répondre simultanément à toutes ces exigences est devenu un défi technique de taille. Les conceptions radio discrètes traditionnelles nécessitent plusieurs jeux de puces, frontaux RF et interfaces hôtes, ce qui augmente la complexité de configuration, la consommation d'énergie et les efforts de certification. Chaque interface ajoutée devient un point de défaillance potentiel lors des tests de conformité ou lors du fonctionnement avec plusieurs protocoles. Face à des délais de développement plus courts et à des exigences réglementaires croissantes, de plus en plus d'équipes se tournent vers des modules de microcontrôleurs (MCU) sans fil autonomes qui combinent des sous-systèmes radio, des ressources de traitement et une sécurité intégrée dans un seul composant pré-qualifié.

La série de modules de microcontrôleurs IRIS-W10 de u-blox offre une solution intégrée conçue pour répondre aux nouveaux défis de conception IoT avancée. En prenant en charge la coexistence multiprotocole, l'efficacité réseau et la protection du code et des données au niveau du module, la série IRIS-W10 offre aux ingénieurs une base fiable pour développer des dispositifs connectés qui peuvent passer du prototype à la certification et au déploiement avec moins d'inconnues.

Comment l'architecture du module IRIS-W10 répond aux nouvelles exigences

La série IRIS-W10 est un système sans fil complet (Figure 1) qui intègre un traitement hautes performances, des sous-systèmes radio multibandes, une mémoire Flash eXecute-In-Place (XIP) et une sécurité matérielle pour former une plateforme autonome permettant de développer des produits IoT avancés.

Figure 1 : Disponible dans un module compact certifié à l'échelle mondiale, la série IRIS-W10 combine un microcontrôleur hautes performances avec des radios multibandes, une mémoire Flash, une sécurité matérielle et une antenne interne (illustrée ici) ou une sortie de signal RF pour une antenne externe. (Source de l'image : u-blox)

Basés sur les microcontrôleurs sans fil RW612 et RW610 de NXP qui intègrent un cœur Arm® Cortex®-M33 et un sous-système multiradio, les modules IRIS-W10 combinent un traitement hautes performances avec de multiples options de connectivité, y compris Wi-Fi 6 double bande (IEEE 802.11 a/b/g/n/ac/ax), BLE 5.4 et Matter-over-Wi-Fi. Les variantes architecturées sur le microcontrôleur RW612 prennent également en charge IEEE 802.15.4, Thread et Matter-over-Thread.

Les deux gammes de la série IRIS-W10 répondent à différents besoins d'intégration : les modules IRIS-W106 intègrent une antenne de carte, tandis que les modules IRIS-W101 fournissent le signal RF pour les installations nécessitant des configurations d'antennes externes. Dans chaque gamme, des composants spécifiques répondent à des exigences différentes en matière de mémoire et de connectivité, comme suit :

• Les modules basés sur le RW610 (IRIS-W106-30B et IRIS-W101-30B) inclut 8 Mo de mémoire Flash
• Les modules basés sur le RW612 fournissent 8 Mo (IRIS-W106-00B et IRIS-W101-00B) ou 16 Mo (IRIS-W106-10B et IRIS-W101-10B) de mémoire Flash, ainsi qu'une connectivité basée sur IEEE 802.15.4, comme mentionné ci-dessus.

L'architecture cohérente de ces modules permet aux développeurs de faire évoluer plus facilement leurs conceptions existantes, afin de répondre aux nouvelles exigences. En fait, chacun de ces modules peut fonctionner comme un hôte autonome (Figure 2a) dans les conceptions conçues pour une consommation et une empreinte minimales, ou comme un processeur auxiliaire pour un hôte séparé (Figure 2b) dans les conceptions avec des exigences fonctionnelles plus complexes.

Figure 2 : Les modules IRIS-W10 répondent à un large éventail d'exigences applicatives, s'étendant des applications nécessitant un processeur autonome (a) pour minimiser la consommation et l'empreinte aux applications exigeant que le module serve de processeur auxiliaire pour un hôte pour des fonctionnalités supplémentaires (b). (Source de l'image : u-blox)

Grâce à ses multiples options de connectivité, cette série contribue à garantir des communications fiables dans les environnements RF encombrés. L'utilisation par le Wi-Fi 6 des technologies OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) et TWT (Target Wake Time) améliore l'efficacité des canaux dans ces environnements, tandis que le saut de fréquence adaptatif (AFH) du BLE minimise les interférences. La capacité IEEE 802.15.4 étend la connectivité aux réseaux Thread pour l'interopérabilité avec les réseaux maillés basse consommation et Matter. Étant donné que les différentes technologies RF ne sont jamais actives simultanément, les radios des modules partagent une seule chaîne RF et fonctionnent séquentiellement, en utilisant un commutateur RF interne pour acheminer le trafic radio vers l'antenne partagée ou la sortie RF.

Si la disponibilité de multiples protocoles de connectivité est devenue essentielle pour un nombre croissant d'applications IoT, ces applications requièrent de plus en plus la capacité de garantir la sécurité des transactions de communication au sein d'un environnement d'exploitation de confiance. Pour répondre à ces exigences de sécurité, les modules de la série IRIS-W10 sont dotés d'une racine de confiance matérielle. La sécurité des applications commence par un démarrage sécurisé à partir d'une mémoire non volatile ou de sources USB validées utilisant un chargeur d'amorçage sécurisé, stocké dans la mémoire morte (ROM) embarquée du microcontrôleur. La sécurité des applications repose sur un environnement d'exécution de confiance basé sur Arm TrustZone-M.

Les fonctionnalités de sécurité additionnelles incluent les éléments critiques requis dans toute chaîne de sécurité, tels qu'un moteur cryptographique matériel, une mémoire Flash cryptée et des interfaces de débogage protégées, qui protègent l'authenticité des micrologiciels et les données opérationnelles. Au niveau applicatif, ces fonctionnalités de sécurité permettent l'authentification WPA2/WPA3, la sécurité Wi-Fi d'entreprise, le cryptage TLS (Transport Layer Security), HTTPS et l'appairage de connexion sécurisé BLE. Ensemble, ces mécanismes établissent une base de sécurité pour l'intégrité des micrologiciels et la protection des communications. Grâce à leurs fonctions de protection étroitement intégrées, ces modules améliorent la cybersécurité des applications sans nécessiter de dispositifs de sécurité distincts supplémentaires.

En intégrant un traitement hautes performances, une radio multiprotocole et une sécurité matérielle dans un module certifié à l'échelle mondiale, la série IRIS-W10 aide les développeurs à répondre aux exigences combinées de débit, d'interopérabilité et de conformité réglementaire. Pour la mise en œuvre de dispositifs IoT avancés, cette architecture intégrée fournit une base technique robuste pour le développement rapide d'applications IoT personnalisées avec un ensemble complet d'outils de développement et de kits d'évaluation (EVK) de u-blox.

Accélérer le développement de conceptions IoT avancées

Conçus pour compléter le matériel de la série IRIS-W10, les kits d'évaluation et les ressources logicielles associées de u-blox permettent aux développeurs de passer efficacement de l'évaluation à la conception d'applications. Ensemble, ces ressources aident les développeurs à examiner les performances des modules, à vérifier le comportement radio et à construire des dispositifs personnalisés.

Pour l'évaluation initiale et le prototypage, l'outil d'évaluation USB-IRIS-W1 de u-blox permet aux développeurs d'explorer rapidement les capacités du module IRIS-W10. Ce kit intègre un module IRIS-W106, des commandes d'interface utilisateur (UI) de base et de multiples interfaces sur une carte compacte équipée d'un connecteur USB Type-A (Figure 3). Le module USB-IRIS-W1 est fourni avec une application d'interface de ligne de commande (CLI) Wi-Fi préchargée, permettant aux développeurs de le brancher sur un port USB de leur poste de travail et de commencer immédiatement à évaluer les capacités Wi-Fi du module.

Figure 3 : Architecturée autour d'un module IRIS-W106 pré-flashé, la carte compacte USB Type-A USB-IRIS-W1 permet une prise en main rapide pour l'évaluation des capacités du module grâce à ses multiples interfaces, ses commandes d'interface utilisateur de base et ses points de test. (Source de l'image : u-blox)

Alors que le kit USB-IRIS-W1 offre un outil de démarrage rapide pour la mise en service du module et l'évaluation CLI, le kit d'évaluation EVK-IRIS-W1 de u-blox (Figure 4) fournit une plateforme autonome plus complète pour évaluer tous les modules, acquérir de l'expérience avec leurs fonctionnalités et étendre leurs capacités. Ce kit inclut la carte EVK-IRIS-W106 avec un module IRIS-W106-10B ou la carte EVK-IRIS-W101 avec un module IRIS-W101-10B. Outre la carte respective, le kit comprend un connecteur Ethernet RJ45, un câble USB et une antenne avec un connecteur U.FL (pour l'EVK-IRIS-101 uniquement).

Chaque carte expose plusieurs interfaces de modules, notamment des ports UART, SPI, I²C et USB. De plus, la carte fournit des LED, des commandes d'interface utilisateur de base, des embases de mesure de puissance, un connecteur de débogage à 10 broches et quatre connecteurs mikroBUS (MikroElektronika) pour étendre les capacités de la carte.

Figure 4 : Le kit d'évaluation EVK-IRIS-W1 offre une plateforme matérielle complète pour le développement, exposant les interfaces du module IRIS-W10 pour le développement d'applications, l'analyse de puissance et l'extension fonctionnelle. (Source de l'image : u-blox)

Les développeurs peuvent rapidement mettre la carte en service en l'alimentant via l'une de ses quatre entrées d'alimentation 5 V_CC, y compris :

• Port USB IRIS-W10 fourni par un périphérique USB
• Port de débogage/UART
• Port USB MCU-LINK
• Embase d'alimentation

Les kits EVK-IRIS-W106 et EVK-IRIS-W101 sont fournis avec une image de démonstration préchargée qui permet l'évaluation Wi-Fi 6 et BLE immédiate après la mise sous tension. Le micrologiciel du module permet aux ingénieurs de mesurer le débit et la latence, d'évaluer la consommation d'énergie et d'inspecter les registres de configuration via la console série. En utilisant les embases de mesure de puissance des kits d'évaluation, les développeurs peuvent quantifier la consommation de courant pendant différents états de communication afin de valider les compromis énergie-performances dans les conceptions qui doivent répondre à des exigences basse consommation ou de fonctionnement sur batterie.

Nombreuses ressources logicielles pour simplifier le développement d'applications

Pour le développement d'applications personnalisées, la série IRIS-W10 suit un modèle d'exploitation de processeur (CPU) ouvert, que u-blox prend en charge avec son référentiel Open CPU de code de référence open-source conçu pour fonctionner sur les kits d'évaluation. Dans ce modèle de fonctionnement, le processeur du module est disponible pour exécuter des applications personnalisées développées avec le kit de développement logiciel (SDK) MCUXpresso de NXP ou Zephyr. Le développement s'effectue avec des chaînes d'outils et des environnements de développement intégrés (IDE) populaires, notamment l'IDE MCUXpresso de NXP, GNU Compiler Collection (GCC) ou IAR Embedded Workbench.

Le kit de développement logiciel de NXP offre un ensemble complet de bibliothèques, de piles de connectivité, d'utilitaires de support et de code de référence pour le développement d'applications basées sur les microcontrôleurs de NXP. Dans un environnement d'exécution, l'architecture modulaire du SDK contribue à garantir l'isolement des pilotes et des couches dépendant du matériel de la logique d'application de niveau supérieur.

En se référant au code d'exemple dans le référentiel de code Open CPU et le SDK, les développeurs peuvent rapidement implémenter le micrologiciel personnalisé requis pour répondre aux exigences spécifiques de leur application IoT. Pour le chargement de leur micrologiciel personnalisé, les kits d'évaluation EVK-IRIS-W1 et USB-IRIS-W1 prennent en charge le flashage du micrologiciel via un débogueur externe. De plus, les cartes du kit EVK-IRIS-W1 prennent en charge les mises à jour du micrologiciel via leur débogueur embarqué, tandis que l'USB-IRIS-W1 prend en charge les mises à jour du micrologiciel via le port UART avec l'application hôte du chargeur d'amorçage de microcontrôleurs de NXP. Pour les tests et le débogage continus, les deux kits prennent en charge les interfaces JTAG et SWD standard via les ports intégrés.

Étant donné que tous les éléments matériels, logiciels et de certification restent cohérents d'une variante de module à l'autre, aucune modification majeure de la conception n'est requise pour adapter une conception existante afin de prendre en charge de la mémoire ou des protocoles de communication supplémentaires. Une fois les conceptions finalisées, les développeurs utilisent les mêmes modules IRIS-W10 et le même environnement de développement pour passer à la production. Enfin, la certification mondiale de tous les modules IRIS-W10 simplifie l'intégration du produit final et la documentation réglementaire dans les régions cibles.

En combinant un matériel certifié au niveau mondial, un SDK polyvalent et un code de référence bien documenté, l'écosystème de la série IRIS-W10 de u-blox permet aux développeurs de déployer plus rapidement des dispositifs IoT multiprotocoles sécurisés.

Conclusion

Répondre à la demande croissante de connectivité multiprotocole sécurisée dans les dispositifs IoT reste un défi majeur pour garantir une basse consommation d'énergie, des performances sans fil robustes et une certification mondiale, tout en respectant des délais de développement serrés. La série IRIS-W10 de u-blox combine traitement embarqué, connectivité multiradio et sécurité intégrée dans une plateforme modulaire certifiée à l'échelle mondiale. Grâce aux kits d'évaluation matériels et aux ressources logicielles optimisés pour les modules IRIS-W10, les développeurs peuvent évaluer, prototyper et déployer rapidement et efficacement des systèmes IoT sécurisés et interopérables. Alors que les écosystèmes sans fil multiprotocoles continuent de se développer, la série IRIS-W10 offre une base évolutive capable de s'adapter aux normes émergentes et aux exigences des applications.