Simplifier l'intégration sans fil industrielle à l'aide de modules Wi-Fi 6 pré-certifiés avec Bluetooth LE

Avec l'essor de l'Internet des objets (IoT), la connectivité sans fil est devenue une exigence fondamentale pour les applications industrielles, de la surveillance des équipements et du suivi des actifs à l'immotique. Les concepteurs qui cherchent à mettre en œuvre cette connectivité sont confrontés à de multiples défis, notamment l'intégration d'antennes, de composants logiciels et de jeux de puces sans fil, la certification mondiale, la sécurité et la fiabilité en environnements difficiles.

Ces défis peuvent être surmontés en optant pour des modules Wi-Fi 6 robustes et pré-certifiés avec Bluetooth Low Energy (BLE) 5.4 qui offrent les fonctionnalités nécessaires tout en simplifiant l'intégration.

Cet article aborde les défis de la connectivité sans fil pour les concepteurs de systèmes industriels et présente des exemples de modules Wi-Fi 6 pré-certifiés avec BLE 5.4 d'Ezurio. Il présente également des antennes pré-certifiées et un kit de développement associé.

Principaux défis des communications sans fil industrielles

Les environnements industriels contiennent un nombre toujours croissant de points d'extrémité qui doivent partager des données à haut débit, et les réseaux sans fil sont souvent le seul moyen pratique de communiquer ces données.

Cela peut entraîner une congestion du réseau pour les anciennes technologies sans fil, avec des problèmes de latence et de perte de paquets affectant le rendement opérationnel. Des technologies de communication obsolètes peuvent également rendre les réseaux vulnérables aux cyberattaques.

Les technologies modernes telles que Wi-Fi 6 et BLE 5.4 peuvent résoudre ces problèmes, mais leur développement et leur intégration requièrent une solide expertise RF, en particulier dans les dispositifs à espace restreint et les applications de mise à niveau. De plus, de nombreuses solutions sans fil nécessitent des étapes d'assemblage manuel, ce qui ralentit la production et augmente les coûts.

La fiabilité est un autre sujet de préoccupation. De nombreux environnements industriels sont exposés à des interférences électromagnétiques (EMI) importantes, des températures extrêmes, des vibrations et des chocs. Enfin, de multiples applications exigent une faible consommation d'énergie pour étendre la durée de vie des batteries tout en garantissant la conformité aux normes mondiales.

Une solution robuste : modules Wi-Fi 6 avec Bluetooth LE 5.4

Les modules Sona TI351 d'Ezurio répondent aux défis de la connectivité sans fil industrielle en combinant Wi-Fi et BLE dans des solutions robustes et pré-certifiées (Figure 1). Architecturés autour du circuit intégré auxiliaire Wi-Fi et BLE SimpleLink CC3351 de Texas Instruments, ces modules sont disponibles en versions enfichables et à montage en surface (CMS), avec la possibilité de choisir entre une antenne monopuce intégrée ou un connecteur d'antenne.

Figure 1 : Le Sona TI351 fait partie d'une gamme de modules Wi-Fi 6 et BLE 5.4 compacts et pré-certifiés en variantes CMS et enfichables avec antennes intégrées ou connecteurs d'antenne. (Source de l'image : Ezurio)

Tous les modules prennent en charge le Wi-Fi 6 (802.11ax) via une interface SDIO 2.0 avec transfert de données haut débit et détection et correction d'erreurs intégrées. Le Wi-Fi 6 offre plusieurs fonctionnalités qui favorisent des performances fiables dans les réseaux industriels encombrés :

• La fonctionnalité OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) permet la transmission simultanée de plusieurs dispositifs IoT sur le même canal, améliorant ainsi le rendement dans les déploiements denses.
• La fonctionnalité TWT (Target Wake Time) optimise la durée de vie des batteries en permettant une programmation précise des heures de réactivation du dispositif.
• La prise en charge double bande offre une flexibilité pour différents cas d'utilisation : la bande 2,4 GHz garantit une meilleure pénétration des obstacles, tandis que la bande 5 GHz fournit une bande passante plus élevée.
• La puissance d'émission de 18 dBm garantit une couverture fiable dans les grands espaces industriels.

La prise en charge BLE 5.4 des modules s'effectue via un canal UART haut débit (HS-UART) dédié. BLE 5.4 est un protocole bien adapté aux environnements industriels. Il prend en charge les fonctions suivantes :

• Fonction PAwR (Periodic Advertising with Response) pour réduire la consommation d'énergie en utilisant des fenêtres de transmission prédéterminées
• Fonction PAST (Periodic Advertising Sync Transfer) pour simplifier la gestion réseau en permettant aux dispositifs principaux de partager les données de synchronisation
• Couche physique (PHY) LE 2 Mbps pour prendre en charge la transmission rapide des données avec un retour rapide en mode veille, améliorant davantage le rendement énergétique
• Mode LE longue portée pour des communications fiables sur de longues distances

Les modules prennent en charge la coexistence Wi-Fi et Bluetooth pour les applications exigeant les deux protocoles.

Conception haute fiabilité

Les modules Sona TI351 intègrent un amplificateur de puissance (PA) qui augmente l'intensité du signal sortant pour garantir un fonctionnement fiable dans les environnements exigeants. Du côté entrant, un amplificateur à faible bruit (LNA) améliore la réception des signaux en amplifiant les signaux faibles tout en minimisant les interférences de bruit. Cette combinaison garantit une connectivité sans fil stable même dans les environnements caractérisés par des interférences électromagnétiques importantes et des obstacles physiques.

Les modules sont également conçus pour la fiabilité physique. Les versions CMS sont dotées de connexions robustes qui tolèrent les vibrations et les contraintes mécaniques, tandis que l'option d'antenne intégrée supprime un point de défaillance potentiel. Les deux dispositifs présentent une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +85°C.

Support logiciel complet pour les systèmes d'exploitation Linux et Android

Les modules Sona TI351 incluent un support logiciel complet pour les systèmes d'exploitation Linux et Android. Pour Linux, la pile de connectivité a été testée sur plusieurs versions de noyau, avec des pilotes rétroportés pour des versions à partir de la version 2.6.37 afin de garantir la compatibilité avec les noyaux plus anciens. La pile prend en charge les environnements de développement familiers, notamment Buildroot, Yocto et Ubuntu.

Plutôt que de fournir uniquement les pilotes spécifiques au matériel, Ezurio fournit une pile de connectivité pré-testée complète (Figure 2). Cette approche permet d'éviter les incompatibilités entre les composants et accélère l'intégration système. La pile est continuellement mise à jour avec les dernières sources de pilotes et les derniers composants de noyau pour garantir des performances optimales.

Figure 2 : Le Sona TI351 est fourni avec une pile logicielle de connectivité complète. (Source de l'image : Ezurio)

Problèmes de sécurité et de certification

Les modules exploitent les fonctionnalités de sécurité avancées du Wi-Fi 6 et BLE 5.4. Côté Wi-Fi, ils offrent un support robuste pour les protocoles de sécurité WPA2/3 de niveau entreprise, y compris des mécanismes de chiffrement et d'authentification avancés.

Pour BLE, la fonctionnalité de données d'annonces chiffrées (Encrypted Advertising Data) permet la diffusion sécurisée d'informations sensibles sans avoir à établir des connexions continues, ce qui est particulièrement utile dans les systèmes immotiques transmettant des données environnementales ou des identifiants d'accès. De plus, la caractéristique de niveaux de sécurité BLE GATT permet différents niveaux de sécurité pour différents types de données, optimisant ainsi l'équilibre entre la surcharge de sécurité et les performances.

La conformité réglementaire peut être un véritable casse-tête, quel que soit le protocole choisi par les concepteurs, en particulier pour les dispositifs expédiés sur les marchés internationaux. Pour répondre à ces préoccupations, la gamme Sona TI351 est certifiée selon des normes telles que FCC (États-Unis), IC (Canada), CE (Europe), UKCA (Royaume-Uni), MIC (Japon), RCM (Australie/Nouvelle-Zélande) et KCC (Corée du Sud).

Les options CMS et M.2 offrent une flexibilité d'assemblage

Comme indiqué précédemment, la gamme Sona TI351 d'Ezurio est disponible dans plusieurs configurations pour répondre à des exigences applicatives spécifiques. Par exemple, le 453-00200R (Figure 3) utilise le facteur de forme CMS M.2 1216 compact de 12 mm x 16 mm avec une antenne monopuce intégrée. Cette conception permet l'assemblage automatisé tout en offrant une connexion renforcée capable de résister aux environnements industriels. Grâce à cette combinaison de fonctionnalités, le module est particulièrement adapté aux déploiements à haut volume où la fiabilité et le rendement de fabrication sont essentiels.

Figure 3 : Le Sona TI351 453-00200R est un module compact de 12 mm x 12 mm dans un facteur de forme CMS M.2 1216 avec une antenne monopuce intégrée. (Source de l'image : Ezurio)

Pour les applications exigeant une connectivité d'antenne externe, le 453-00199R (Figure 4) présente le même facteur de forme M.2 1216 renforcé mais dispose d'un connecteur MHF4L au lieu d'une antenne monopuce. Cette configuration permet l'utilisation d'antennes externes pour une réception optimale des signaux en environnements RF difficiles, tels que des boîtiers métalliques ou des zones à EMI élevées.

Figure 4 : Le module Sona TI351 453-00199R est doté d'un connecteur d'antenne MHF4L. (Source de l'image : Ezurio)

Contrairement aux deux exemples précédents, le 453-00209 (Figure 5) utilise un connecteur M.2 2230 Key E pour les configurations de systèmes enfichables. Cette fonctionnalité permet l'installation et le remplacement aisés sur le terrain, ce qui rend le dispositif particulièrement utile pour les applications de surveillance des équipements où il est essentiel de minimiser les temps d'arrêt du système pendant la maintenance.

Figure 5 : Le module Sona TI351 453-00209 utilise un connecteur M.2 2230 Key E pour les configurations de systèmes enfichables. (Source de l'image : Ezurio)

Cette gamme d'options permet aux concepteurs de systèmes d'optimiser leurs implémentations pour des cas d'utilisation spécifiques tout en maintenant la fiabilité et la facilité d'intégration.

Les antennes pré-certifiées rationalisent la conception RF

Pour les modules équipés du connecteur MHF4L, Ezurio propose une sélection d'options d'antennes pré-certifiées. Un exemple est l'antenne FlexPIFA 5 W EFB2471A3S-10MH4L (Figure 6) avec support adhésif pour faciliter l'intégration. Cette antenne triple bande (2,4/5/6 GHz, avec prise en charge de 7,125 GHz) maintient un faible rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS) moyen de 1,6:1 de 5,925 GHz à 7,125 GHz. Elle offre un gain de 3,9 dBi à 5 GHz et est particulièrement adaptée aux applications mondiales où les performances sur différentes bandes de fréquences sont essentielles.

Figure 6 : L'EFB2471A3S-10MH4L est une antenne 5 W triple bande 2,4/5/6 GHz. (Source de l'image : Ezurio)

Pour les applications de surveillance des équipements et d'IoT industriel (IIoT) stationnaires, le dispositif 001-0021 (Figure 7) offre une solution double bande 2,4/5 GHz. Il présente un rapport ROS < 2,5:1 à 2,4 GHz et un gain de 3 dBi à 5 GHz.

Figure 7 : Le 001-0021 est une antenne bi-bande 2,4/5 GHz. (Source de l'image : Ezurio)

La ligne d'antennes pré-certifiées peut considérablement rationaliser le développement de produits. Ezurio a déjà testé les antennes pour une utilisation avec les modules, réduisant ainsi le risque de problèmes de performances RF inattendus. Plus généralement, la combinaison des facteurs de forme des modules et des choix d'antennes permet aux concepteurs de systèmes d'optimiser leurs implémentations tout en maintenant la facilité d'intégration.

Le kit de développement offre un accès complet

Les concepteurs peuvent utiliser le kit de développement 453-00200-K1 (Figure 8) pour démarrer rapidement avec les modules. Ce kit complet utilise un module d'antenne monopuce 453-00200 et offre plusieurs interfaces logicielles et matérielles à un hôte Linux pour tester les fonctionnalités et les performances du module.

Figure 8 : Le kit de développement Sona TI351 est basé sur un module d'antenne monopuce 453-00200 et fournit des interfaces de communication et matérielles à un hôte Linux. (Source de l'image : Ezurio)

Le kit inclut des câbles haut et bas débit et des cartes filles/d'adaptateur qui se connectent aux dispositifs UART ou SDIO haut débit. Les embases, cavaliers et commutateurs intégrés facilitent la séparation des réseaux d'alimentation et de signalisation pour tester et mesurer la consommation d'énergie pendant le développement matériel et logiciel.

Conclusion

Les modules Sona TI351 répondent aux principaux défis de la connectivité sans fil dans les environnements industriels en intégrant des capacités sans fil avancées dans une conception compacte et robuste. La pré-certification des modules et des antennes, les multiples options de montage et facteurs de forme, ainsi qu'un kit de développement complet, permettent de minimiser le temps de développement et les risques.