Utiliser des modules sans fil multiprotocoles pour simplifier la conception et la certification des produits IoT

La connectivité sans fil permet aux concepteurs de transformer des produits basiques en éléments intelligents intégrés de l'Internet des objets (IoT), capables d'envoyer des données vers le cloud pour une analyse basée sur l'intelligence artificielle (IA) tout en permettant aux dispositifs de recevoir des instructions, des mises à jour micrologicielles et des améliorations de la sécurité over-the-air (OTA).

Mais ajouter une liaison sans fil à un produit n'est pas anodin. Avant même le début de la phase de conception, les concepteurs doivent choisir un protocole sans fil, ce qui peut être un défi de taille. Par exemple, plusieurs normes sans fil fonctionnent dans le spectre populaire et sans licence de 2,4 gigahertz (GHz). Chacune de ces normes représente un compromis en termes de portée, de débit et de consommation d'énergie. Le choix du meilleur protocole pour une application donnée requiert une évaluation minutieuse des exigences par rapport aux caractéristiques d'un protocole.

Ensuite, même avec des émetteurs-récepteurs modernes hautement intégrés, la conception du circuit radiofréquence (RF) est un défi pour de nombreuses équipes de conception, entraînant des dépassements de coûts et de calendrier. De plus, un produit RF doit présenter un fonctionnement certifié, ce qui en soi peut constituer un processus complexe et chronophage.

Une solution consiste à baser la conception sur un module certifié qui utilise un système sur puce (SoC) multiprotocole. Cela élimine la complexité de la conception RF avec des composants discrets et permet une flexibilité dans le choix du protocole sans fil. Cette approche par module offre aux concepteurs une solution sans fil prête à l'emploi, facilitant grandement l'intégration de la connectivité sans fil dans les produits et l'obtention de la certification.

Cet article étudie les avantages de la connectivité sans fil, examine les points forts de quelques protocoles sans fil clés de 2,4 GHz, analyse brièvement les problèmes de conception matérielle et présente un module RF approprié de Würth Elektronik. L'article aborde également le processus de certification requis pour satisfaire aux réglementations internationales, examine le développement de logiciels d'application et présente un kit de développement logiciel (SDK) pour aider les concepteurs à démarrer avec le module.

Avantages des émetteurs-récepteurs multiprotocoles

Aucun secteur sans fil à courte portée ne domine, car chacun fait des compromis pour satisfaire les applications cibles. Par exemple, une plus grande portée et/ou un meilleur débit sont obtenus au prix d'une consommation plus élevée. D'autres facteurs importants à prendre en compte sont l'immunité aux interférences, la capacité de mise en réseau maillé et l'interopérabilité du protocole Internet (IP).

Parmi les différentes technologies sans fil à courte portée établies, il existe trois leaders incontestés : Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE), Zigbee et Thread. Ils partagent certaines similitudes en raison d'un ADN commun issu de la spécification IEEE 802.15.4. Cette spécification décrit la couche physique (PHY) et la couche de contrôle d'accès au support (MAC) pour les réseaux personnels sans fil (WPAN) bas débit. Ces technologies fonctionnent généralement à 2,4 GHz, même s'il existe des variantes sub-GHz de Zigbee.

Bluetooth LE convient aux applications IoT telles que les capteurs de maison intelligente où les taux de transmission de données sont modestes et les transmissions peu fréquentes (Figure 1). L'interopérabilité de Bluetooth LE avec les puces Bluetooth contenues dans la plupart des smartphones constitue également un gros avantage pour les applications grand public comme les dispositifs corporels. Les principaux inconvénients de cette technologie sont la nécessité d'avoir une passerelle onéreuse et énergivore pour la connexion au cloud, ainsi que les capacités peu pratiques de mise en réseau maillé.

Figure 1 : Bluetooth LE est bien adapté aux capteurs de maison intelligente tels que les caméras et les thermostats. Son interopérabilité avec les smartphones simplifie la configuration des produits compatibles. (Source de l'image : Nordic Semiconductor)

Zigbee constitue également un bon choix pour les applications basse consommation et bas débit dans l'automatisation industrielle et les usages commerciaux et domestiques. Son débit est inférieur à celui du Bluetooth LE, tandis que sa portée et sa consommation sont similaires. Le protocole Zigbee n'est pas interopérable avec les smartphones et n'offre pas de capacité IP native. L'un des principaux avantages de Zigbee réside dans le fait qu'il a été conçu dès le départ pour les réseaux maillés.

Thread, comme Zigbee, fonctionne avec les couches PHY et MAC IEEE 802.15.4, et a été conçu pour prendre en charge de vastes réseaux maillés comportant jusqu'à 250 dispositifs. Thread diffère de Zigbee par son utilisation de 6LoWPAN (une combinaison IPv6 et WPAN basse consommation), simplifiant la connectivité avec d'autres dispositifs et avec le cloud, malgré la nécessité d'un périphérique réseau appelé « routeur interzone » (border router). (Voir Petit guide des points importants concernant les technologies sans fil à courte portée.)

Si les protocoles basés sur des normes dominent, il existe toujours un créneau pour les protocoles 2,4 GHz propriétaires. Bien qu'ils limitent la connectivité à d'autres dispositifs équipés de puces du même fabricant, ces protocoles peuvent être réglés avec précision pour optimiser la consommation d'énergie, la portée, l'immunité aux interférences ou d'autres paramètres opérationnels importants. Les couches MAC et PHY IEEE 802.15.4 sont parfaitement capables de prendre en charge des technologies sans fil 2,4 GHz propriétaires.

La popularité de ces trois protocoles à courte portée et la flexibilité offerte par les technologies 2,4 GHz propriétaires font qu'il est difficile de choisir celui qui conviendra le mieux au plus grand nombre d'applications. Auparavant, un concepteur devait choisir une technologie sans fil, puis remanier le produit s'il y avait une demande pour une variante utilisant un protocole différent. Mais comme les protocoles utilisent des couches PHY basées sur une architecture similaire et fonctionnent dans le spectre 2,4 GHz, de nombreux fournisseurs de puces proposent des émetteurs-récepteurs multiprotocoles.

Ces puces permettent de reconfigurer une conception matérielle unique pour plusieurs protocoles simplement en téléchargeant un nouveau logiciel. Mieux encore, le produit peut être livré avec plusieurs piles logicielles, la permutation entre chacune étant supervisée par un microcontrôleur (MCU). Cela peut permettre, par exemple, d'utiliser Bluetooth LE pour configurer un thermostat de maison intelligente à partir d'un smartphone avant que le dispositif ne change de protocole pour rejoindre un réseau Thread.

Le SoC nRF52840 de Nordic Semiconductor prend en charge les piles Bluetooth LE, Bluetooth Mesh, Thread, Zigbee, IEEE 802.15.4, ANT+ et 2,4 GHz propriétaires. Le SoC de Nordic intègre également un microcontrôleur Arm® Cortex®-M4 — qui gère le protocole RF et le logiciel d'application — et 1 méga-octet (Mo) de mémoire Flash et 256 kilo-octets (Ko) de RAM. Lorsqu'il fonctionne en mode Bluetooth LE, le SoC offre un débit de données brutes maximum de 2 mégabits par seconde (Mb/s). La consommation de courant d'émission de son alimentation d'entrée de 3 volts (V) CC est de 5,3 milliampères (mA) à 0 décibel référencé à 1 milliwatt (dBm) de puissance de sortie, et la consommation de courant de réception (RX) est de 6,4 mA à un débit de données brutes de 1 Mb/s. La puissance d'émission maximum du nRF52840 est de +8 dBm et sa sensibilité est de -96 dBm (Bluetooth LE à 1 Mb/s).

L'importance d'une bonne conception RF

Bien que les SoC sans fil tels que le nRF52840 de Nordic soient des dispositifs très performants, ils requièrent néanmoins des compétences de conception considérables pour maximiser leurs performances RF. L'ingénieur doit notamment tenir compte de facteurs tels que le filtrage de l'alimentation, les circuits de temporisation de quartz externes, la conception et le placement de l'antenne et, surtout, l'adaptation d'impédance.

Le paramètre clé qui différencie un bon circuit RF d'un circuit médiocre est son impédance (Z). À hautes fréquences, par exemple aux 2,4 GHz utilisés par une radio à courte portée, l'impédance à un point donné sur une piste RF est liée à l'impédance caractéristique de cette piste, qui à son tour dépend du substrat du circuit imprimé, des dimensions de la piste, de sa distance de la charge et de l'impédance de la charge.

Il s'avère que lorsque l'impédance de charge — qui pour un système d'émission est l'antenne et pour un système de réception est le SoC émetteur-récepteur — est égale à l'impédance caractéristique, l'impédance mesurée reste la même à n'importe quelle distance le long de la piste par rapport à la charge. En conséquence, les pertes de ligne sont minimisées et la puissance maximum est transférée de l'émetteur à l'antenne, améliorant ainsi la robustesse et la portée. Cela en fait une bonne pratique de conception pour construire un réseau d'adaptation qui garantit que l'impédance d'un dispositif RF est égale à l'impédance caractéristique de la piste de circuit imprimé. (Voir Les outils et systèmes sur puce Bluetooth Low Energy, compatibles avec Bluetooth® 4.1, 4.2 et 5, répondent aux défis de l'IoT (2e partie).)

Le réseau d'adaptation comprend une ou plusieurs inductances shunts et des condensateurs en série. Le défi pour le concepteur consiste à sélectionner la meilleure topologie de réseau et les meilleures valeurs de composants. Les fabricants proposent souvent des logiciels de simulation pour aider à la conception de circuits d'adaptation, mais même après avoir suivi de bonnes règles de conception, le circuit résultant peut souvent présenter des performances RF décevantes, manquant de portée et de fiabilité. Cela conduit à davantage d'itérations de conception pour corriger le réseau d'adaptation (Figure 2).

Figure 2 : Le nRF52840 de Nordic requiert des circuits externes pour exploiter ses fonctionnalités. Les circuits externes incluent le filtrage de la tension d'entrée, la prise en charge de la temporisation de quartz externe et, pour la connexion à la broche d'antenne (ANT) du SoC, des circuits d'adaptation d'impédance entre le SoC et une antenne. (Source de l'image : Nordic Semiconductor)

Les avantages d'un module

La conception d'un circuit sans fil à courte portée à l'aide de composants discrets présente certains avantages, notamment des coûts de nomenclature (BoM) inférieurs et des économies d'espace. Cependant, même si le concepteur suit l'une des nombreuses excellentes conceptions de référence des fournisseurs de SoC, d'autres facteurs — tels que la qualité et les tolérances des composants, la disposition de la carte, les caractéristiques du substrat et le boîtier du dispositif d'extrémité — peuvent affecter considérablement les performances RF.

Une approche alternative consiste à baser la connectivité sans fil autour d'un module tiers. Les modules sont des solutions entièrement assemblées, optimisées et testées qui permettent une connectivité sans fil « prête à l'emploi ». Dans la plupart des cas, le module est déjà certifié pour une utilisation sur les marchés mondiaux, ce qui permet au concepteur d'économiser le temps et l'argent nécessaires pour obtenir la certification de réglementation RF.

L'utilisation de modules présente certains inconvénients. Ces inconvénients incluent des dépenses accrues (en fonction du volume), un produit final plus volumineux, la dépendance à l'égard d'un seul fournisseur et de sa capacité à fournir de grandes quantités, et (parfois) un nombre réduit de broches accessibles par rapport au SoC sur lequel le module est basé. Mais si la simplicité de conception et la rapidité de mise sur le marché l'emportent sur ces inconvénients, alors un module est la bonne solution.

Un exemple utilisant le nRF52840 de Nordic est le module radio Setebos-I 2,4 GHz 2611011024020 de Würth Elektronik. Le module compact mesure 12 millimètres (mm) × 8 mm × 2 mm, est doté d'une antenne intégrée et d'un capot pour minimiser les interférences électromagnétiques (EMI), et est fourni avec un micrologiciel pour prendre en charge Bluetooth 5.1 ainsi que les protocoles 2,4 GHz propriétaires (Figure 3). Comme décrit ci-dessus, le SoC au cœur du module est également capable de prendre en charge Thread et Zigbee — avec l'ajout du micrologiciel approprié.

Figure 3 : Le module radio Setebos-I 2,4 GHz présente un facteur de forme compact, est équipé d'une antenne intégrée et est fourni avec un capot pour limiter les EMI. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Le module accepte une entrée de 1,8 V à 3,6 V et, lorsqu'il est en mode veille, ne consomme que 0,4 microampère (µA). Sa fréquence de fonctionnement couvre la bande industrielle, scientifique et médicale (ISM), centrée sur 2,44 GHz (2,402 GHz à 2,480 GHz). En conditions idéales, avec une puissance de sortie de 0 dBm, la portée en visibilité directe entre l'émetteur et le récepteur peut atteindre 600 mètres (m), et le débit Bluetooth LE maximum est de 2 Mb/s. Le module est équipé d'une antenne quart d'onde (3,13 centimètres (cm)) intégrée, mais il est également possible d'augmenter la portée en connectant une antenne externe à la borne ANT sur le module (Figure 4).

Figure 4 : Le module radio Setebos-I 2,4 GHz est équipé d'une broche pour une antenne externe (ANT) afin d'étendre la portée de la radio. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Le module radio Setebos-I permet d'accéder aux broches du SoC nRF52840 via des pastilles de soudure. Le Tableau 1 répertorie la fonction de chaque broche de module. Les broches « B2 » à « B6 » sont des GPIO programmables qui sont utiles pour connecter des capteurs tels que des dispositifs de température, d'humidité et de qualité de l'air.

Tableau 1 : Désignations des broches du module radio Setebos-I 2,4 GHz. Les sorties LED peuvent être utilisées pour indiquer l'émission et la réception radio. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Certification des produits sans fil à courte portée

Bien que la bande 2,4 GHz soit une attribution de spectre sans licence, les dispositifs radio fonctionnant dans la bande doivent toujours respecter les réglementations locales telles que celles imposées par la FCC (Federal Communications Commission) aux États-Unis, la Déclaration UE de conformité (CE) ou TELEC (Telecom Engineering Center) au Japon. Pour satisfaire à ces réglementations, un produit doit être soumis à des tests et à des certifications, ce qui peut prendre du temps et coûter cher. Si le produit RF échoue à une partie quelconque du test, le test doit être entièrement renouvelé. Si le module doit être utilisé en mode Bluetooth, il aura également besoin d'une homologation Bluetooth du Bluetooth Special Interest Group (SIG).

La certification du module ne confère pas automatiquement la certification au produit fini utilisant le module. Mais cela transforme généralement la certification des produits finis en une simple formalité plutôt qu'en une phase étendue de nouveaux tests — à condition qu'ils n'utilisent pas de dispositifs sans fil supplémentaires tels que Wi-Fi. Il en va généralement de même pour l'obtention de l'homologation Bluetooth. Une fois certifiés, les produits utilisant le module portent une étiquette indiquant FCC, CE et autres numéros d'identification pertinents (Figure 5).

Figure 5 : Exemple d'étiquette d'identification apposée sur le module Setebos-I pour indiquer qu'il a obtenu les certifications RF CE et FCC. La certification peut généralement être héritée par le produit fini sans nouvelle phase de test, moyennant quelques formalités. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Les fabricants de modules s'efforcent généralement d'obtenir la certification RF (et l'homologation Bluetooth, le cas échéant) pour leurs modules pour les régions dans lesquelles ils ont l'intention de vendre les produits. C'est ce qu'a fait Würth Elektronik pour le module radio Setebos-I, qui doit toutefois être utilisé avec le micrologiciel d'usine. Dans le cas d'un fonctionnement Bluetooth, le module est pré-certifié, à condition qu'il soit utilisé avec la pile d'usine Bluetooth LE S140 de Nordic ou une pile fournie via le kit de développement logiciel nRF Connect SDK.

Les micrologiciels de Würth et Nordic sont robustes et adaptés à toutes les applications. Mais si le concepteur décide de reprogrammer le module avec une pile à norme ouverte Bluetooth LE ou 2,4 GHz propriétaire, ou une pile d'un autre fournisseur commercial, il devra recommencer les programmes de certification à partir de zéro pour les régions d'exploitation prévues.

Outils de développement pour le module radio Setebos-I

Pour les développeurs avancés, le kit nRF Connect SDK de Nordic offre un outil de conception complet pour développer un logiciel d'application pour le SoC nRF52840. L'extension nRF Connect for VS Code est l'environnement de développement intégré (IDE) recommandé dans lequel exécuter le nRF Connect SDK. Il est également possible d'utiliser le nRF Connect SDK pour télécharger un autre protocole Bluetooth LE ou 2,4 GHz propriétaire sur le nRF52840. (Voir les commentaires ci-dessus concernant l'impact sur la certification du module.)

Le nRF Connect SDK fonctionne avec le kit de développement nRF52840 DK (Figure 6). Le matériel inclut le SoC nRF52840 et prend en charge le développement et le test de code prototype. Une fois le logiciel d'application prêt, le nRF52840 DK peut agir comme un programmateur J-LINK pour porter le code vers la mémoire Flash du nRF52840 du module radio Setebos-I via les broches « SWDCLK » et « SWDIO » du module.

Figure 6 : Le nRF52840 DK de Nordic peut être utilisé pour développer et tester un logiciel d'application. Le kit de développement peut ensuite être utilisé pour programmer d'autres SoC nRF52840, comme celui utilisé sur le module Setebos-I. (Source de l'image : Nordic Semiconductor)

Le logiciel d'application développé à l'aide des outils de développement de Nordic est destiné à être exécuté sur le microcontrôleur Arm Cortex-M4 embarqué du nRF52840. Mais il se peut que le produit fini soit déjà équipé d'un autre microcontrôleur, et que le développeur souhaite l'utiliser pour exécuter le code d'application et superviser la connectivité sans fil. Ou le développeur peut être plus à l'aise avec les outils de développement pour d'autres microprocesseurs hôtes populaires, tels que le STM32F429ZIY6TR de STMicroelectronics. Ce processeur est également basé sur un cœur Arm Cortex-M4.

Pour permettre à un microprocesseur hôte externe d'exécuter le logiciel d'application et de superviser le SoC nRF52840, Würth Elektronik propose son kit de connectivité sans fil Wireless Connectivity SDK. Le SDK est un ensemble d'outils logiciels permettant l'intégration logicielle rapide des modules sans fil de l'entreprise avec de nombreux processeurs populaires, y compris la puce STM32F429ZIY6TR. Le SDK se compose de pilotes et d'exemples en C qui utilisent les périphériques UART, SPI ou USB de la plateforme sous-jacente pour communiquer avec le périphérique radio connecté (Figure 7). Le développeur transfère simplement le code C du SDK vers le processeur hôte. Cela réduit considérablement le temps requis pour développer une interface logicielle pour le module radio.

Figure 7 : Le pilote du Wireless Connectivity SDK permet aux développeurs de commander facilement le module radio Setebos-I via un port UART à l'aide d'un microprocesseur hôte externe. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Le module radio Setebos-I utilise une « interface de commande » pour les tâches de configuration et d'exécution. Cette interface fournit jusqu'à 30 commandes qui accomplissent des tâches telles que la mise à jour de divers paramètres du dispositif, l'émission et la réception de données et le placement du module dans l'un des nombreux modes basse consommation. Le dispositif radio connecté doit fonctionner en mode commande pour utiliser le kit Wireless Connectivity SDK.

Conclusion

Il peut être difficile de choisir un seul protocole sans fil pour un produit connecté, et encore plus difficile de concevoir le circuit radio à partir de zéro. Un module radio tel que le Setebos-I de Würth Elektronik offre non seulement une flexibilité dans le choix du protocole, mais également une solution de connectivité directe qui répond aux exigences réglementaires des différentes régions d'exploitation. Le module Setebos-I est fourni avec le kit Wireless Connectivity SDK de Würth, qui permet aux développeurs de contrôler simplement et rapidement le module avec le microcontrôleur hôte de leur choix.