Simplifique la integración inalámbrica industrial mediante módulos Wi-Fi 6 precertificados con Bluetooth LE

Con el auge del Internet de las Cosas (IoT), la conectividad inalámbrica se ha convertido en un requisito fundamental para aplicaciones industriales que van desde la supervisión de equipos y el seguimiento de activos hasta la automatización de edificios. Los diseñadores que desean implantar esta conectividad se enfrentan a múltiples retos, como la integración de chipsets inalámbricos, antenas, componentes de software, certificación global, seguridad y fiabilidad en entornos difíciles.

Estos desafíos pueden superarse optando por módulos Wi-Fi 6 resistentes y precertificados con Bluetooth de baja energía (BLE) 5.4 que ofrecen las funciones necesarias al tiempo que simplifican la integración.

Este artículo analiza los retos de la conectividad inalámbrica para los diseñadores de sistemas industriales y presenta ejemplos de módulos Wi-Fi 6 de Ezurio precertificados con BLE 5.4. También habla de antenas precertificadas y de un kit de desarrollo asociado.

Principales desafíos de las comunicaciones inalámbricas industriales

Los entornos industriales contienen un número cada vez mayor de puntos finales que necesitan compartir datos de alta velocidad, y las redes inalámbricas son a menudo el único medio práctico de comunicar estos datos.

Esto puede provocar la congestión de la red en el caso de las tecnologías inalámbricas más antiguas, con problemas de latencia y pérdida de paquetes que afectan a la eficacia operativa. Una tecnología de comunicaciones obsoleta también puede dejar las redes vulnerables a los ciberataques.

Las tecnologías modernas, como Wi-Fi 6 y BLE 5.4, pueden resolver estos problemas, pero su desarrollo e integración requieren sólidos conocimientos de RF, especialmente en dispositivos con limitaciones de espacio y aplicaciones de retroadaptación. Además, muchas soluciones inalámbricas requieren pasos de montaje manuales, lo que ralentiza la producción y aumenta los costos.

La fiabilidad es otro motivo de preocupación. Muchos entornos industriales presentan importantes interferencias electromagnéticas (EMI), temperaturas extremas y vibraciones y choques. Por último, numerosas aplicaciones exigen un bajo consumo de energía para prolongar la vida útil de la batería y garantizar al mismo tiempo el cumplimiento de las normas mundiales.

Una solución sólida: Módulos Wi-Fi 6 con Bluetooth LE 5.4

Los módulos Sona TI351 de Ezurio abordan los desafíos de la conectividad inalámbrica industrial combinando Wi-Fi y BLE en sólidos paquetes precertificados (Figura 1). Estos módulos, creados en torno al CI complementario Wi-Fi y BLE SimpleLink CC3351 de Texas Instruments, están disponibles en variantes con tecnología de montaje en superficie (SMT) y enchufables, con la posibilidad de elegir entre una antena de chip integrada o un conector de antena.

Figura 1: Sona TI351 es una familia de módulos Wi-Fi 6 y BLE 5.4 compactos y precertificados en variantes SMT y conectables con antenas integradas o conectores de antena. (Fuente de la imagen: Ezurio)

Todos los módulos son compatibles con Wi-Fi 6 (802.11ax) a través de una interfaz SDIO 2.0 con transferencia de datos a alta velocidad y detección y corrección de errores integradas. Wi-Fi 6 ofrece varias funciones que favorecen un rendimiento fiable en redes industriales congestionadas:

• El acceso múltiple por división ortogonal de frecuencias (OFDMA) permite la transmisión simultánea desde varios dispositivos IoT en el mismo canal, lo que aumenta la eficiencia en implementaciones densas.
• El tiempo de activación objetivo (TWT) optimiza la duración de la batería permitiendo programar con precisión las horas de activación del dispositivo.
• La compatibilidad con doble banda ofrece flexibilidad para diferentes casos de uso: 2.4 gigahercios (GHz) garantiza una mejor penetración en los obstáculos, mientras que 5 GHz proporciona un mayor ancho de banda.
• Una potencia de transmisión de 18 decibelios referida a 1 milivatio (dBm) proporciona una cobertura fiable en grandes espacios industriales.

Los módulos son compatibles con BLE 5.4 a través de un canal UART de alta velocidad (HS-UART). BLE 5.4 es un protocolo muy adecuado para entornos industriales. Es compatible:

• Publicidad periódica con respuesta (PAwR) para reducir el consumo de energía utilizando ventanas de transmisión predeterminadas.
• Transferencia periódica de sincronización publicitaria (PAST) para simplificar la gestión de la red permitiendo a los dispositivos primarios compartir datos de sincronización.
• Capa física (PHY) LE de 2 megabits por segundo (Mbit/s) para soportar una transmisión rápida de datos con un rápido retorno al modo de reposo, lo que mejora aún más la eficiencia energética.
• Modo LE de largo alcance para una comunicación fiable a grandes distancias

Los módulos admiten la coexistencia de Wi-Fi y Bluetooth para aplicaciones que requieran ambos protocolos.

Un diseño de alta fiabilidad

Los módulos Sona TI351 incorporan un amplificador de potencia (PA) integrado que potencia la intensidad de la señal saliente para garantizar un funcionamiento fiable en entornos exigentes. En el lado de entrada, un amplificador de bajo ruido (LNA) mejora la recepción de la señal amplificando las señales débiles y minimizando las interferencias de ruido. Esta combinación garantiza una conectividad inalámbrica estable incluso en entornos con importantes interferencias electromagnéticas y obstáculos físicos.

Los módulos también están diseñados para ofrecer fiabilidad física. Las versiones SMT tienen conexiones sólidas que toleran vibraciones y tensiones mecánicas, mientras que la opción de antena integrada elimina un posible punto de fallo. Ambos tienen un rango de temperatura de funcionamiento de -40 ºC a 85 ºC.

Amplio soporte de software para los sistemas operativos Linux y Android

Los módulos Sona TI351 incluyen un completo soporte de software para los sistemas operativos Linux y Android. En el caso de Linux, la pila de conectividad se ha probado en varias versiones del núcleo, con controladores de versiones anteriores a la v2.6.37 para garantizar la compatibilidad con núcleos más antiguos. La pila es compatible con entornos de compilación conocidos, como Buildroot, Yocto y Ubuntu.

En lugar de proporcionar únicamente los controladores específicos del hardware, Ezurio ofrece una pila de conectividad completa y probada previamente (Figura 2). Este planteamiento ayuda a evitar incompatibilidades entre componentes y acelera la integración del sistema. La pila se mantiene continuamente con los últimos controladores y componentes del núcleo para garantizar un rendimiento óptimo.

Figura 2: Sona TI351 incluye una completa pila de software de conectividad. (Fuente de la imagen: Ezurio)

Preocupaciones de seguridad y certificación

Los módulos aprovechan las avanzadas funciones de seguridad de Wi-Fi 6 y BLE 5.4. En cuanto a la conexión Wi-Fi, ofrecen una sólida compatibilidad con los protocolos de seguridad WPA2/3 de nivel empresarial, incluidos mecanismos avanzados de cifrado y autenticación.

En el caso de BLE, la función de datos publicitarios cifrados permite la difusión segura de información sensible sin la sobrecarga de establecer conexiones continuas, lo que resulta especialmente útil en los sistemas de automatización de edificios que transmiten datos medioambientales o credenciales de acceso. Además, la Característica de niveles de seguridad del perfil de atributos genéricos (GATT) de BLE permite diferentes niveles de seguridad para varios tipos de datos, optimizando el equilibrio entre la sobrecarga de seguridad y el rendimiento.

El cumplimiento de la normativa puede ser un quebradero de cabeza importante, independientemente del protocolo que elijan los diseñadores, sobre todo en el caso de los dispositivos que se envían al extranjero. Para responder a estas preocupaciones, la familia Sona TI351 está certificada según las normas FCC (EE.UU.), IC (Canadá), CE (Europa), UKCA (Reino Unido), MIC (Japón), RCM (Australia/Nueva Zelanda) y KCC (Corea del Sur).

Las opciones SMT y M.2 proporcionan flexibilidad de montaje

Como ya se ha indicado, la familia Ezurio Sona TI351 está disponible en varias configuraciones para satisfacer los requisitos de aplicaciones específicas. Por ejemplo, el 453-00200R (Figura 3) utiliza el factor de forma compacto M.2 1216 SMT de 12 x 16 milímetros (mm) con una antena de chip integrada. Este diseño permite el montaje automatizado al tiempo que proporciona una conexión robusta que puede soportar entornos industriales. Esta combinación de características hace que el módulo sea especialmente adecuado para implantaciones de gran volumen en las que la fiabilidad y la eficiencia de fabricación son fundamentales.

Figura 3: Sona TI351 453-00200R es un módulo compacto de 12 x 12 mm en formato M.2 1216 SMT con antena de chip integrada. (Fuente de la imagen: Ezurio)

Para aplicaciones que requieren conectividad de antena externa, el 453-00199R (Figura 4) tiene el mismo factor de forma M.2 1216 reforzado, pero ofrece un conector MHF4L en lugar de una antena de chip. Esta configuración permite el uso de antenas externas para una recepción óptima de la señal en entornos de RF difíciles, como recintos metálicos o zonas con una elevada EMI.

Figura 4: El módulo Sona TI351 453-00199R incorpora un conector de antena MHF4L. (Fuente de la imagen: Ezurio)

A diferencia de los dos ejemplos anteriores, el 453-00209 (Figura 5) utiliza un conector M.2 2230 Key E para configuraciones de sistema conectables. Esta característica permite una fácil instalación y sustitución sobre el terreno, lo que la hace especialmente útil para aplicaciones de supervisión de equipos en las que es crucial minimizar el tiempo de inactividad del sistema durante el mantenimiento.

Figura 5: El módulo Sona TI351 453-00209 utiliza un conector M.2 2230 Key E para configuraciones de sistema enchufables. (Fuente de la imagen: Ezurio)

Esta gama de opciones permite a los diseñadores de sistemas optimizar sus implementaciones para casos de uso específicos, manteniendo al mismo tiempo la fiabilidad y la facilidad de integración.

Las antenas precertificadas agilizan el diseño de RF

Para los módulos equipados con el conector MHF4L, Ezurio ofrece una gama de opciones de antena precertificadas. Un ejemplo es la antena planar flexible en forma de F invertida (FlexPIFA) EFB2471A3S-10MH4L de 5 W (figura 6) con soporte adhesivo para facilitar su integración. Esta antena de triple banda (2.4/5/6 GHz, con soporte para 7.125 GHz) mantiene una baja relación media de ondas estacionarias de tensión (VSWR) de 1.6:1 entre 5.925 y 7.125 GHz. Tiene una ganancia de 3.9 decibelios con respecto a la isotrópica (dBi) a 5 GHz y es especialmente adecuada para aplicaciones globales en las que es esencial el rendimiento en distintas bandas de frecuencia.

Figura 6: La EFB2471A3S-10MH4L es una antena de triple banda de 2.4/5/6 GHz y 5 W. (Fuente de la imagen: Ezurio)

Para aplicaciones estacionarias de IoT industrial (IIoT) y monitorización de equipos, el 001-0021 (Figura 7) ofrece una solución de doble banda de 2.4/5 GHz. Tiene una VSWR de <2.5:1 a 2.4 GHz y una ganancia de 3 dBi a 5 GHz.

Figura 7: La 001-0021 es una antena de doble banda de 2.4/5 GHz. (Fuente de la imagen: Ezurio)

La gama de antenas precertificadas puede agilizar considerablemente el desarrollo de productos. Ezurio ya ha probado las antenas para su uso con los módulos, lo que reduce el riesgo de problemas inesperados de rendimiento de RF. En términos más generales, la combinación de factores de forma de los módulos y opciones de antena permite a los diseñadores de sistemas optimizar sus implementaciones al tiempo que mantienen la facilidad de integración.

El kit de desarrollo proporciona acceso completo

Los diseñadores pueden utilizar el kit de desarrollo 453-00200-K1 (Figura 8) para empezar a trabajar rápidamente con los módulos. Este completo kit utiliza un módulo de antena de chip 453-00200 y dispone de múltiples interfaces de software y hardware con un host Linux para probar la funcionalidad y el rendimiento del módulo.

Figura 8: El kit de desarrollo Sona TI351 se basa en un módulo de antena chip 453-00200 y proporciona interfaces de comunicaciones y hardware a un host Linux. (Fuente de la imagen: Ezurio)

El kit incluye cables de alta y baja velocidad y adaptadores/placas base que se conectan a dispositivos UART o SDIO de alta velocidad. Los cabezales, puentes e interruptores integrados facilitan la separación de las redes de alimentación y señal para probar y medir el consumo de energía durante el desarrollo de hardware y software.

Conclusión:

Los módulos Sona TI351 abordan los principales retos de conectividad inalámbrica en entornos industriales integrando funciones inalámbricas avanzadas en un diseño compacto y resistente. La certificación previa tanto de los módulos como de las antenas, las múltiples opciones de montaje y factores de forma, y un completo kit de desarrollo minimizan el tiempo y el riesgo de desarrollo.