Utilice módulos inalámbricos multiprotocolo para simplificar el diseño y la certificación de productos IoT

La conectividad inalámbrica permite a los diseñadores convertir productos tontos en elementos inteligentes e integrados de la Internet de las cosas (IoT) que pueden enviar datos a la nube para realizar análisis basados en inteligencia artificial (IA), al tiempo que permiten a los dispositivos recibir instrucciones por aire (OTA), actualizaciones de firmware y mejoras de seguridad.

Pero añadir un enlace inalámbrico a un producto no es trivial. Antes incluso de empezar la fase de diseño, los diseñadores tienen que elegir un protocolo inalámbrico, lo que puede resultar desalentador. Por ejemplo, varios estándares inalámbricos operan en el popular espectro de 2.4 gigahercios (GHz), libre de licencias. Cada uno de estos estándares representa un compromiso en términos de alcance, tasa de producción y consumo de energía. Seleccionar el mejor para una aplicación determinada requiere una evaluación cuidadosa de sus requisitos frente a las características de un protocolo.

Además, incluso con los modernos transceptores altamente integrados, el diseño del circuito de radiofrecuencia (RF) es un reto para muchos equipos de diseño, lo que provoca sobrecostos y retrasos en los plazos. Además, un producto de radiofrecuencia necesita una certificación de funcionamiento, lo que en sí mismo puede ser un proceso largo, complejo y complicado.

Una solución es basar el diseño en un módulo certificado que utilice un sistema en chip (SoC) multiprotocolo. Esto elimina la complejidad del diseño de RF con componentes discretos y permite flexibilidad en la elección del protocolo inalámbrico. Este enfoque modular ofrece a los diseñadores una solución inalámbrica lista para usar, lo que facilita enormemente la integración de la conectividad inalámbrica en los productos y la obtención de la certificación.

Este artículo analiza las ventajas de la conectividad inalámbrica, examina los puntos fuertes de algunos protocolos inalámbricos clave de 2.4 GHz, analiza brevemente los problemas de diseño del hardware y presenta un módulo RF adecuado de Würth Elektronik. El artículo también analiza el proceso de certificación necesario para cumplir la normativa mundial, considera el desarrollo de software de aplicación y presenta un kit de desarrollo de software (SDK) para ayudar a los diseñadores a iniciarse en el módulo.

Las ventajas de los transceptores multiprotocolo

Ningún sector inalámbrico de corto alcance domina porque cada uno hace concesiones para satisfacer sus aplicaciones objetivo. Por ejemplo, un mayor alcance y/o tasa de producción tiene como contrapartida un mayor consumo de energía. Otros factores importantes a tener en cuenta son la inmunidad a las interferencias, la capacidad de conexión en red en malla y la interoperabilidad con el protocolo de Internet (IP).

De las diversas tecnologías inalámbricas de corto alcance establecidas, hay tres claras líderes: Bluetooth de baja energía (Bluetooth LE), ZigBee y Thread. Comparten algunas similitudes debido a un ADN compartido de la especificación IEEE 802.15.4. Esta especificación describe las capas física (PHY) y de control de acceso al medio (MAC) para redes inalámbricas de área personal (WPAN) de baja velocidad de datos. Las tecnologías generalmente funcionan a 2.4 GHz, aunque existen algunas variantes sub-GHz de Zigbee.

Bluetooth LE es adecuado para aplicaciones IoT, como sensores domésticos inteligentes, donde las velocidades de transmisión de datos son modestas y se producen con poca frecuencia (Figura 1). La interoperabilidad de Bluetooth LE con los chips Bluetooth que incorporan la mayoría de los teléfonos inteligentes es también una gran ventaja para las aplicaciones orientadas al consumidor, como los dispositivos para vestir. Las principales desventajas de esta tecnología son la necesidad de una puerta de enlace cara y de alto consumo para conectarse a la nube y la escasa capacidad de las redes en malla.

Figura 1: Bluetooth LE es muy adecuado para sensores domésticos inteligentes como cámaras y termostatos. Su interoperabilidad con teléfonos inteligentes simplifica la configuración de productos compatibles. (Fuente de la imagen: Nordic Semiconductor)

ZigBee también es una buena opción para aplicaciones de bajo consumo y baja tasa de producción en automatización industrial, comercial y doméstica. Su tasa de producción es inferior a la de Bluetooth LE, mientras que su alcance y consumo de energía son similares. Zigbee no es compatible con teléfonos inteligentes, ni ofrece capacidad de IP nativa. Una de las principales ventajas de ZigBee es que está diseñado desde cero para redes malladas.

Red, al igual que ZigBee, funciona con la PHY y MAC IEEE 802.15.4 y ha sido diseñada para soportar grandes redes en malla de hasta 250 dispositivos. Thread se diferencia de Zigbee en el uso del 6LoWPAN (una combinación del IPv6 y las WPAN de bajo consumo), lo que hace que la conectividad con otros dispositivos y la nube sea directa, aunque a través de un dispositivo de borde de red llamado enrutador de borde. (Véase "Breve guía de lo que importa en las tecnologías inalámbricas de corto alcance").

Aunque dominan los protocolos basados en estándares, sigue habiendo un nicho para los protocolos propietarios de 2.4 GHz. Aunque limitan la conectividad con otros dispositivos equipados con el mismo chip del fabricante, estos protocolos pueden ajustarse con precisión para optimizar el consumo de energía, el alcance, la inmunidad a las interferencias u otros parámetros operativos importantes. Una PHY y MAC IEEE 802.15.4 es perfectamente compatible con la tecnología inalámbrica propietaria de 2.4 GHz.

La popularidad de estos tres protocolos de corto alcance y la flexibilidad que ofrece la tecnología propietaria de 2.4 GHz dificultan la elección del más adecuado para el más amplio conjunto de aplicaciones. Antes, un diseñador tenía que elegir una tecnología inalámbrica y luego rediseñar el producto si había demanda de una variante que utilizara un protocolo distinto. Pero como los protocolos utilizan PHY basados en una arquitectura similar y operan en el espectro de 2.4 GHz, muchos proveedores de silicio ofrecen transceptores multiprotocolo.

Estos chips permiten reconfigurar un mismo diseño de hardware para varios protocolos con solo cargar un nuevo software. Mejor aún, el producto podría suministrarse con varias pilas de software, y la conmutación entre cada una de ellas supervisada por una unidad de microcontroladores (MCU). Esto podría permitir, por ejemplo, utilizar Bluetooth LE para configurar un termostato doméstico inteligente desde un teléfono inteligente antes de que el dispositivo cambie de protocolo para unirse a una red de hilos.

El SoC nRF52840 de Nordic Semiconductor es compatible con Bluetooth LE, Bluetooth mesh, Thread, Zigbee, IEEE 802.15.4, ANT+ y stacks propietarios de 2,4 GHz. El SoC de Nordic también integra una unidad de microcontrolador ARM®Cortex®-M4, que se encarga del protocolo de radiofrecuencia y del software de aplicaciones, así como 1 megabyte (Mbyte) de memoria Flash y 256 kilobytes (Kbytes) de RAM. Cuando funciona en modo Bluetooth LE, el sistema en chip (SoC) ofrece una tasa de producción de datos brutos máxima de 2 megabits por segundo (Mbits/s). El consumo de corriente de transmisión de su fuente de alimentación de 3 voltios CC es de 5.3 miliamperios (mA) a 0 decibelios referidos a 1 milivatio (dBm) de potencia de salida, y el consumo de corriente de recepción (RX) es de 6.4 mA a una velocidad de datos brutos de 1 Mbit/s. La potencia máxima de transmisión del nRF52840 es de +8 dBm y su sensibilidad de -96 dBm (Bluetooth LE a 1 Mbit/s).

La importancia de un buen diseño de RF

Aunque los sistemas en chip (SoC) inalámbricos como el nRF52840 de Nordic son dispositivos con mucha capacidad, aún requieren una considerable habilidad de diseño para maximizar su rendimiento de RF. En concreto, el ingeniero debe tener en cuenta factores como el filtrado de la fuente de alimentación, los circuitos de temporización de cristal externo, el diseño y la colocación de la antena y, sobre todo, la adaptación de la impedancia.

El parámetro clave que diferencia un buen circuito de RF de uno deficiente es su impedancia (Z). A altas frecuencias, como los 2.4 GHz utilizados por una radio de corto alcance, la impedancia en un punto determinado de una traza de RF está relacionada con la impedancia característica de esa traza, que a su vez depende del sustrato de la placa de circuito impreso (pc), las dimensiones de la traza, su distancia a la carga y la impedancia de la carga.

Resulta que cuando la impedancia de carga -que para un sistema emisor será la antena y para un sistema receptor es el transceptor SoC- es igual a la impedancia característica, la impedancia medida sigue siendo la misma a cualquier distancia a lo largo de la traza desde la carga. Como resultado, se minimizan las pérdidas en la línea y se transfiere la máxima potencia del transmisor a la antena, lo que aumenta la resistencia y el alcance. Por ello, es una buena práctica de diseño construir una red de adaptación que garantice que la impedancia de un dispositivo de RF sea igual a la impedancia característica de la traza de la placa de PC. (Véase "SoC y herramientasBluetooth de baja energía compatibles con Bluetooth 4.1, 4.2 y 5 afrontan los retos del IoT (2ª parte)").

La red de adaptación está formada por una o varias inductancias en derivación y condensadores en serie. El reto del diseñador es elegir la mejor topología de red y los mejores valores de los componentes. Los fabricantes suelen ofrecer software de simulación para ayudar en el diseño de circuitos de adaptación, pero incluso después de seguir unas buenas reglas de diseño, el circuito resultante puede mostrar a menudo un rendimiento de RF decepcionante, con falta de alcance y fiabilidad. Esto lleva a más iteraciones de diseño para revisar la red de correspondencia (Figura 2).

Figura 2: El nRF52840 de Nordic requiere circuitos externos para explotar su funcionalidad. Los circuitos externos incluyen filtrado de voltaje de entrada, soporte para temporización de cristal externo y, conectado al pin/clavija de antena (ANT) del SoC, circuitos de adaptación de impedancia entre el SoC y una antena. (Fuente de la imagen: Nordic Semiconductor)

Las ventajas de un módulo

El diseño de un circuito inalámbrico de corto alcance con componentes discretos presenta algunas ventajas, como el menor costo de la lista de materiales (BOM) y el ahorro de espacio. Sin embargo, aunque el diseñador siga uno de los muchos y excelentes diseños de referencia de los proveedores de SoC, hay otros factores -como la calidad y las tolerancias de los componentes, las características de la placa a placa y del sustrato, y el embalaje del dispositivo final- que pueden afectar drásticamente al rendimiento de RF.

Un enfoque alternativo consiste en basar la conectividad inalámbrica en un módulo de terceros. Los módulos son soluciones totalmente ensambladas, optimizadas y probadas que permiten la conectividad inalámbrica "drop-in". En la mayoría de los casos, el módulo ya estará certificado para su uso en los mercados mundiales, lo que ahorrará al diseñador el tiempo y el dinero necesarios para superar la certificación de la normativa de radiofrecuencia.

El uso de módulos tiene algunas desventajas. Entre ellas se incluyen un mayor gasto (según el volumen), un mayor tamaño del producto final, la dependencia de un único proveedor y su capacidad para realizar envíos en volumen, y (a veces) un número reducido de pines accesibles en relación con el sistema en chip (SoC) en el que se basa el módulo. Pero si la simplicidad del diseño y la comercialización más rápida compensan estos inconvenientes, la solución es un módulo.

Un ejemplo que utiliza el nRF52840 de Nordic en su núcleo es el módulo de radio 2611011024020 Setebos-I 2,4 GHz de Würth Elektronik. El módulo compacto mide 12 × 8 × 2 milímetros (mm), tiene una antena incorporada, una cubierta para minimizar las interferencias electromagnéticas (EMI) y viene con firmware compatible con Bluetooth 5.1, así como con protocolos propios de 2,4 GHz (figura 3). Como se ha descrito anteriormente, el sistema en chip (SoC) en el corazón del módulo también es capaz de soportar Thread y ZigBee, con la adición del firmware adecuado.

Figura 3: El módulo de radio Setebos-I de 2.4 GHz tiene un factor de forma compacto, una antena integrada y una cubierta para limitar la EMI (interferencia electromagnética). (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

El módulo acepta una entrada de 1.8 a 3.6 voltios y, en modo de reposo, consume solo 0.4 microamperios (µA). Su frecuencia de funcionamiento abarca la banda Industrial, Científica y Médica (ISM), centrada en 2.44 GHz (2.402 a 2.480 GHz). En condiciones ideales, con una potencia de salida de 0 dBm, el alcance en línea entre el transmisor y el receptor es de hasta 600 metros (m), y la tasa de producción máxima de Bluetooth LE es de 2 Mbits/s. El módulo incorpora una antena de un cuarto de longitud de onda (3.13 centímetros (cm)), pero también es posible aumentar el alcance conectando una antena externa al mencionado terminal ANT del módulo (Figura 4).

Figura 4: El módulo de radio Setebos-I de 2,4 GHz incluye un pin/clavija para una antena externa (ANT) que permite ampliar el alcance de la radio. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

El módulo de radio Setebos-I proporciona acceso a los pines/clavijas del SoC nRF52840 mediante almohadillas de soldadura. En la tabla 1 se indica la función de cada pin/clavija del módulo. Las clavijas "B2" a "B6" son GPIO programables útiles para conectar sensores como dispositivos de temperatura, humedad y calidad del aire.

Tabla 1: Se muestran las designaciones de pin del módulo de radio Setebos-I de 2.4 GHz. Las salidas LED pueden utilizarse para indicar la transmisión y recepción de radio. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Certificación de productos inalámbricos de corto alcance

Aunque la banda de 2.4 GHz es una asignación de espectro libre de licencias, los dispositivos de radio que operan en ella siguen estando obligados a cumplir normativas locales como las dictadas por la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de Estados Unidos, la Declaración de Conformidad (CE) europea o el Centro de Ingeniería de Telecomunicaciones (TELEC) de Japón. Para cumplir la normativa hay que someter el producto a pruebas y obtener la certificación, lo que puede llevar mucho tiempo y resultar caro. Si el producto de radiofrecuencia no supera alguna parte de la prueba, deberá realizarse una presentación completamente nueva. Si el módulo se va a utilizar en modo Bluetooth, también necesitará un listado Bluetooth del Bluetooth Special Interest Group (SIG).

La certificación del módulo no confiere automáticamente la certificación al producto final que utiliza el módulo. Pero suele convertir la certificación de los productos finales en un ejercicio de papeleo en lugar de una extensa tarea de repetición de pruebas, siempre que no utilicen dispositivos inalámbricos adicionales como Wi-Fi. Lo mismo suele ocurrir cuando se obtiene el listado Bluetooth. Una vez certificados, los productos que utilizan el módulo llevan una etiqueta que indica los números FCC, CE y otros números de identificación pertinentes (Figura 5).

Figura 5: Ejemplo de etiqueta de ID adherida al módulo Setebos-I para demostrar que ha superado la certificación CE y FCC RF. Por lo general, el producto final puede heredar la certificación sin necesidad de volver a someterse a pruebas mediante unos sencillos trámites. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Los fabricantes de módulos suelen llegar al extremo de obtener la certificación RF (y la inclusión en la lista Bluetooth, si procede) de sus módulos para las regiones en las que pretenden vender los productos. Würth Elektronik lo ha hecho para el módulo de radio Setebos-I, aunque debe utilizarse con el firmware de fábrica. En el caso del funcionamiento Bluetooth, el módulo está precertificado, siempre que se utilice con la pila de fábrica S140 Bluetooth LE de Nordic o con una pila suministrada a través del kit de desarrollo de software nRF Connect SDK de la empresa.

El firmware de Würth y Nordic es resistente y está probado para cualquier aplicación. Sin embargo, si el diseñador decide reprogramar el módulo con una pila propietaria Bluetooth LE o de 2.4 GHz de estándar abierto, o con una de un proveedor comercial alternativo, tendrá que iniciar desde cero los programas de certificación para las regiones de funcionamiento previstas.

Herramientas de desarrollo para el módulo de radio Setebos-I

Para desarrolladores avanzados, el SDK nRF Connect de Nordic ofrece una completa herramienta de diseño para crear software de aplicación para el SoC nRF52840. La extensión nRF Connect para VS Code es el entorno completo de desarrollo integrado (IDE) recomendado para ejecutar el SDK de nRF Connect. También es posible utilizar el SDK nRF Connect para cargar un protocolo alternativo Bluetooth LE o propietario de 2.4 GHz en el nRF52840. (Véanse los comentarios anteriores sobre el impacto que esto tiene en la certificación de módulos).

El SDK nRF Connect funciona con el kit de desarrollo nRF52840 DK (Figura 6). El hardware incorpora el sistema en chip (SoC) nRF52840 y admite el desarrollo y las pruebas de código prototipo. Una vez que el software de aplicación está listo, el nRF52840 DK puede actuar como programador J-LINK para portar el código a la memoria Flash del nRF52840 del módulo de radio Setebos-I a través de los pines "SWDCLK" y "SWDIO" del módulo.

Figura 6: El nRF52840 DK de Nordic puede utilizarse para desarrollar y probar software de aplicación. A continuación, el kit de desarrollo puede utilizarse para programar otros SoC nRF52840, como el utilizado en el módulo Setebos-I. (Fuente de la imagen: Nordic Semiconductor)

El software de aplicaciones creado con las herramientas de desarrollo de Nordic está diseñado para ejecutarse en la MCU Arm Cortex®-M4 integrada del nRF52840. Pero puede darse el caso de que el producto final ya esté equipado con otra unidad de microcontrolador y el desarrollador quiera utilizarla para ejecutar código de aplicación y supervisar la conectividad inalámbrica. O bien, el desarrollador podría estar más familiarizado con las herramientas de desarrollo para otros microprocesadores host populares, como el STM32F429ZIY6TR de ST Microelectronics. Este procesador también se basa en un núcleo Arm Cortex-M4.

Para permitir que un microprocesador host externo ejecute software de aplicación y supervise el SoC nRF52840, Würth Elektronik ofrece su SDK de conectividad inalámbrica. El SDK es un juego de herramientas de software que permiten integrar rápidamente los módulos inalámbricos de la empresa con muchos procesadores populares, incluido el chip STM32F429ZIY6TR. El SDK consta de controladores y ejemplos en C que utilizan los periféricos UART, SPI o USB de la plataforma subyacente para comunicarse con el dispositivo de radio conectado (Figura 7). El desarrollador sólo tiene que trasladar el código C del SDK al procesador anfitrión. Esto reduce considerablemente el tiempo necesario para diseñar una interfaz de software para el módulo de radio.

Figura 7: El controlador del SDK de conectividad inalámbrica facilita a los desarrolladores el control del módulo de radio Setebos-I a través de un puerto UART mediante un microprocesador anfitrión externo. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

El módulo de radio Setebos-I utiliza una "interfaz de comandos" para las tareas de configuración y funcionamiento. Esta interfaz proporciona hasta 30 comandos que realizan tareas como actualizar diversos ajustes del dispositivo, transmitir y recibir datos y poner el módulo en uno de los diversos modos de bajo consumo. El dispositivo de radio conectado debe ejecutarse en modo comando para utilizar el SDK de conectividad inalámbrica.

Conclusión:

Puede resultar complicado decidirse por un único protocolo inalámbrico para un producto conectado, y aún más difícil diseñar el circuito de radio desde cero. Un módulo de radio como Setebos-I de Würth Elektronik no solo ofrece flexibilidad a la hora de elegir el protocolo, sino que también ofrece una solución de conectividad inmediata que cumple los requisitos normativos de varias regiones operativas. El módulo Sebetos-1 incluye el SDK de conectividad inalámbrica de Würth, que permite a los desarrolladores controlar el módulo de forma rápida y sencilla utilizando la unidad de microcontrolador que deseen.