作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美編輯

隨著物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的興起，無線連接已成為從設(shè)備監(jiān)控、資產(chǎn)跟蹤到樓宇自動(dòng)化等各種工業(yè)應(yīng)用的基本要求。設(shè)計(jì)人員希望實(shí)現(xiàn)這種連接，但面臨著多重挑戰(zhàn)，包括集成無線芯片組、天線、軟件、全球認(rèn)證、安全性和惡劣環(huán)境下的可靠性。

要克服這些挑戰(zhàn)，可以選擇堅(jiān)固耐用、經(jīng)過預(yù)先認(rèn)證的 Wi-Fi 6 模塊和低功耗藍(lán)牙 (BLE) 5.4，既能獲得必要的功能，又能簡(jiǎn)化集成。

本文將討論工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的無線連接挑戰(zhàn)，并以預(yù)認(rèn)證 [Ezurio] Wi-Fi 6 模塊和 BLE 5.4 為例進(jìn)行介紹。本文還將討論預(yù)認(rèn)證天線和相關(guān)開發(fā)套件。

工業(yè)無線通信面臨的主要挑戰(zhàn)

在工業(yè)環(huán)境中，需要共享高速數(shù)據(jù)的終端數(shù)量在不斷增加，而無線網(wǎng)絡(luò)往往是實(shí)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)通信的唯一實(shí)用手段。

這可能會(huì)導(dǎo)致老式無線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)擁堵以及延遲問題，而且數(shù)據(jù)包丟失會(huì)影響運(yùn)行效率。過時(shí)的通信技術(shù)也會(huì)使網(wǎng)絡(luò)容易受網(wǎng)絡(luò)攻擊。

Wi-Fi 6 和 BLE 5.4 等現(xiàn)代技術(shù)可以解決這些問題，但開發(fā)、集成這些技術(shù)需要雄厚的射頻專業(yè)知識(shí)。在空間受限的設(shè)備和改造應(yīng)用中，尤其如此。此外，許多無線解決方案都需要人工組裝，不僅會(huì)降低生產(chǎn)速度，還會(huì)增加成本。

可靠性是另一個(gè)需要考慮的問題。許多工業(yè)環(huán)境都存在嚴(yán)重的電磁干擾 (EMI)、極端溫度、振動(dòng)和沖擊。最后，許多應(yīng)用不僅要求低功耗，以延長(zhǎng)電池壽命，還要求確保符合全球標(biāo)準(zhǔn)。

強(qiáng)大的解決方案：帶低功耗藍(lán)牙 5.4 的 Wi-Fi 6 模塊

Ezurio 的 [Sona TI351] 模塊將 Wi-Fi 和 BLE 結(jié)合在堅(jiān)固的預(yù)認(rèn)證封裝中，解決了工業(yè)無線連接的難題（圖 1）。這些模塊基于 [Texas Instruments] 的 [SimpleLink CC3351] Wi-Fi 和 BLE 配套 IC 構(gòu)建；提供有表面貼裝 (SMT) 和可插拔兩種類型，可選擇內(nèi)置芯片天線或天線連接器。

圖 1：Sona TI351 是一個(gè)緊湊型預(yù)認(rèn)證 Wi-Fi 6 和 BLE 5.4 模塊系列，采用內(nèi)置天線或天線連接器，分為 SMT 和插拔式型號(hào)。(圖片來源：Ezurio）

所有模塊均通過 SDIO 2.0 接口支持 Wi-Fi 6 (802.11ax)，具有高速數(shù)據(jù)傳輸能力，內(nèi)置錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正功能。Wi-Fi 6 功能豐富，有助于在擁擠的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)可靠的性能：

• 正交頻分多址 (OFDMA) 允許多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在同一信道上同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，提高了密集部署的效率。
• 目標(biāo)喚醒時(shí)間 (TWT) 允許精確安排設(shè)備喚醒時(shí)間，從而優(yōu)化電池壽命。
• 雙頻支持功能提高了不同使用情況的靈活性：2.4 GHz 確保更好地穿透障礙物，而 5 GHz 則提供更高的帶寬。
• 18 分貝（以 1 毫瓦 (dBm) 為基準(zhǔn)）的發(fā)射功率可在大型工業(yè)空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)可靠覆蓋。

該模塊通過專用高速 UART (HS-UART) 通道實(shí)現(xiàn) BLE 5.4 支持功能。BLE 5.4 是一種非常適合工業(yè)環(huán)境的協(xié)議。該協(xié)議支持：

• 帶響應(yīng)的周期性廣播 (PAwR)，通過使用預(yù)定的傳輸窗口降低功耗
• 周期性廣播同步傳輸 (PAST)，使主設(shè)備能夠共享同步數(shù)據(jù)，從而簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理
• LE 2 Mb/s 物理層 (PHY)，支持快速數(shù)據(jù)傳輸，可快速返回休眠模式，進(jìn)一步提高能效
• LE 長(zhǎng)距離模式可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離可靠通信

這些模塊支持 Wi-Fi 和藍(lán)牙共存，適用于需要這兩種協(xié)議的應(yīng)用。

高可靠性設(shè)計(jì)

Sona TI351 模塊集成了功率放大器 (PA)，可增強(qiáng)輸出信號(hào)強(qiáng)度，確保在苛刻的環(huán)境中可靠運(yùn)行。在接收端，低噪聲放大器 (LNA) 可放大微弱信號(hào)，同時(shí)最大限度地減少噪聲干擾，以增強(qiáng)信號(hào)接收能力。即使在電磁干擾嚴(yán)重和存在物理障礙的環(huán)境中，這種組合也能確保穩(wěn)定的無線連接。

這些模塊的設(shè)計(jì)還具有物理可靠性。SMT 版具有堅(jiān)固的連接，可承受振動(dòng)和機(jī)械應(yīng)力，而嵌入式天線選項(xiàng)則消除了潛在的故障點(diǎn)。兩者均具有 -40°C 至 +85°C 的工作溫度范圍。

為 Linux 和安卓操作系統(tǒng)提供全面的軟件支持

Sona TI351 模塊包括對(duì) Linux 和 Android 操作系統(tǒng)的全面軟件支持。針對(duì) Linux 系統(tǒng)，連接協(xié)議棧已在多個(gè)內(nèi)核版本上完成測(cè)試，并為早期版本（如 v2.6.37）提供了反向移植驅(qū)動(dòng)程序，以確保兼容舊版內(nèi)核。堆棧支持熟悉的構(gòu)建環(huán)境，包括 Buildroot、Yocto 和 Ubuntu。

Ezurio 不僅僅提供特定于硬件的驅(qū)動(dòng)程序，還提供完整的、經(jīng)過預(yù)先測(cè)試的連接堆棧（圖 2）。這種方法有助于防止組件之間的不兼容，并加快系統(tǒng)集成。堆棧使用最新的驅(qū)動(dòng)程序源和內(nèi)核組件進(jìn)行持續(xù)維護(hù)，以確保最佳性能。

圖 2：Sona TI351 配備了全面的連接軟件棧。（圖片來源：Ezurio）

安全和認(rèn)證問題

這些模塊利用了 Wi-Fi 6 和 BLE 5.4 的高級(jí)安全功能。在 Wi-Fi 方面，這些模塊提供對(duì)企業(yè)級(jí) WPA2/3 安全協(xié)議的強(qiáng)大支持，包括高級(jí)加密和驗(yàn)證機(jī)制。

就 BLE 而言，加密廣播數(shù)據(jù)功能可實(shí)現(xiàn)敏感信息的安全廣播，而無需建立連續(xù)連接，這在傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)或訪問憑證的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中特別有用。此外，根據(jù) BLE 通用屬性配置文件 (GATT) 安全級(jí)別特性，可以對(duì)各種數(shù)據(jù)類型采用不同的安全級(jí)別，以優(yōu)化安全開銷和性能之間的平衡。

無論設(shè)計(jì)人員選擇哪種協(xié)議，合規(guī)性都是一個(gè)非常棘手的問題，尤其是對(duì)于國(guó)際發(fā)運(yùn)設(shè)備而言。為解決這些問題，Sona TI351 系列已通過 FCC（美國(guó)）、IC（加拿大）、CE（歐洲）、UKCA（英國(guó)）、MIC（日本）、RCM（澳大利亞/新西蘭）和 KCC（韓國(guó)）等標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。

SMT 和 M.2 選項(xiàng)提高了組裝靈活性

如前所述，Ezurio Sona TI351 系列提供了多種配置，以滿足特定的應(yīng)用要求。例如，[453-00200R] （圖 3）采用緊湊的 12 x 16 mm M.2 1216 SMT 外形，并集成了片式天線。這種設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配， 其連接堅(jiān)固耐用，因此能夠承受工業(yè)環(huán)境的考驗(yàn)。這些功能結(jié)組合使該模塊特別適合于大批量部署，因?yàn)榭煽啃院椭圃煨适侵陵P(guān)重要的指標(biāo)。

圖 3：Sona TI351 453-00200R 是一款緊湊型模塊，尺寸為 12 x 12 mm，采用 M.2 1216 SMT 封裝，內(nèi)置片式天線。（圖片來源：Ezurio）

對(duì)于需要外部天線連接的應(yīng)用，[453-00199R] （圖 4）具有同樣堅(jiān)固耐用的 M.2 1216 外形，不同的是，該器件采用 MHF4L 連接器，而不是片式天線。這種配置允許使用外部天線，以便在金屬外殼或高 EMI 區(qū)域等具有挑戰(zhàn)性的射頻環(huán)境中實(shí)現(xiàn)最佳的信號(hào)接收效果。

圖 4：Sona TI351 453-00199R 模塊采用 MHF4L 天線連接器。（圖片來源：Ezurio）

與前兩個(gè)示例不同的是，[453-00209] （圖 5）使用 M.2 2230 Key E 連接器，用于可插拔系統(tǒng)配置。該功能便于現(xiàn)場(chǎng)安裝和更換，因此特別適用于設(shè)備監(jiān)控應(yīng)用。在這類應(yīng)用中，最大限度地減少維護(hù)期間的系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間是首要考慮事項(xiàng)。

圖 5：Sona TI351 453-00209 模塊使用 M.2 2230 Key E 連接器進(jìn)行可插拔系統(tǒng)配置。（圖片來源：Ezurio）

利用這一系列選項(xiàng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠在保持可靠性和易于集成的同時(shí)，針對(duì)特定用例進(jìn)行實(shí)施優(yōu)化。

預(yù)認(rèn)證天線簡(jiǎn)化了射頻設(shè)計(jì)

對(duì)于采用 MHF4L 連接器的模塊，Ezurio 提供一系列預(yù)認(rèn)證天線選項(xiàng)。例如 [EFB2471A3S-10MH4L] 5 W 柔性平面反轉(zhuǎn) F 天線 (FlexPIFA)（圖 6），具有背膠，方便集成。這款三頻段（2.4/5/6 GHz，支持 7.125 GHz）天線在 5.925 GHz 至 7.125 GHz 頻段內(nèi)保持 1.6:1 的低平均電壓駐波比 (VSWR)。該器件在 5 GHz 頻段具有 3.9 分貝相對(duì)于各向同性的增益 (dBi)，且尤其適用于對(duì)跨頻段性能要求嚴(yán)苛的全球性應(yīng)用。

圖 6：EFB2471A3S-10MH4L 是一款三頻 2.4/5/6 GHz、5 W 天線。（圖片來源：Ezurio）

對(duì)于固定式工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 和設(shè)備監(jiān)控應(yīng)用，[001-0021] （圖 7）提供了雙頻 2.4/5 GHz 解決方案。該器件在 2.4 GHz 時(shí)的 VSWR <2.5:1，在 5 GHz 時(shí)的增益為 3 dBi。

圖 7：001-0021 是一款雙頻 2.4/5 GHz 天線。（圖片來源：Ezurio）

預(yù)認(rèn)證天線產(chǎn)品線可有效簡(jiǎn)化產(chǎn)品開發(fā)。Ezurio 已經(jīng)對(duì)配合模塊使用的天線進(jìn)行了測(cè)試，從而降低了出現(xiàn)意外射頻性能問題的風(fēng)險(xiǎn)。更廣泛地說，模塊外形尺寸和天線選擇的組合使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化其實(shí)施，同時(shí)保持集成的簡(jiǎn)易性。

開發(fā)套件提供完整的訪問權(quán)限

借助 [453-00200-K1] 開發(fā)套件（圖 8），設(shè)計(jì)人員可實(shí)現(xiàn)這些模塊的快速入門。這款綜合工具套件使用 453-00200 片式天線模塊，提供多個(gè)連接 Linux 主機(jī)的軟件和硬件接口，用于測(cè)試模塊的功能和性能。

圖 8：Sona TI351 開發(fā)套件基于 453-00200 片式天線模塊，為 Linux 主機(jī)提供通信和硬件接口。（圖片來源：Ezurio）

該套件包括連接 UART 或高速 SDIO 設(shè)備的高速和低速電纜以及適配器/子板。板載接頭、跳線和開關(guān)可輕松隔離電源和信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，以便在硬件和軟件開發(fā)過程中測(cè)試和測(cè)量功耗。

結(jié)語(yǔ)

Sona TI351 模塊將先進(jìn)的無線功能集成到堅(jiān)固耐用的緊湊設(shè)計(jì)中，解決了工業(yè)環(huán)境中關(guān)鍵的無線連接難題。模塊和天線的預(yù)認(rèn)證、多種安裝選項(xiàng)和外形尺寸以及全面的開發(fā)套件最大限度地減少了開發(fā)時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)。

審核編輯 黃宇