Como Adicionar a Solução de Comunicação por Rádio Adequada ao Projeto do seu Produto

As comunicações por rádio e a tecnologia sem fio aumentam significativamente o desempenho e a funcionalidade da IoT porque permitem que dispositivos IoT sejam instalados em locais inacessíveis a cabos ou fios

Isso é essencial para aplicações móveis, desde smartwatches e smartphones até robôs de armazém e veículos de todos os tipos, mas também possibilita soluções IoT para uma ampla variedade de aplicações fixas, incluindo sistemas de monitoramento e controle remoto.

No entanto, adicionar conectividade sem fio a um produto OEM não é algo simples, pois há muitos fatores envolvidos. Embora a situação possa ser facilitada pela aquisição de módulos de rádio e antenas prontos para uso, ainda é necessário tomar decisões sobre a tecnologia de rádio a ser utilizada e montar uma configuração compatível de módulos, antenas, software e firmware — além de escolher o fornecedor capaz de integrar todos esses componentes em uma solução eficiente, confiável e devidamente certificada.

Este artigo mostra como a Würth Elektronik desenvolveu um ecossistema de módulos de rádio com produtos e serviços de suporte, permitindo que engenheiros adicionem rapidamente capacidade de comunicação por rádio aos seus produtos ou mudem para um protocolo de rádio diferente usando uma abordagem simples de plug and play.

Começamos com uma breve visão geral dos fundamentos das comunicações por rádio e, em seguida, abordamos considerações práticas, incluindo vantagens da abordagem modular, estimativa de alcance e conformidade com requisitos globais de certificação.

Depois disso, analisamos alguns dos protocolos de rádio mais populares e as soluções de módulos de rádio da Würth Elektronik disponíveis para cada um deles.

Fundamentos da comunicação por rádio

Existem cinco fatores principais a serem considerados:

1. Transmissão de sinal
2. Orçamento de enlace
3. Duty cycle
4. Acesso
5. Integração da tecnologia de rádio

• Transmissão de sinal: para transmissão, o sinal modula a amplitude ou a frequência de uma onda portadora (geralmente) senoidal e de amplitude constante. A onda modulada é irradiada por uma antena e detectada por uma antena receptora. O sinal pode ser extraído por demodulação no receptor.
• Orçamento de enlace: um orçamento de enlace é o cálculo de todos os ganhos e perdas de potência que um sinal de comunicação sofre em um sistema de telecomunicações; desde o transmissor, passando pelo meio de transmissão (espaço livre, cabo, guia de onda, fibra etc.) até o receptor. Trata-se de uma equação que determina a potência recebida a partir da potência transmitida, considerando a atenuação do sinal devido à propagação, bem como os ganhos das antenas, perdas em linhas de alimentação e outras perdas ou amplificações do sinal no receptor ou em repetidores pelos quais ele passa.

• Duty cycle: um duty cycle ou ciclo de operação é a fração de um período em que um sinal ou sistema permanece ativo. O duty cycle é normalmente expresso como porcentagem ou razão.
• Acesso Educado ao Espectro — ouvir antes de transmitir: quando uma aplicação utiliza acesso educado ao espectro, as restrições de duty cycle são flexibilizadas. O acesso educado ao espectro abrange dois aspectos: Listen Before Talking (LBT) e Adaptive Frequency Agility (AFA).
• Integração da Tecnologia de Rádio: a certificação é uma das últimas etapas antes que um produto com tecnologia sem fio integrada possa ser lançado no mercado. Fabricantes de produtos com tecnologia RF integrada só podem comercializá-los com a certificação necessária. A Figura 2 mostra as três opções disponíveis para integrar tecnologia sem fio.

Soluções práticas para adicionar capacidade de rádio a um produto OEM

A Figura 2 mostra as três opções disponíveis para integrar tecnologia sem fio em um produto OEM. Agora analisaremos algumas considerações práticas para alcançar uma integração tecnicamente e comercialmente bem-sucedida, incluindo:

Por que utilizar um módulo de rádio é a melhor abordagem.
Como estimar o alcance.
Considerações sobre certificação e conformidade.

Por que utilizar um módulo de rádio?

Para compreender totalmente as vantagens de utilizar módulos da Würth Elektronik, é importante entender que eles constituem soluções completas de hardware, firmware e software.

Os módulos de hardware prontos para uso são baseados em chips RF de alto desempenho e oferecem suporte para antena integrada ou externa. O firmware inclui a WE-ProWare Radio Stack (descrita posteriormente) e certificações de conformidade para Europa, América do Norte, Japão e, em alguns casos, China.

O elemento de software inclui software Plug & Play para PC para avaliação, testes e atualização de forma simples, além de aplicativos móveis para avaliação e testes facilitados. Bibliotecas de design estão disponíveis para desenvolvimento rápido de PCBs no Altium e Eagle. Um Software Development Kit (arquivos em C) é fornecido para facilitar a programação do sistema HOST-controller.

A disponibilidade desses componentes como uma solução integrada tem impacto significativo na redução de custos, tempo, riscos, recursos e requisitos de especialização relacionados ao desenvolvimento e certificação. Acima de tudo, os módulos de rádio permitem que os usuários coloquem seus produtos no mercado meses antes do que seria possível de outra forma — ou mudem rapidamente para um protocolo de rádio diferente conforme a necessidade.

Estimativa de alcance

Engenheiros que optaram por basear seus projetos em módulos de rádio podem utilizar o Range Estimator gratuito da Würth Elektronik eiSos, disponível em http://www.we-online.com/redexpert. Com essa ferramenta, os módulos podem ser classificados e selecionados de acordo com seus atributos. Embora equações simplificadas forneçam apenas resultados aproximados, a experiência mostra que esses resultados oferecem estimativas confiáveis do alcance de transmissão, quando aplicados corretamente.

A seguir, é apresentado um cálculo de perda de percurso que estima o alcance de um enlace de rádio em ambiente de espaço livre, utilizando o modelo de transmissão de Friis para espaço livre. Um modelo de reflexão no solo de dois raios também está disponível.

Esse modelo assume que a potência emitida é irradiada igualmente em todas as direções (isotrópica) e calcula a perda de potência considerando apenas a redução da densidade de potência da frente de onda com o aumento da distância em relação à origem, sem qualquer reflexão, absorção ou atenuação.

Cálculo de alcance utilizando o modelo de transmissão de Friis para espaço livre

Para determinar o alcance máximo de um módulo RF da Würth Elektronik eiSos, as perdas de percurso da transmissão são igualadas à razão entre a potência recebida e a potência transmitida:

Certificação e conformidade

Um produto que será lançado globalmente deve atender aos critérios de certificação ou conformidade de cada país onde será comercializado. Isso serve para comprovar que o produto está em conformidade com regulamentos, leis, normas, padrões e outros requisitos. Não existe uma certificação mundial aplicável a todos os países.

Por exemplo, a marca CE é exigida na Europa, enquanto a certificação FCC é exigida na América do Norte.

Todos os módulos de rádio da Würth Elektronik são certificados e/ou declarados em conformidade. Isso simplifica significativamente o processo de aprovação dentro da aplicação final.

Tecnologias de rádio

Existe um grande número de tecnologias e protocolos de rádio disponíveis para uma ampla variedade de aplicações. A seguir, analisamos algumas das mais populares:

Celular

LTE (Long Term Evolution) é um padrão de comunicação celular que opera em espectro licenciado. O LTE também é conhecido como tecnologia celular de quarta geração (“4G”). Os padrões do LTE são definidos pelo 3rd Generation Partnership Project (3GPP). O 3GPP é uma organização mundial de padronização que desenvolve protocolos/padrões para telecomunicações celulares.

Tecnologias celulares LPWAN são voltadas para baixo consumo de energia, baixas velocidades de transmissão, módulos e dispositivos de baixo custo com pequeno volume mensal de dados e ampla cobertura geográfica. As tecnologias celulares existentes não foram projetadas para lidar com aplicações de baixo consumo, portanto as tecnologias celulares LPWAN cobrem cenários em que a tecnologia tradicional de rede móvel não é adequada. Essas LPWANs celulares referem-se a redes de longa distância e baixo consumo operando em espectro licenciado. O 3GPP especificou LTE-M (LTE-MTC) e NB-IoT (Narrow-Band IoT) para atender ao mercado em rápida expansão de conectividade LPWAN.

Diversas opções de conectividade IoT estão disponíveis e podem ser amplamente categorizadas em dois tipos:

• Soluções de conectividade sem fio de curto alcance em espectro não licenciado
• Soluções de conectividade sem fio de longo alcance em espectro licenciado

Solução da Würth Elektronik: módulo celular

O Adastrea-I é um módulo celular dual-mode LTE-M/NB-IoT que suporta cobertura internacional multirregional. O módulo selecionará NB-IoT quando não houver cobertura LTE-M disponível, e vice-versa. A Figura 5 mostra os principais recursos do módulo.

Um MCU ARM Cortex-M4 integrado é fornecido exclusivamente para o firmware da aplicação do cliente; isso reduz custo, tamanho e consumo de energia. O MCU integrado também possibilita posicionamento por meio dos sistemas de satélite GPS e GLONASS. Isso permite posicionamento GNSS para aplicações de gerenciamento de ativos nas quais atualizações ocasionais de posição são necessárias.

Bluetooth

O Bluetooth Classic foi lançado em 1998; a partir da versão 4.0, em 2010, foi adicionado o Bluetooth Low Energy (BLE). As principais diferenças entre o Classic e o BLE incluem:

• O Bluetooth Classic opera em 79 canais de frequência, enquanto o BLE utiliza apenas 40.
• O Bluetooth Classic possui maior throughput e pode enviar arquivos de dados maiores do que o BLE, mas também consome mais energia.
• O Bluetooth Classic pode conectar apenas sete dispositivos simultaneamente, enquanto o BLE não possui limite teórico.
• O BLE permanece em modo de suspensão até que os usuários iniciem uma conexão e alterna entre frequências em uma taxa diferente, ajudando a economizar mais energia.

Aplicações industriais e IoT necessitam de conexões simples entre dispositivos de campo e celulares ou tablets. Como os dispositivos de campo não precisam de displays, é possível obter economia significativa de custos. Aplicações típicas de BLE incluem controle de portas, interface de serviço, iluminação, persianas automatizadas e monitores de frequência cardíaca. O Bluetooth Mesh foi lançado em 2017.

A Würth Elektronik oferece seus módulos Proteus para Bluetooth 5.1; a versão Slim do Proteus-e e seus módulos mais rápidos, Proteus-III / Proteus-III SPI.

 

Wi-Fi

Wi-Fi (wireless fidelity) é uma especificação para garantir interoperabilidade, baseada na família de padrões IEEE 802.11, amplamente utilizada para redes locais de dispositivos e acesso à Internet.

As bandas de frequência do Wi-Fi possuem absorção relativamente alta e funcionam melhor em aplicações com linha de visada. Muitos obstáculos comuns, como paredes, pilares, eletrodomésticos etc., podem reduzir significativamente o alcance, mas isso também ajuda a minimizar interferências entre diferentes redes em ambientes congestionados. Um ponto de acesso (ou hotspot) normalmente possui alcance de cerca de 20 metros em ambientes internos, enquanto alguns pontos de acesso modernos afirmam alcançar até 150 metros em ambientes externos.

As redes Wi-Fi podem operar em dois modos. No modo infraestrutura, um ponto de acesso atua como entidade central atendendo vários clientes conectados. Para se conectar a esse tipo de rede Wi-Fi, o usuário normalmente precisa do nome da rede (SSID) e de uma senha. A senha é utilizada para criptografar os pacotes Wi-Fi e impedir interceptações.

O modo Wi-Fi Direct oferece uma conexão ponto a ponto sem a necessidade de uma entidade central dedicada.

A Würth Elektronik oferece seu módulo Wi-Fi standalone totalmente funcional Calypso IEEE 802.11 b/g/n 2,4 GHz, mostrado na Figura 8.

O módulo oferece uma excelente base para aplicações finais seguras, com secure boot e armazenamento seguro para dados do usuário. Outros recursos incluem operação de baixo consumo, seleção inteligente de antena, atualização de firmware over the air (FOTA) e provisioning.

As possibilidades de conectividade incluem suporte a HTTP, Multicast DNS, SSL e TLS 1.2, além de cliente MQTT integrado ao módulo.

Rádio Proprietário como alternativa ao BLE

Existem diversas vantagens em utilizar Rádio Proprietário como alternativa ao BLE:

• Conexão apenas com dispositivos autorizados pelo fabricante
• Aspecto de segurança como benefício para os clientes finais
• Comunicação fechada “invisível” para dispositivos inteligentes
• Maior throughput possível — sem o overhead elevado do Bluetooth
• Economia nos custos de certificação Bluetooth Listing
• Modelo de negócio para construir toda a cadeia de experiência do usuário
• Fidelização do cliente final ao produto utilizando acessórios adicionais com a mesma comunicação

Todos os módulos RF de conectividade sem fio possuem a radio stack WE-ProWare pré-carregada: o diferencial dos módulos da Würth Elektronik é o sistema operacional WE-ProWare totalmente integrado. As funções de comunicação são configuradas por comandos AT simples. Os desenvolvedores podem alternar facilmente entre canais e protocolos de rádio para simplificar a entrada em novos mercados.

O WE-ProWare pode conectar-se a periféricos externos utilizando diversas interfaces, como UART ou entradas/saídas digitais e analógicas. As topologias de rede suportadas incluem:

• Ponto a ponto
• Ponto a multiponto
• Peer to peer
• Mesh
• Multi-hop

Os módulos proprietários de 868 MHz mais robustos da Würth Elektronik são o Tarvos-III e o Thebe-II, mostrados na Figura 9.

Combinação de rádio proprietário 2,4 GHz e Bluetooth Low Energy 5.1

O Setebos-I da Würth Elektronik combina o padrão Bluetooth® Low Energy 5.1 e um módulo de rádio proprietário de 2,4 GHz. Ele contém os módulos Thyone-I e Proteus-III.

Mesh

Uma rede Mesh é uma rede composta por múltiplos dispositivos interconectados. Todos os nós se conectam diretamente sem necessidade de um controlador mestre. Em geral, existem mais caminhos de conexão entre a origem e o destino. As informações são transmitidas de um nó para outro. Bluetooth Mesh e Wirepas Mesh são dois protocolos consolidados.

Bluetooth Mesh: o Bluetooth lançou uma versão Mesh em 2017. Ela não faz estritamente parte do padrão Bluetooth. Utiliza a camada de enlace Bluetooth Low Energy e rádio, preferindo Bluetooth 5.0 ou superior devido aos pacotes longos de advertising. Como uma flooding mesh, inclui time to live (TTL) nas mensagens. A segurança é garantida por application key e network key.

Wirepas Mesh é um protocolo de conectividade para módulos de rádio, otimizado para redes mesh sem fio de 2,4 GHz em larga escala e com eficiência energética. Essa tecnologia inovadora pode ser utilizada para criar grandes redes IoT, por exemplo utilizando sensores alimentados por bateria, nas quais cada nó também funciona como roteador.

Uma asynchronous flooding mesh está integrada aos módulos Thyone-I, Tarvos-III, Thebe-II, Thelesto-III, Themisto-I e Setebos-I da Würth Elektronik. Esses módulos são adequados para aplicações utilizando redes mesh pequenas/médias (com muito tráfego devido à técnica flooding) ou onde o consumo de corrente não é um fator relevante (RX ou TX sempre ativos).

A Würth Elektronik também oferece o módulo de rádio Thetis-I 2,4 GHz com protocolo Wirepas Mesh. O Wirepas Mesh cresce organicamente e possui prevenção automática de interferências, permitindo que uma única rede suporte múltiplos casos de uso e milhares de ativos.

Wireless M-Bus

Wireless Meter Bus (wM-Bus) é a extensão do Meter Bus (M-Bus) com um protocolo sem fio e esquema de funções para gerenciar a comunicação por meio de uma interface padronizada de comunicação sem fio entre medidores e registradores de dados — os chamados smart meter gateways (SMGW). Esse esquema é especificado pela norma europeia EN 13757 e suas subnormas. Esse padrão foi introduzido para permitir medição automatizada e processamento de dados, monitorar o consumo de recursos e otimizar o fornecimento, criando uma “Advanced Metering Infrastructure” (AMI).

O Wireless M-Bus Analyzer da Würth Elektronik é uma ferramenta para recepção e análise de telegramas wireless M-Bus em conformidade com a EN 13757-4:2013 transmitidos por dispositivos do tipo “meter” ou “other”. Ele é excelente para análise de erros e alcance RF de dispositivos M-Bus. Graças à representação simplificada e à função integrada de logging, os dados também podem ser analisados posteriormente.

Os módulos disponíveis incluem Mimas-I, Metis-I e Metis-II.

Build your own firmware (BYOFw)

Com o portfólio de módulos BYOFw da Würth Elektronik, como o Ophelia-I, os clientes podem adquirir um módulo de rádio em versão apenas de hardware, permitindo desenvolver e gravar seu próprio firmware para o chipset transceptor.

GNSS

GNSS (Global Navigation Satellite System) fornece capacidades de posicionamento e sincronização de tempo para um número ilimitado de usuários em todo o mundo. O sistema é baseado em sinais das quatro seguintes constelações de satélites — veja a Figura 13.

A Figura 14 mostra a linha de módulos de rádio GNSS da Würth Elektronik, e a Figura 15 mostra as antenas externas disponíveis.

Conclusão

Comprometer-se hoje com a tecnologia sem fio do futuro parece impossível. A Würth Elektronik oferece liberdade para utilizar um único footprint de módulo de rádio para múltiplos módulos de rádio, permitindo expandir aplicações com diferentes protocolos de rádio a qualquer momento sem qualquer alteração de layout. Trata-se de uma única base de hardware comprovada em qualidade que elimina hoje enormes custos futuros de redesign. Explore mais sobre Wireless Connectivity & Sensors da Würth Elektronik.

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* Texto originalmente publicado em: link