MCU sans fil Sub-GHz et composants pour l'IoT

Créé: Novembre 15, 2021
Mise à jour: Juillet 1, 2024

Au cours des dernières années, l'utilisation des dispositifs IoT a considérablement augmenté, beaucoup de cela se produisant en arrière-plan dans des domaines comme la production industrielle, l'infrastructure, l'automatisation domestique, les compteurs intelligents et l'électronique portable. Dans l'espace consommateur, les dispositifs IoT se connectent principalement à des réseaux intérieurs de courte portée, normalement via WiFi ou Bluetooth. Aujourd'hui, davantage de dispositifs s'intègrent sur de longues distances avec des protocoles basse fréquence ou adoptent une approche hybride avec des protocoles haute fréquence et basse fréquence sur le même dispositif. Rassembler tout cela implique la fusion de multiples protocoles sans fil aux côtés du traitement numérique et d'une application embarquée.

Pourquoi y a-t-il eu un intérêt continu pour le sans-fil sub-GHz dans ces systèmes, surtout lorsque nous disposons déjà de nombreux protocoles utiles comme le Bluetooth, le WiFi, le cellulaire et d'autres options de bande ISM à 2,4 GHz ? Le sans-fil sub-GHz a ses avantages, et il y a beaucoup plus de soutien de la part des fournisseurs de services IoT pour ces produits. Tout cela signifie qu'il est beaucoup plus facile de construire une architecture de réseau privé et de la connecter à vos services cloud via une station de base, ou d'accéder aux services cloud via un opérateur sans fil existant. Aux États-Unis, les principaux télécoms proposent désormais des services IoT sur leurs réseaux, et vous pouvez configurer votre propre plateforme de service cloud qui se connecte avec votre matériel IoT en utilisant les principaux fournisseurs de services cloud.

En fin de compte, si vous ne pouvez pas intégrer un protocole sub-GHz sur votre carte, alors vous ne pouvez pas l'utiliser pour profiter de la communication sans fil à longue portée et à faible puissance et des services que ces protocoles permettent. Dans cet article, nous examinerons certaines des principales considérations en matière de connectivité sans fil à longue portée et à faible puissance dans la bande sub-GHz largement reconnue.

Choisir une option sans fil sub-GHz

Construire des produits IoT avec une connectivité sans fil sub-GHz nécessite de sélectionner un chipset qui peut supporter ces fréquences et qui implémente le protocole sans fil désiré pour votre réseau IoT. Les premiers MCU utilisés dans les dispositifs IoT n'incluaient pas ces fonctionnalités, nécessitant plutôt un module dédié ou exigeant une émulation dans l'application du dispositif. Aujourd'hui, il existe plusieurs chipsets et MCU entièrement intégrés qui prennent en charge plusieurs protocoles sub-GHz. Certains de ces produits supporteront également une bande ISM de fréquence plus élevée dans la gamme des 2,4 GHz, et possiblement le WiFi jusqu'à 5 GHz. Vous pouvez lire plus sur les bases de la sélection de protocole IoT ici.

Le mélange de diverses normes et protocoles déterminera quelles fréquences seront disponibles dans votre conception, ce qui sera un moteur principal de la consommation d'énergie. Lors du choix d'un protocole de réseau câblé ou sans fil, le débit de données est généralement la considération principale. Dans le sans-fil sub-GHz, les principaux avantages sont la faible consommation d'énergie de ces protocoles et la longue portée disponible à ces fréquences. Par conséquent, faire correspondre la durée de vie du dispositif et les exigences de portée de communication à l'application sont généralement plus importants pour les dispositifs finaux sur le réseau.

Équilibrer la portée et la puissance

Les protocoles à haute fréquence et à basse fréquence diffèrent sur deux aspects majeurs qui déterminent leurs domaines d'application idéaux : l'atténuation et la consommation d'énergie. Les fréquences plus basses correspondent généralement à une consommation d'énergie plus faible et à une portée plus longue, donc les protocoles sub-GHz sont idéaux pour ces applications IoT. La transmission à basse fréquence a également moins de problèmes avec les obstacles comme les collines, les bâtiments, etc., donc cette capacité de longue portée élimine le besoin de sites répéteurs et de stations de base. Contrastons cela avec la prochaine vague de déploiements 5G, où des mini stations de base devront être mises en place pour la livraison de service aux utilisateurs finaux.

Une manière simple de commencer à estimer les besoins en puissance d'un émetteur pour une distance donnée et une fréquence de transmission (vraiment la longueur d'onde) est d'utiliser la formule de perte de trajet de Friis. Cette formule illustre le compromis entre la fréquence de transmission (ou plutôt la longueur d'onde) et la portée :

Où :

Pr = Puissance reçue
Pt = Puissance transmise
Dt = Directivité de l'émetteur
Dr = Directivité du récepteur
d = Distance entre les antennes de l'émetteur et du récepteur
λ = Longueur d'onde de transmission

Effectivement, si vous connaissez la sensibilité du récepteur (spécifiée en dBm), alors vous pouvez déterminer la puissance de l'émetteur requise pour une longueur d'onde donnée et une distance de transmission en visibilité directe. En général, doubler la portée de transmission nécessite d'augmenter le budget de puissance pour votre liaison sans fil de 6 dB. De plus, nous pouvons voir que doubler la fréquence réduit la puissance reçue de 6 dB. Notez que ce sont tous des facteurs idéalisés dépendant de la transmission en visibilité directe entre deux antennes. Un dispositif déployé dans un scénario réel subira des pertes dues à l'absorption, à la propagation multipath et aux réflexions, et même au temps. Par conséquent, assurez-vous de considérer une marge de sécurité réaliste pour votre système pour tenir compte de la possibilité d'une portée limitée.

Spécifications importantes pour les chipsets Sub-GHz

Alors que la portée et la fréquence de transmission sont les considérations majeures dans la conception des dispositifs IoT sub-GHz, il y a quelques autres spécifications qui devraient être considérées dans ces conceptions.

Consommation d'énergie

Les produits sans fil sub-GHz (et tout autre produit sans fil) n'auront pas une spécification de portée spécifique, ou si c'est le cas, ce sera juste une estimation. Ils auront une valeur de sortie de puissance pour un courant donné spécifiée comme une valeur EIRP (puissance rayonnée isotrope équivalente, en unités de dBm). Une antenne avec une directivité/gain supérieur à 1 peut être utilisée pour un transfert dirigé et pourrait être utilisée pour réduire la consommation d'énergie requise pour transmettre des données. La consommation totale d'énergie du système peut être réduite davantage en utilisant un système avec un courant de veille plus faible, des modes de faible puissance, et des minuteries de réveil. Compte tenu de tous ces facteurs, la consommation d'énergie peut être minimisée, et les dispositifs peuvent être conçus pour avoir une durée de vie utile totale de plus de 10 ans sur une pile bouton.

Sensibilité du récepteur

Comme mentionné précédemment, la sensibilité du récepteur et la fréquence de transmission détermineront la portée du système. Les canaux avec des largeurs de bande plus importantes nécessiteront un récepteur plus sensible, ce qui pourrait limiter la portée dans votre lien sub-GHz. Compenser cela peut nécessiter d'augmenter la puissance de transmission, de limiter la portée, d'utiliser un débit de données inférieur, ou éventuellement de passer à un protocole différent pour votre application. Le gain/directivité de l'antenne joue également un rôle ici et peut compenser une sensibilité inférieure en fournissant une transmission directionnelle entre les dispositifs sur le réseau.

Considérations sur la Modulation et la Coexistence

Tout comme certaines parties des protocoles de bande ISM peuvent rencontrer des défis de coexistence, les bandes sub-GHz peuvent subir des interférences entre les canaux. Les protocoles sub-GHz utilisent généralement des schémas de modulation par clé (FSK, ASK, OOK, etc.). Dans certains cas, des mécanismes à spectre étalé sont utilisés pour augmenter la largeur de bande du canal, soit en encodant les données dans un débit binaire plus élevé, soit avec un schéma comme le spectre étalé à saut de fréquence (FHSS). Un exemple montrant l'augmentation du débit de données utilisée pour augmenter la largeur de bande pour une puissance de transmission moyenne donnée est illustré ci-dessous.

Concept de transmission à spectre étalé. En étalant les données transmises (bleu) en un codage à débit binaire plus élevé (rouge), le récepteur peut résister à des sources potentielles d'interférence.

(Texte alternatif : Transmission à spectre étalé)

Les signaux à spectre étalé sont moins sujets aux interférences, mais les circuits émetteurs et récepteurs sur les dispositifs finaux doivent avoir une largeur de bande plus élevée pour accommoder cette dispersion de puissance à travers la largeur de bande du canal. La mise en œuvre du FHSS nécessitera des tests supplémentaires pour garantir la conformité EMC et elle nécessitera des dispositifs compatibles avec une sensibilité de récepteur suffisante à chaque extrémité. Dans certains dispositifs, un module émetteur-récepteur dédié peut être le meilleur choix pour fournir une sensibilité suffisante pour recevoir les signaux à spectre étalé.

Options de Radio et de Transceiver Sub GHz

En résumé, il existe deux manières de base d'intégrer des radios sub-GHz dans un nouveau produit et de le connecter à un réseau IoT longue portée :

Utiliser un processeur qui inclut des capacités sans fil sub-GHz intégrées sur la puce
Utiliser un transceiver sub-GHz externe compatible avec le contrôleur hôte de votre système
Ajouter un module sans fil qui contient tous les périphériques requis et

Selon les besoins de votre système, chaque option est viable car il existe de nombreux composants appartenant aux deux catégories. Les deux premières options nécessiteront un peu plus d'effort si vous n'avez jamais conçu des éléments tels que des filtres, des lignes d'alimentation, des antennes ou des dispositifs RF en général. Cependant, il existe des gammes de produits hautement intégrées de plusieurs fournisseurs qui prennent en charge plusieurs bandes sub-GHz ; certaines excellentes options sont présentées ci-dessous.

Microchip, ATSAMR30M18A-I

Le module sans fil sub-GHz ATSAMR30M18A-I de Microchip fonctionne comme un MCU qui inclut une radio conforme à IEEE 802.15.4 avec une antenne intégrée. Ce module SMD à bords castellés inclut un MCU ARM Cortex-M0+ avec 256 KB de mémoire Flash intégrée, ainsi qu'un émetteur-récepteur intégré pour la bande ISM 700/800/900MHz. En tant que SiP facile à utiliser, il inclut également certaines des fonctionnalités standard que les utilisateurs attendent des MCU, telles qu'un ADC de 12 bits à 350 ksps, un I2C fonctionnant jusqu'à 3.4 MHz, une interface USB 2.0, et 16 GPIOs. Il nécessite une antenne externe ; le tableau ci-dessous inclut une liste d'antennes approuvées, bien que d'autres antennes puissent être utilisées si elles ont des spécifications similaires et passent les tests.

NXP Semiconductor, OL2385AHN

Le OL2385AHN de NXP Semiconductor est un émetteur-récepteur RF sans fil multibande avec un cœur MCU intégré qui prend en charge plusieurs bandes sub-1 GHz (160 à 960 MHz). Cet appareil est un émetteur-récepteur hautement intégré avec quatre plages de fréquences sélectionnables qui prend en charge plusieurs schémas de modulation (400 kbps/200 kbps FSK, ASK, et OOK). Sur la carte, un contrôleur hôte peut interfacer avec cet appareil via SPI, UART, ou UART compatible avec le protocole LIN. Certains des principaux domaines d'application ciblés avec ce composant incluent LPWAN pour les produits d'infrastructure intelligente, les technologies domestiques intelligentes, la communication M2M et les réseaux de capteurs.

Diagramme de bloc de l'émetteur radio NXP OL2385AHN. [Source : (Alt text: Conception sub-GHz)

Texas Instruments, MCU sans fil SimpleLink (CC13xx et CC430F51xx)

La ligne de MCU sans fil SimpleLink de Texas Instruments est l'une de mes préférées pour développer de nouveaux produits IoT qui opèrent dans les bandes sub-1 GHz. Certains des composants de cette ligne de produits prennent également en charge plusieurs bandes ISM, le WiFi, le Bluetooth, et d'autres entre 1 et 2 GHz. Cette ligne de produits inclut certains MCU qui sont qualifiés pour les produits automobiles. Les divers produits de la ligne SimpleLink prennent en charge ces protocoles sub-1 GHz :

IEEE 802.15.4
Wireless M-Bus (mode T, S, C, N)
6LoWPAN
Wi-SUN NWP
Amazon Sidewalk
MIOTY
ZigBee

Si vous utilisez d'autres produits dans le portefeuille de TI, vous trouverez facile de développer une application avec le support SDK de TI pour ces produits et des dispositifs périphériques pour votre plateforme IoT. Ces MCU peuvent également interfacer avec tout autre ASIC périphérique via des interfaces numériques standard, offrant aux concepteurs une grande flexibilité pour construire de nouvelles plateformes IoT.

L'avenir de l'IoT sub GHz

Tout le monde continue de se concentrer sur le WiFi, le Bluetooth et la 5G simplement parce qu'ils sont omniprésents dans l'espace consommateur, mais le sub-1 GHz n'est pas près de disparaître et continuera d'être l'épine dorsale à faible puissance pour les réseaux IoT. Les capacités de longue portée, la faible consommation d'énergie et la facilité de mise en œuvre sont trop avantageuses pour être ignorées, et il n'est pas logique de contribuer à une congestion supplémentaire des bandes ISM ou cellulaires dans les applications à faible débit de données persistantes. Certains des composants dont les concepteurs de systèmes ont besoin dans de nombreuses applications sub-1 GHz se répartissent dans les catégories suivantes :

Si vous développez une solution personnalisée qui peut prendre en charge une gamme de fréquences ou de protocoles possibles, tels que la radio logicielle, vous aurez besoin de composants supplémentaires pour construire votre front-end RF :

Lorsque vous avez besoin de trouver des composants pour votre prochaine conception de système sans fil sub-1 GHz, utilisez les fonctionnalités de recherche avancée et de filtration sur Octopart. Lorsque vous utilisez le moteur de recherche électronique d'Octopart, vous aurez accès aux données de prix des distributeurs à jour, à l'inventaire des pièces, et aux spécifications des pièces, et tout est librement accessible dans une interface conviviale. Jetez un œil à notre page de circuits intégrés pour trouver les composants dont vous avez besoin.

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