MCUs e Componentes Sem Fio Sub-GHz para IoT

Criada: Novembro 15, 2021
Atualizada: Julho 1, 2024

Nos últimos anos, o uso de dispositivos IoT cresceu massivamente, com muitos deles operando em segundo plano em áreas como produção industrial, infraestrutura, automação residencial, medidores inteligentes e eletrônicos vestíveis. No espaço do consumidor, os dispositivos IoT geralmente se conectam a redes internas de curto alcance, normalmente via WiFi ou Bluetooth. Hoje, mais dispositivos estão se integrando a longas distâncias com protocolos de baixa frequência ou adotando uma abordagem híbrida com protocolos de alta e baixa frequência no mesmo dispositivo. Reunir tudo isso envolve a fusão de múltiplos protocolos sem fio ao lado do processamento digital e uma aplicação embutida.

Por que houve um foco contínuo em wireless sub-GHz nesses sistemas, especialmente quando já temos muitos protocolos úteis como Bluetooth, WiFi, celular e outras opções de banda ISM de 2.4 GHz? O wireless sub-GHz tem suas vantagens, e há muito mais suporte dos provedores de serviços IoT para esses produtos. Isso tudo significa que é muito mais fácil construir uma arquitetura de rede privada e conectá-la aos seus serviços na nuvem através de uma estação base, ou acessar serviços na nuvem através de uma operadora wireless existente. Nos EUA, as principais telecomunicações agora oferecem serviços IoT em suas redes, e você pode configurar sua própria plataforma de serviço na nuvem que se conecta com seu hardware IoT usando os principais provedores de serviços na nuvem.

No final do dia, se você não conseguir implementar um protocolo sub-GHz na sua placa, então você não poderá usá-lo para aproveitar a comunicação sem fio de longo alcance e baixo consumo de energia e os serviços que esses protocolos possibilitam. Neste artigo, vamos olhar para algumas das principais considerações em conectividade sem fio de longo alcance e baixo consumo de energia dentro da banda sub-GHz amplamente reconhecida.

Selecionando uma Opção Wireless Sub-GHz

Construir produtos IoT com conectividade wireless sub-GHz requer a seleção de um chipset que possa suportar essas frequências e que implemente o protocolo wireless desejado para sua rede IoT. Os primeiros MCUs usados em dispositivos IoT não incluíam esses recursos, em vez disso, exigiam um módulo dedicado ou emulação na aplicação do dispositivo. Hoje, existem vários chipsets e MCUs totalmente integrados que suportam múltiplos protocolos sub-GHz. Alguns desses produtos também suportarão uma banda ISM de frequência mais alta na faixa de 2.4 GHz, e possivelmente WiFi até 5 GHz. Você pode ler mais sobre os fundamentos da seleção de protocolo IoT aqui.

A mistura de vários padrões e protocolos determinará quais frequências estarão disponíveis em seu design, o que será um dos principais fatores de consumo de energia. Ao escolher um protocolo de rede com ou sem fio, a taxa de dados é geralmente a consideração primária. Em wireless sub-GHz, as principais vantagens são o baixo consumo de energia desses protocolos e o longo alcance disponível nessas frequências. Portanto, combinar os requisitos de vida útil do dispositivo e alcance de comunicação com a aplicação são tipicamente mais importantes para os dispositivos finais na rede.

Equilibrando Alcance e Energia

Protocolos de alta frequência e baixa frequência diferem em dois aspectos principais que determinam suas áreas de aplicação ideais: atenuação e consumo de energia. Frequências mais baixas geralmente correspondem a um menor consumo de energia e maior alcance, então protocolos sub-GHz são ideais para essas aplicações de IoT. A transmissão de baixa frequência também tem menos problemas com obstáculos como colinas, prédios, etc., então essa capacidade de longo alcance elimina a necessidade de sites repetidores e estações base. Contraste isso com a próxima onda de implementações de 5G, onde mini estações base precisarão ser implementadas para a entrega de serviço aos usuários finais.

Uma maneira simples de começar a estimar os requisitos de energia em um transmissor para uma distância e frequência de transmissão dada (realmente o comprimento de onda) é usar a fórmula de perda de caminho de Friis. Esta fórmula ilustra o compromisso entre a frequência de transmissão (ou melhor, comprimento de onda) e alcance:

Onde:

Pr = Potência recebida
Pt = Potência transmitida
Dt = Diretividade do transmissor
Dr = Diretividade do receptor
d = Distância entre as antenas do transmissor e receptor
λ = Comprimento de onda da transmissão

De fato, se você conhece a sensibilidade do receptor (especificada em dBm), então você pode determinar a potência do transmissor necessária para um dado comprimento de onda e distância de transmissão em linha de visão. Em geral, dobrar o alcance da transmissão requer aumentar o orçamento de energia para seu link sem fio em 6 dB. Além disso, podemos ver que dobrar a frequência reduz a potência recebida em 6 dB. Note que esses são todos fatores idealizados dependendo da transmissão em linha de visão entre duas antenas. Um dispositivo implantado em um cenário real experimentará perdas de absorção, propagação multipath e reflexões, e até mesmo o clima. Portanto, certifique-se de considerar uma margem de segurança realista para seu sistema para contabilizar a possibilidade de alcance limitado.

Especificações Importantes para Chipsets Sub-GHz

Enquanto alcance e frequência de transmissão são as principais considerações no projeto de dispositivos IoT sub-GHz, há algumas outras especificações que devem ser consideradas nesses projetos.

Consumo de Energia

Produtos sem fio sub-GHz (e qualquer outro produto sem fio) não terão uma especificação de alcance específica, ou se tiverem será apenas uma estimativa. Eles terão um valor de saída de potência para uma corrente dada especificada como um valor EIRP (potência irradiada isotropicamente equivalente, em unidades de dBm). Uma antena com diretividade/ganho maior que 1 pode ser usada para transferência direcionada e poderia ser usada para reduzir o consumo de energia necessário para transmitir dados. O consumo total de energia do sistema pode ser reduzido ainda mais usando um sistema com corrente de espera mais baixa, modos de baixo consumo e temporizadores de despertar. Dado todos esses fatores, o consumo de energia pode ser minimizado, e dispositivos podem ser projetados para ter uma vida útil total de mais de 10 anos em uma bateria de célula tipo moeda.

Sensibilidade do Receptor

Como mencionado anteriormente, a sensibilidade do receptor e a frequência de transmissão determinarão o alcance do sistema. Canais com larguras de banda maiores exigirão um receptor mais sensível, o que pode limitar o alcance em sua conexão sub-GHz. Compensar isso pode exigir o aumento da potência de transmissão, limitando o alcance, usando uma taxa de dados mais baixa, ou possivelmente mudando para um protocolo diferente para sua aplicação. O ganho/diretividade da antena também desempenha um papel aqui e pode compensar a menor sensibilidade fornecendo transmissão direcional entre dispositivos na rede.

Considerações sobre Modulação e Coexistência

Assim como certas partes dos protocolos da banda ISM podem experimentar desafios de coexistência, as bandas sub-GHz podem sofrer interferência entre canais. Protocolos sub-GHz tipicamente usam esquemas de modulação por chaveamento (FSK, ASK, OOK, etc.). Em alguns casos, mecanismos de espectro espalhado são usados para aumentar a largura de banda do canal, seja codificando dados em uma taxa de bits mais alta ou com um esquema como o espectro espalhado por salto de frequência (FHSS). Um exemplo mostrando o aumento da taxa de dados sendo usado para aumentar a largura de banda para uma determinada potência de transmissão média é mostrado abaixo.

Conceito de transmissão de espectro espalhado. Ao espalhar os dados transmitidos (azul) em uma codificação de maior taxa de bits (vermelho), o receptor pode resistir a potenciais fontes de interferência.

(Texto alternativo: Transmissão de espectro espalhado)

Os sinais de espectro espalhado são menos propensos a interferências, mas os circuitos transmissores e receptores nos dispositivos finais precisam ter uma largura de banda maior para acomodar esse espalhamento de potência pela largura de banda do canal. A implementação do FHSS exigirá testes adicionais para garantir a conformidade com EMC e exigirá dispositivos compatíveis com sensibilidade de receptor suficiente em cada extremidade. Em alguns dispositivos, um módulo transceptor dedicado pode ser a melhor escolha para fornecer sensibilidade suficiente para receber sinais de espectro espalhado.

Opções de Rádio e Transceptor Sub GHz

Em resumo, existem duas maneiras básicas de integrar rádios sub-GHz em um novo produto e trazê-lo para uma rede IoT de longo alcance:

Usar um processador que inclui capacidades sem fio sub-GHz integradas ao chip
Usar um transceptor sub-GHz externo que seja compatível com o controlador host do seu sistema
Adicionar um módulo sem fio que contém todos os periféricos necessários e

Dependendo do que seu sistema precisa fazer, qualquer opção é viável, pois existem muitos componentes que se enquadram em ambas as categorias. As duas primeiras opções exigirão um pouco mais de esforço se você nunca projetou coisas como filtros, linhas de alimentação, antenas ou dispositivos RF em geral. No entanto, existem linhas de produtos altamente integradas de vários fornecedores que suportam múltiplas bandas sub-GHz; algumas excelentes opções são mostradas abaixo.

Microchip, ATSAMR30M18A-I

O módulo sem fio sub-GHz ATSAMR30M18A-I da Microchip funciona como um MCU que inclui um rádio compatível com IEEE 802.15.4 com uma antena integrada. Este módulo SMD com terminais castelados inclui um MCU ARM Cortex-M0+ com 256 KB de memória Flash integrada, bem como um transceptor integrado para a banda ISM de 700/800/900MHz. Como um SiP fácil de usar, ele também inclui algumas das características padrão que os usuários esperam em MCUs, como um ADC de 12 bits 350 ksps, I2C operando até 3.4 MHz, uma interface USB 2.0 e 16 GPIOs. Ele requer uma antena externa; a tabela abaixo inclui uma lista de antenas aprovadas, embora outras antenas possam ser usadas se tiverem especificações semelhantes e passarem nos testes.

NXP Semiconductor, OL2385AHN

O OL2385AHN da NXP Semiconductor é um transceptor RF sem fio multibanda com um núcleo MCU embutido que suporta múltiplas bandas sub-1 GHz (160 a 960 MHz). Este dispositivo é um transceptor altamente integrado com quatro faixas de frequência selecionáveis que suporta múltiplos esquemas de modulação (400 kbps/200 kbps FSK, ASK e OOK). Na placa, um controlador host pode interagir com este dispositivo via SPI, UART ou UART compatível com protocolo LIN. Algumas das principais áreas de aplicação visadas com este componente incluem LPWAN para produtos de infraestrutura inteligente, tecnologias para casa inteligente, comunicação M2M e redes de sensores.

Diagrama de bloco do transmissor de rádio NXP OL2385AHN. [Fonte: (Alt text: Design sub-GHz)

Texas Instruments, MCUs Sem Fio SimpleLink (CC13xx e CC430F51xx)

A linha SimpleLink de MCUs sem fio da Texas Instruments é uma das minhas favoritas para desenvolver novos produtos IoT que operam em bandas sub-1 GHz. Alguns dos componentes desta linha de produtos também suportam múltiplas bandas ISM, WiFi, Bluetooth e outros entre 1 e 2 GHz. Esta linha de produtos inclui alguns MCUs que são qualificados para produtos automotivos. Os vários produtos da SimpleLink suportam estes protocolos sub-1 GHz:

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

Se você está usando outros produtos no portfólio da TI, você achará fácil desenvolver uma aplicação com o suporte do SDK da TI para esses produtos e dispositivos periféricos para sua plataforma IoT. Esses MCUs também se conectam com quaisquer outros ASICs periféricos através de interfaces digitais padrão, dando aos designers muita flexibilidade para construir novas plataformas IoT.

O Futuro do IoT Sub GHz

Todo mundo continua focando em WiFi, Bluetooth e 5G simplesmente porque são muito ubíquos no espaço do consumidor, mas as frequências abaixo de 1 GHz não vão desaparecer e continuarão sendo a espinha dorsal de baixo consumo de energia para redes IoT. As capacidades de longo alcance, o baixo consumo de energia e a facilidade de implementação são vantagens demais para serem ignoradas, e não faz sentido contribuir para a congestão adicional das redes ISM ou celulares em aplicações persistentes de baixa taxa de dados. Alguns dos componentes que os designers de sistemas precisam em muitas aplicações sub-1 GHz se enquadram nas seguintes categorias:

Se você está desenvolvendo uma solução personalizada que pode suportar uma gama de possíveis frequências ou protocolos, como rádio definido por software, você precisará de alguns componentes adicionais para construir sua frente de RF:

Quando você precisar encontrar componentes para o seu próximo design de sistema sem fio sub-1 GHz, use os recursos avançados de busca e filtragem no Octopart. Ao usar o motor de busca de eletrônicos do Octopart, você terá acesso a dados atualizados de preços de distribuidores, inventário de peças e especificações de peças, e tudo isso acessível de forma gratuita em uma interface amigável ao usuário. Dê uma olhada na nossa página de circuitos integrados para encontrar os componentes de que precisa.

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