Multi-protocol, multi-band draadloze SoC's gebruiken om de implementatie van IIoT-netwerken te vereenvoudigen

Als gevolg van de constante innovatie zijn er meerdere, niet-compatibele draadloze opties voor Internet of Things (IoT)-toepassingen. Hoewel het altijd goed is om keuze te hebben, maakt dit de implementatie van draadloze netwerken ook moeilijke - vooral in het geval van oudere industriële IoT (IIoT)-installaties, waar mogelijk al meerdere draadloze netwerken zijn geïmplementeerd en waar over meerdere faciliteiten verspreid nu honderden of duizenden sensors moeten worden toegevoegd.

Om dit probleem aan te pakken, hebben fabrikanten van IoT-transceivers goedkope, low-power system-on-chip (SoC)--oplossingen ontwikkeld die meerdere protocollen over meerdere RF-banden ondersteunen, allemaal in één apparaat.

In dit artikel wordt kort ingegaan op de ontwerpuitdagingen die het wijdverbreide gebruik van meerdere normen en specificaties voor draadloze communicatie over korte afstand met zich meebrengt. Daarna volgt een presentatie van system-on-chips (SoC's) van NXP, Texas Instruments, Silicon Labs en Analog Devices die ontwerpers de flexibiliteit bieden om meerdere RF-interfaces te gebruiken en hun mogelijkheden en de draadloze protocollen die ze ondersteunen te verkennen.

De uitdaging van de draadloze opties

Slechts een paar jaar geleden waren er zeer weinig IoT-transceivers of microcontroller-SoC's die meer dan één draadloos protocol ondersteunden, dus fabrikanten van edge-apparaten kozen voor een protocol en gebruikten dit voor al hun productlijnen. Binnen de sector van de huisautomatisering bijvoorbeeld, de eerste zichtbare IoT-toepassing, heeft de ene fabrikant van “slimme” verlichtingsproducten misschien Zigbee gebruikt, een andere fabrikant Z-Wave en weer een ander Wi-Fi, waardoor een nieuwe technologie die op zich al complex is voor de consumenten nog verwarrender overkomt.

De IIoT-markt heeft momenteel nog steeds met dezelfde uitdagingen te maken, maar op een veel grotere schaal. Anders dan bij woningen, die geografisch welbepaalde zones vormen, hebben grote fabrikanten vaak faciliteiten over de hele wereld en zien ze zich genoodzaakt om een breed scala aan apparatuur en regelgeving te ondersteunen. De opkomst van multi-protocol, multi-band transceivers en microcontroller-SoC's maakt het voor ingenieurs, en ook voor systeem- en netwerkarchitecten, gemakkelijker om dergelijke apparaten te implementeren. Aangezien dergelijke SoC's in toenemende mate in edge-apparaten worden geïmplementeerd, wordt het mogelijk om een netwerk te configureren met behulp van verschillende draadloze edge-protocollen met behulp van SoC's van een enkele leverancier.

Typische eigenschappen van een IoT SoC

Een typische SoC voor het IoT omvat een baseband en een RF-sectie op basis van de draadloze interface IEEE 802.15.4 met fysieke laag (PHY) voor netwerken van het type LR-WPAN (low-rate wireless personal area network); een Arm host-processor en coprocessor; enige mate van codering, zoals AES-128; en een true random number generator (TRNG). Daarnaast zijn er circuits voor stroom- en sensorbeheer, meerdere klokken en timers en diverse I/O-opties (Afbeelding 1). Aangezien Zigbee een bijzonder populair protocol voor industriële toepassingen is geworden, wordt het vrijwel universeel ondersteund in deze apparaten, net als soortgelijke protocollen met lage datasnelheid als bijvoorbeeld Thread.

Afbeelding 1: de in dit blokschema getoonde CC26xx-serie van SimpleLink SoC's van Texas Instruments is representatief voor draadloze IoT SoC's. De hostprocessor is een Arm Cortex-M3, ondersteund door een Arm Cortex-M0-coprocessor. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Ook Bluetooth Low Energy (versie 4) maakt hier deel van uit en Bluetooth 5 (versie 5.1) wordt steeds meer ondersteund. In versie 5.1 werden mesh-netwerken opgenomen, waardoor ook Bluetooth een kanshebber wordt voor grootschalig IoT. Niet echter SoC's ondersteunen deze versie echter, dus het is belangrijk om te bepalen of een apparaat dat kandidaat is voor IIoT versie 5.1 ondersteunt.

Sommige apparaten ondersteunen ook IPv6 via low-power draadloze personal area-netwerken (6LoWPAN's), een door de Internet Engineering Task Force (IETF) gedefinieerde open standaard op basis van de 802.15.4 PHY. 6LoWPAN bevat de IP headercompressie (IPHC) die nodig is voor het implementeren van IPv6, standaard TCP/UDP, gelaagd op de 802.15.4 PHY, en lagen voor media-toegangscontrole (media access control, MAC) en werkt op frequenties van 900 megahertz (MHz) (of lager) evenals op 2,45 gigahertz (GHz).

De uplink naar het internet wordt afgehandeld via een IPv6-edge-router, waar ook meerdere pc's en servers mee zijn verbonden (Afbeelding 2). Het 6LoWPAN-netwerk zelf is met de IPv6-netwerkrouter verbonden met behulp van zijn eigen edge-router.

Afbeelding 2: een IPv6-netwerk met een 6LoWPAN-mesh-netwerk. De uplink naar het internet wordt afgehandeld via een toegangspunt dat werkt als een IPv6-router, die is verbonden met een IPv6-edge-router, waarmee ook meerdere pc's en servers verbonden kunnen zijn. Het 6LoWPAN-netwerk is verbonden met het IPv6-netwerk via een edge-router. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Een van de onderscheidende kenmerken van 6LoWPAN is het vermogen om waar dan ook end-to-end pakketlevering te bieden met behulp van standaard internetprotocollen, waardoor ontwerpers met alle toepassingen berichtenprotocollen van hoog niveau zoals MQTT, CoAP en HTTP kunnen gebruiken.

Net als de andere in dit artikel genoemde protocollen kan het naast op 2,4 GHz ook op “sub 1 GHz” radio's draaien, wat betekent dat het goede propagatiekarakteristieken bezit. Bij demonstraties van 6LoWPAN werden bijvoorbeeld afstanden tot vier mijl afgelegd bij 900 MHz met behulp van een transceiver met een RF-uitgangsvermogen van +12 dBm. Lagere frequenties zijn met name binnenshuis bijzonder nuttig, aangezien ze beter door wanden heen dringen. 6LoWPAN is, mits op de juiste manier geconfigureerd en met een geschikte bridge, interoperabel met elk ander IP-netwerk zoals Ethernet, Wi-Fi of zelfs mobiele datanetwerken.

Essentiële protocollen

Vooralsnog bestaat er geen SoC die alle binnen het IoT gebruikte protocollen ondersteunt. Dat is niet specifiek belangrijk voor ontwerpers van IIoT-netwerken, omdat sommige van de protocollen, zoals Thread en Z-Wave, voornamelijk op de consumentenmarkt worden gebruikt. Hierdoor zijn de kanshebbers beperkt tot Zigbee — verreweg het populairste protocol voor Industrial IoT — samen met 6LoWPAN en Bluetooth. Dat gezegd hebbende, elke SoC die de 802.15.4-standaard ondersteunt, zou in staat moeten zijn om te functioneren met Zigbee, LPWAN's, Thread en zo mogelijk propriëtaire oplossingen als die oplossingen in dezelfde banden kunnen werken.

Wi-Fi is meestal niet opgenomen in multi-protocol SoC's voor low-power edge-apparaattoepassingen die worden gevoed door een kleine batterij vanwege het relatief hoge stroomverbruik. Wi-Fi werd in IoT primair gebruikt voor backhaul en gateway-to-internet-toegang, waarbij stroomverbruik geen cruciale waarde is. Wi-Fi is echter essentieel wanneer steden hun verlichting, bewaking en andere infrastructuren upgraden, vanwege de hoge gegevenssnelheden en het feit dat het bijna alomtegenwoordig is.

Voor deze toepassingen zijn al enkele jaren SoC's met Wi-Fi-op-een-chip beschikbaar en het gebruik ervan neemt toe omdat de technologie een essentieel onderdeel is van veel IoT-toepassingen waarbij zeer hoge gegevenssnelheden essentieel zijn. Een van deze SoC's met alleen Wi-Fi is de CC3100R11MRGCR Wi-Fi netwerkprocessor van Texas Instruments, met een 2,4 GHz Wi-Fi radio- en netwerkprocessor met on-chip Webserver en TCP/IP-stack. In combinatie met een microcontroller van TI of een willekeurige andere fabrikant vormt dit een complete Wi-Fi-oplossing in twee kleine apparaten.

Daarbij moet wel worden opgemerkt dat er maar weinig SoC's beschikbaar zijn die Wi-Fi en Bluetooth combineren, aangezien beide protocollen zo populair zijn en ze eveneens complementair zijn. De WL1831MODGBMOCR van Texas Instruments, die deel uitmaakt van de WiLink 8-familie van Wi-Fi/Bluetooth combomodules van het bedrijf, ondersteunt Bluetooth en Bluetooth Low Energy. Voor Wi-Fi heeft hij IEEE 802.11b/g/n op een maximale datasnelheid van 100 megabit per seconde (Mbit/s) samen met Wi-Fi Direct. De capaciteit van 2 x 2 MIMO levert 1,4 maal het bereik van het apparaat met gebruik van een enkele antenne en in Wi-Fi-modus verbruikt het minder dan 800 microampère (µA). Bluetooth-kenmerken zijn onder meer overeenstemming met Bluetooth 4.2 Secure Connection, een hostcontrollerinterface voor Bluetooth via UART en een audioprocessor die een sub-band codec voor Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) van Bluetooth ondersteunt.

In een pakket van 13,3 × 13,4 × 2 millimeter (mm) vinden we RF-vermogenversterkers en switches, filters en andere passieve componenten, alsmede stroombeheer en andere bronnen, zoals een 4-bit SDIO host-interface.

De multi-protocol SoC Mighty Gecko EFR32MG13P733F512GM48-D van Silicon Labs biedt een interessante benadering door een microcontroller te combineren met een transceiver die op veelgebruikte frequenties tussen 169 MHz en 2,450 GHz werkt. Dit maakt hem compatibel met Bluetooth Low Energy en Bluetooth 5.1, Zigbee, Thread en zelfs met 802.15g, een variant van de standaard die is ontworpen voor zeer grote utiliteitstoepassingen in Smart Grid-netwerken die miljoenen vaste eindpunten kunnen hebben over een wijd verspreid gebied.

Sommige apparaten van de Mighty Gecko-familie ondersteunen netwerken die onder de 1 GHz werken, waardoor maatwerk mogelijk is voor specifieke toepassingen; deze apparaten ondersteunen dus een verscheidenheid aan modulatieschema's zoals OOK, shaped FSK, shaped OQPSK en DSSS-modulatie.

Het SimpleLink platform van Texas Instruments bevat hardware die Bluetooth Low Energy en 5.1, Thread, Wi-Fi, Zigbee ondersteunt, en “sub 1 GHz” oplossingen als 6LoWPAN, alsmede bedrade standaards waaronder Ethernet, CAN en USB. In een apparaat worden twee of drie draadloze protocollen ondersteund, afhankelijk van het model. Elk model van de familie wordt ondersteund in een enkele software-ontwikkelingsomgeving.

De CC2650F128RHBR SimpleLink multi-standaard draadloze MCU bevat bijvoorbeeld ondersteuning voor Bluetooth, Zigbee en 6LoWPAN, alsmede voor op afstand bediende toepassingen zoals Zigbee radiofrequentie voor consumentenelektronica (RF4CE). Het laatste protocol is een verbetering van IEEE 802.15.4 en heeft netwerk- en toepassingslagen om interoperabele oplossingen voor meerdere leveranciers te creëren. De CC2650 gebruikt een 32-bit Arm Cortex-M3 als hostprocessor, die gekoppeld is aan een stroomsensorcontroller die autonoom werkt, zelfs wanneer het hele systeem in de slaapmodus staat. De Bluetooth-controller en 802.15.4 MAC gebruiken een separate Arm Cortex-M0-processor, zodat geheugen vrij wordt gemaakt voor ondersteuning van de toepassing.

De MKW40Z160VHT4 SoC van NXP Semiconductors beschikt over Bluetooth Low Energy en 802.15.4 voor Zigbee en Thread, werkt tussen de 2,36 GHz en 2,48 GHz, en gebruikt een Arm Cortex-M0+ CPU, Bluetooth link-layer hardware en een 802.15.4 pakket-processor. Naast het primaire gebruik van de SoC als compleet subsysteem, kan hij ook fungeren als modem om Bluetooth- of 802.15.4-connectiviteit toe te voegen aan een bestaande ingebedde controller, of als een zelfstandige draadloze sensor met een ingebedde toepassing waarvoor geen hostcontroller vereist is.

De LTC5800IWR-IPMA#PBF multi-protocol SoC van Analog Devices combineert ondersteuning voor de reeds genoemde op 802.15.4 gebaseerde protocollen alsmede een protocol met de naam SmartMesh, dat een interessante geschiedenis heeft. Dit protocol werd aan het eind van de jaren negentig ontwikkeld door Kris Pister, hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen aan de Universiteit van Berkeley, met financiering van het Smart Dust-project van DARPA. Het doel van het programma was om een piepkleine, zeer betrouwbare radio te maken die op batterijen of via energieoogst kon werken. Belangrijke klanten voor een dergelijk product zouden pijplijntoepassingen zijn, met een wijdverspreide infrastructuur die vaak onder moeilijke omgevingsomstandigheden werkt.

Om de technologie op de markt te brengen, richtte Pister Dust Networks om een draadloos meshed-netwerk van sensors te produceren, SmartMesh genaamd. In 2011 werd het bedrijf overgenomen door Linear Technology, dat in 2017 zelf werd overgenomen door Analog Devices, en daar leeft SmartMesh nu voort, nu ook in IIoT.

SmartMesh bestaat uit een zelf-vormend, multi-hop netwerk van nodes (motes genoemd) die gegevens verzamelen en doorsturen, en een netwerkbeheerder die prestaties en beveiliging coördineert en gegevens uitwisselt met een host-toepassing (Afbeelding 3). Aangezien betrouwbaarheid een van de belangrijkste vereisten voor het DARPA-programma was, heeft SmartMesh deze capaciteit gehandhaafd, met een uptime van 99%, ook bij gebruik onder moeilijke omgevingsomstandigheden. Het communicatieprotocol van SmartMesh is een spread-spectrumvariant met de naam time-slotted channel hopping (TSCH) die alle motes in het netwerk tot binnen een maar microseconden synchroniseert.

Afbeelding 3: in een SmartMesh-netwerk werkt iedere node als een router, zodat er op elk willekeurig punt nieuwe nodes kunnen worden aangesloten. De technologie ondersteunt maximaal 50.000 nodes. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Alle motes in het netwerk zijn gesynchroniseerd tot op minder dan 1 milliseconde (ms) en kunnen een batterijlevensduur van meer dan 10 jaar hebben. Om een compleet draadloos knooppunt te creëren zijn alleen ontkoppeling van de voeding, kristallen en een antenne nodig. Bij gebruik van een omnidirectionele antenne met een versterking van 2 dBi heeft de LTC5800-IPM een typisch bereik van 300 meter (m) buitenshuis en 100 m binnenshuis.

Conclusie

Alle variaties in draadloze protocollen bemoeilijken de keuze van de juiste wireless interfaces en protocollen voor gebruik met IIoT-implementaties, aangezien er ook bestaande, oudere systemen zijn die wellicht ondersteuning nodig hebben. We hebben gezien dat IoT SoC's die meerdere draadloze korte-afstand protocollen ondersteunen over meerdere RF-banden, de implementatie van IIoT-netwerken in hoge mate kan ondersteunen doordat ze de ontwerpers meer flexibiliteit bieden.