Bluetooth LE가 결합된 사전 인증 Wi-Fi 6 모듈을 사용하여 산업용 무선 통합 간소화

사물 인터넷(IoT)의 출현으로, 무선 연결은 장비 모니터링 및 자산 추적부터 건물 자동화에 이르는 산업 응용 분야의 기본 요구 사항이 되었습니다. 이러한 연결을 구현하려는 설계자는 무선 칩셋, 안테나, 소프트웨어 부품, 글로벌 인증, 보안, 열악한 환경에서의 신뢰성을 비롯한 여러 과제에 직면하고 있습니다.

이러한 과제는 Bluetooth Low Energy(BLE) 5.4가 지원되는 견고한 사전 인증 Wi-Fi 6 모듈을 선택함으로써 극복할 수 있습니다. 이 모듈은 통합을 간소화하면서 필수 기능을 제공합니다.

이 기사에서는 산업 시스템 설계자의 무선 연결 과제에 대해 논의하고 BLE 5.4가 지원되는 사전 인증 Ezurio Wi-Fi 6 모듈의 예를 소개합니다. 또한 사전 인증 안테나 및 이와 연결된 개발 키트에 대해서도 설명합니다.

산업용 무선 통신의 주요 과제

산업 환경에서는 고속 데이터를 공유해야 하는 엔드포인트 수가 계속 늘어가고 있으며 무선 네트워크는 이러한 데이터를 주고받는 유일한 실질적 수단인 경우가 많습니다.

이는 대기 시간 문제 및 패킷 손실로 인해 작동 효율성에 영향을 미치므로 이전 무선 기술의 경우 네트워크 정체가 발생할 수 있습니다. 오래된 통신 기술은 또한 네트워크를 사이버 공격에 취약한 상태로 방치할 수 있습니다.

Wi-Fi 6 및 BLE 5.4와 같은 최신 기술은 이러한 문제를 해결할 수 있지만, 이러한 기술을 개발 및 통합하려면 특히 공간 제약적 장치 및 레트로핏 응용 제품에서 강력한 RF 전문 지식이 필요합니다. 또한, 여러 무선 솔루션은 생산을 늦추고 비용을 증가시키는 수동 조립 단계를 필요로 합니다.

신뢰성은 또 다른 고려 사항입니다. 대다수의 산업 환경에서는 상당한 전자기 간섭(EMI), 극한의 온도, 진동, 충격이 발생합니다. 마지막으로 수많은 응용 제품은 글로벌 표준 준수를 보장하면서 배터리 수명을 연장하기 위한 저전력 소비를 요구합니다.

강력한 솔루션: Bluetooth LE 5.4가 지원되는 Wi-Fi 6 모듈

Ezurio의 Sona TI351 모듈은 Wi-Fi와 BLE를 견고한 사전 인증 패키지에 결합하여 산업용 무선 연결의 과제를 해결합니다(그림 1). Texas Instruments SimpleLink CC3351 Wi-Fi 및 BLE 컴패니언 IC를 기반으로 하는 이 모듈은 표면 실장 기술(SMT) 및 플러그형 변형으로 제공되며 내장형 칩 안테나 또는 안테나 커넥터 옵션이 지원됩니다.

그림 1: Sona TI351은 SMT 및 플러그형 변형으로 제공되는 콤팩트한 사전 인증 Wi-Fi 6 및 BLE 5.4 모듈 제품군으로, 내장형 칩 안테나 또는 안테나 커넥터 옵션이 지원됩니다(이미지 출처: Ezurio).

모든 모듈은 고속 데이터 전송 및 내장된 오류 감지 및 수정 기능을 제공하는 SDIO 2.0 인터페이스를 통해 Wi-Fi 6(802.11ax)을 지원합니다. Wi-Fi 6은 정체된 산업용 네트워크에서 신뢰할 수 있는 성능을 지원하는 여러 특징을 제공합니다.

• 직교 주파수 분할 다중 액세스(OFDMA)를 사용하면 동일한 채널에 있는 여러 IoT 장치에서의 동시 전송이 가능하므로 밀집 배포의 효율을 증폭시킵니다.
• 목표 깨우기 시간(TWT)은 장치의 깨우기 시간을 정밀하게 스케줄링함으로써 배터리 수명을 최적화합니다.
• 이중 대역은 서로 다른 사용 사례에 대해 융통성을 지원합니다. 2.4GHz(기가헤르츠)는 장애물 돌파력을 향상시키고 5GHz는 더 높은 대역폭을 제공합니다.
• 18dBm(1밀리와트 기준 데시벨) 전송 전력은 넓은 산업 공간에 걸쳐 신뢰할 수 있는 커버리지를 제공합니다.

모듈의 BLE 5.4 지원은 전용 고속 (HS-UART) 채널을 통해 제공됩니다. BLE 5.4는 산업 환경에 매우 적합한 프로토콜로, 지원되는 기능은 다음과 같습니다.

• 응답을 통한 주기적 애드버타이징(PAwR) - 미리 지정된 전송 윈도우를 사용하여 전력 소비 감소
• 주기적 애드버타이징 동기화 전송(PAST) - 주요 장치 활성화를 통해 동기화 데이터를 공유하여 네트워크 관리 간소화
• LE 2Mbit/s(초당 메가비트 수) 물리층(PHY) - 절전 모드로의 빠른 전환으로 고속 데이터 전송을 지원하고 전력 효율을 더욱 향상시킴
• LE 장거리 모드 - 확장된 거리에 걸쳐 신뢰할 수 있는 통신 제공

이 모듈은 두 프로토콜 모두를 필요로 하는 응용 제품을 위해 Wi-Fi 및 Bluetooth 공존을 지원합니다.

고신뢰성 설계

Sona TI351 모듈은 나가는 신호 강도를 증폭시키는 통합 전력 증폭기(PA)를 통합하여 까다로운 환경에서 신뢰할 수 있는 작동을 보장합니다. 수신 측의 저잡음 증폭기(LNA)는 잡음 간섭을 최소화하면서 약한 신호를 증폭시켜 신호 수신을 개선합니다. 이러한 조합을 통해 EMI가 크고 물리적 장애물이 있는 환경에서도 안정적인 무선 연결을 보장할 수 있습니다.

이 모듈은 또한 물리적 신뢰성을 위해 설계되었습니다. SMT 버전은 진동과 기계적 응력을 견딜 수 있는 견고한 연결을 제공하며, 내장된 안테나 옵션은 잠재적인 장애점을 제거합니다. 이 모듈은 또한 -40°C ~ 85°C의 작동 온도 범위를 가집니다.

Linux 및 Android OS를 위한 포괄적인 소프트웨어 지원

Sona TI351 모듈에는 Linux 및 Android 운영 체제를 위한 포괄적인 소프트웨어가 지원됩니다. Linux의 경우 연결 스택은 이전 커널과의 호환성을 보장하기 위해 v2.6.37 이상 릴리스에 대한 백포트 드라이버를 통해 여러 커널 버전에 걸쳐 테스트됩니다. 이 스택은 Buildroot, Yocto, Ubuntu를 비롯하여 친숙한 구축 환경을 지원합니다.

단지 하드웨어별 드라이버를 제공하는 대신 Ezurio는 사전 테스트를 거친 완전한 연결 스택을 제공합니다(그림 2). 이 접근 방식은 부품 간 비호환성을 방지하는 데 도움이 되며 시스템 통합을 가속화합니다. 이 스택은 최적의 성능을 보장하기 위해 최신 드라이버 소스 및 커널 부품으로 계속적으로 유지 관리됩니다.

그림 2: Sona TI351은 포괄적인 연결 소프트웨어 스택과 함께 제공됩니다(이미지 출처: Ezurio).

보안 및 인증 고려 사항

이 모듈은 Wi-Fi 6 및 BLE 5.4의 고급 보안 기능을 활용합니다. Wi-Fi 측에서는 고급 암호화 및 인증 메커니즘을 비롯하여 엔터프라이즈급 WPA2/3 보안 프로토콜에 대한 강력한 지원을 제공합니다.

BLE의 경우 암호화된 애드버타이징 데이터 기능은 연속 연결 구축에 대한 오버헤드 없이 민감한 정보에 대한 보안 브로드캐스트를 활성화하므로 환경 데이터 또는 액세스 자격 증명을 전송하는 자동화 시스템을 구축하는 데 특히 유용합니다. 또한, BLE 일반 속성 프로파일(GATT) 보안 레벨 특성은 다양한 데이터 유형에 대해 서로 다른 보안 레벨을 지원하므로 보안 오버헤드와 성능 간 균형을 최적화할 수 있습니다.

규정 준수는 특히 국제적으로 배송되는 장치의 경우 설계자가 선택하는 프로토콜에 상관없이 큰 골칫거리일 수 있습니다. 이러한 우려를 해결하기 위해 Sona TI351 제품군은 FCC(US), IC(캐나다), CE(유럽), UKCA(UK), MIC(일본), RCM(오스트레일리아/뉴질랜드), KCC(대한민국)를 포함하는 표준에 따라 인증되었습니다.

조립 유연성을 제공하는 SMT 및 M.2 옵션

앞서 언급한 바와 같이 Ezurio Sona TI351 제품군은 특정 응용 요구 사항을 충족하기 위해 여러 가지 구성으로 제공됩니다. 예를 들어, 453-00200R(그림 3)은 칩 안테나가 통합되어 있는 콤팩트한 12mm x 16mm M.2 1216 SMT 폼 팩터를 사용합니다. 이 설계는 산업 환경을 견딜 수 있는 견고한 연결을 제공하면서 자동 조립을 지원합니다. 이러한 기능 조합을 갖춘 모듈은 신뢰성 및 제조 효율이 매우 중요한 대량 배포에 매우 적합합니다.

그림 3: Sona TI351 453-00200R은 칩 안테나가 통합되어 있는 콤팩트한 12mm x 12mm 모듈(M.2 1216 SMT 폼 팩터)입니다(이미지 출처: Ezurio).

외부 안테나 연결이 필요한 응용 제품을 위해 453-00199R(그림 4)은 동일한 내구적 M.2 1216 폼 팩터를 사용하지만 칩 안테나 대신 MHF4L 커넥터를 제공합니다. 이 구성을 통해 EMI는 외부 안테나를 사용하여 높은 금속 인클로저 또는 영역과 같은 까다로운 RF 환경에서 최적의 신호를 수신할 수 있습니다.

그림 4: Sona TI351 453-00199R 모듈은 MHF4L 안테나 커넥터를 제공합니다(이미지 출처: Ezurio).

이전의 두 예와 달리 453-00209(그림 5)는 플러그형 시스템 구성을 위한 M.2 2230 Key E 커넥터를 사용합니다. 이러한 특징은 현장에서 쉽게 설치 및 교체할 수 있어 유지 관리 중 시스템 다운타임을 최소화하는 것이 중요한 장비 모니터링 응용 분야에 특히 유용합니다.

그림 5: Sona TI351 453-00209 모듈은 플러그형 시스템 구성을 위한 M.2 2230 Key E 커넥터를 사용합니다(이미지 출처: Ezurio).

이러한 옵션 범위를 통해 설계자는 신뢰성 및 통합 용이성을 유지하면서 특정 사용 사례에 대한 구현을 최적화할 수 있습니다.

RF 설계를 간소화하는 사전 인증 안테나

MHF4L 커넥터가 장착된 모듈의 경우 Ezurio는 다양한 사전 인증 안테나 옵션을 제공합니다. 한 예로, 손쉬운 통합을 위한 접착제 지지체를 가진 EFB2471A3S-10MH4L 5W FlexPIFA(flexible Planar Inverted-F Antenna)(그림 6)를 들 수 있습니다. 이 3중 대역(2.4/5/6GHz, 7.125GHz 지원) 안테나는 1.6:1(5.925GHz ~ 7.125GHz)의 낮은 평균 전압 정재파비(VSWR)를 유지합니다. 이 안테나는 5GHz 기준 3.9dBi(등방성 기준 데시벨) 이득을 가지며, 다양한 주파수 대역에서 성능을 발휘해야 하는 글로벌 응용 제품에 특히 적합합니다.

그림 6: EFB2471A3S-10MH4L은 3중 대역 2.4/5/6GHz, 5W 안테나입니다(이미지 출처: Ezurio).

고정 산업용 IoT(IIoT) 및 장비 모니터링 응용 분야를 위해001-0021(그림 7)은 2중 대역 2.4/5GHz 솔루션을 제공합니다. 또한 2.4GHz 기준 2.5:1 미만의 VSWR과 5GHz 기준 3dBi 이득을 가집니다.

그림 7: 001-0021은 2중 대역 2.4/5GHz 안테나입니다(이미지 출처: Ezurio).

사전 인증된 안테나 라인업을 통해 제품 개발을 의미 있게 간소화할 수 있습니다. Ezurio는 이미 모듈과 함께 사용할 안테나를 테스트하여 예기치 않은 RF 성능 문제가 발생할 위험을 줄였습니다. 더 광범위하게, 모듈 폼 팩터와 안테나 선택의 조합을 통해 시스템 설계자는 통합의 용이성을 유지하면서 구현을 최적화할 수 있습니다.

전체 액세스 권한을 제공하는 개발 키트

설계자는 453-00200-K1 개발 키트(그림 8)를 사용하여 모듈을 빠르게 시작할 수 있습니다. 이 포괄적인 키트는 453-00200 칩 안테나 모듈을 사용하며 모듈 기능 및 성능 테스트를 위해 Linux 호스트에 대한 여러 소프트웨어 및 하드웨어 인터페이스를 갖추고 있습니다.

그림 8: Sona TI351 개발 키트는 453-00200 칩 안테나 모듈을 기반으로 하며 Linux 호스트에 대한 통신 및 하드웨어 인터페이스를 제공합니다(이미지 출처: Ezurio).

키트에는 고속 및 저속 케이블과 UART 또는 고속 SDIO 장치에 연결되는 어댑터/도터카드가 포함되어 있습니다. 온보드 헤더, 점퍼, 스위치를 사용하면 하드웨어 및 소프트웨어 개발 중에 전력 소비를 테스트 및 측정하기 위해 전력 및 신호 네트를 손쉽게 분리할 수 있습니다.

결론

Sona TI351 모듈은 콤팩트하고 견고한 설계로 고급 무선 기능을 통합하여 산업 환경의 주요 무선 연결 과제를 해결합니다. 모듈 및 안테나에 대한 사전 인증, 여러 실장 옵션 및 폼팩터, 포괄적인 개발 키트는 개발 시간과 위험을 최소화합니다.