使用带低功耗蓝牙的预认证 Wi-Fi 6 模块简化工业无线集成

作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美编辑

随着物联网 (IoT) 的兴起，无线连接已成为从设备监控、资产跟踪到楼宇自动化等各种工业应用的基本要求。设计人员希望实现这种连接，但面临着多重挑战，包括集成无线芯片组、天线、软件、全球认证、安全性和恶劣环境下的可靠性。

要克服这些挑战，可以选择坚固耐用、经过预先认证的 Wi-Fi 6 模块和低功耗蓝牙 (BLE) 5.4，既能获得必要的功能，又能简化集成。

本文将讨论工业系统设计人员面临的无线连接挑战，并以预认证 [Ezurio] Wi-Fi 6 模块和 BLE 5.4 为例进行介绍。本文还将讨论预认证天线和相关开发套件。

工业无线通信面临的主要挑战

在工业环境中，需要共享高速数据的终端数量在不断增加，而无线网络往往是实现这些数据通信的唯一实用手段。

这可能会导致老式无线技术的网络拥堵以及延迟问题，而且数据包丢失会影响运行效率。过时的通信技术也会使网络容易受网络攻击。

Wi-Fi 6 和 BLE 5.4 等现代技术可以解决这些问题，但开发、集成这些技术需要雄厚的射频专业知识。在空间受限的设备和改造应用中，尤其如此。此外，许多无线解决方案都需要人工组装，不仅会降低生产速度，还会增加成本。

可靠性是另一个需要考虑的问题。许多工业环境都存在严重的电磁干扰 (EMI)、极端温度、振动和冲击。最后，许多应用不仅要求低功耗，以延长电池寿命，还要求确保符合全球标准。

强大的解决方案：带低功耗蓝牙 5.4 的 Wi-Fi 6 模块

Ezurio 的 [Sona TI351] 模块将 Wi-Fi 和 BLE 结合在坚固的预认证封装中，解决了工业无线连接的难题（图 1）。这些模块基于 [Texas Instruments] 的 [SimpleLink CC3351] Wi-Fi 和 BLE 配套 IC 构建；提供有表面贴装 (SMT) 和可插拔两种类型，可选择内置芯片天线或天线连接器。

图 1：Sona TI351 是一个紧凑型预认证 Wi-Fi 6 和 BLE 5.4 模块系列，采用内置天线或天线连接器，分为 SMT 和插拔式型号。(图片来源：Ezurio）

所有模块均通过 SDIO 2.0 接口支持 Wi-Fi 6 (802.11ax)，具有高速数据传输能力，内置错误检测和纠正功能。Wi-Fi 6 功能丰富，有助于在拥挤的工业网络中实现可靠的性能：

• 正交频分多址 (OFDMA) 允许多个物联网设备在同一信道上同时传输数据，提高了密集部署的效率。
• 目标唤醒时间 (TWT) 允许精确安排设备唤醒时间，从而优化电池寿命。
• 双频支持功能提高了不同使用情况的灵活性：2.4 GHz 确保更好地穿透障碍物，而 5 GHz 则提供更高的带宽。
• 18 分贝（以 1 毫瓦 (dBm) 为基准）的发射功率可在大型工业空间内实现可靠覆盖。

该模块通过专用高速 UART (HS-UART) 通道实现 BLE 5.4 支持功能。BLE 5.4 是一种非常适合工业环境的协议。该协议支持：

• 带响应的周期性广播 (PAwR)，通过使用预定的传输窗口降低功耗
• 周期性广播同步传输 (PAST)，使主设备能够共享同步数据，从而简化网络管理
• LE 2 Mb/s 物理层 (PHY)，支持快速数据传输，可快速返回休眠模式，进一步提高能效
• LE 长距离模式可实现远距离可靠通信

这些模块支持 Wi-Fi 和蓝牙共存，适用于需要这两种协议的应用。

高可靠性设计

Sona TI351 模块集成了功率放大器 (PA)，可增强输出信号强度，确保在苛刻的环境中可靠运行。在接收端，低噪声放大器 (LNA) 可放大微弱信号，同时最大限度地减少噪声干扰，以增强信号接收能力。即使在电磁干扰严重和存在物理障碍的环境中，这种组合也能确保稳定的无线连接。

这些模块的设计还具有物理可靠性。SMT 版具有坚固的连接，可承受振动和机械应力，而嵌入式天线选项则消除了潜在的故障点。两者均具有 -40°C 至 +85°C 的工作温度范围。

为 Linux 和安卓操作系统提供全面的软件支持

Sona TI351 模块包括对 Linux 和 Android 操作系统的全面软件支持。针对 Linux 系统，连接协议栈已在多个内核版本上完成测试，并为早期版本（如 v2.6.37）提供了反向移植驱动程序，以确保兼容旧版内核。堆栈支持熟悉的构建环境，包括 Buildroot、Yocto 和 Ubuntu。

Ezurio 不仅仅提供特定于硬件的驱动程序，还提供完整的、经过预先测试的连接堆栈（图 2）。这种方法有助于防止组件之间的不兼容，并加快系统集成。堆栈使用最新的驱动程序源和内核组件进行持续维护，以确保最佳性能。

图 2：Sona TI351 配备了全面的连接软件栈。（图片来源：Ezurio）

安全和认证问题

这些模块利用了 Wi-Fi 6 和 BLE 5.4 的高级安全功能。在 Wi-Fi 方面，这些模块提供对企业级 WPA2/3 安全协议的强大支持，包括高级加密和验证机制。

就 BLE 而言，加密广播数据功能可实现敏感信息的安全广播，而无需建立连续连接，这在传输环境数据或访问凭证的楼宇自动化系统中特别有用。此外，根据 BLE 通用属性配置文件 (GATT) 安全级别特性，可以对各种数据类型采用不同的安全级别，以优化安全开销和性能之间的平衡。

无论设计人员选择哪种协议，合规性都是一个非常棘手的问题，尤其是对于国际发运设备而言。为解决这些问题，Sona TI351 系列已通过 FCC（美国）、IC（加拿大）、CE（欧洲）、UKCA（英国）、MIC（日本）、RCM（澳大利亚/新西兰）和 KCC（韩国）等标准认证。

SMT 和 M.2 选项提高了组装灵活性

如前所述，Ezurio Sona TI351 系列提供了多种配置，以满足特定的应用要求。例如，[453-00200R] （图 3）采用紧凑的 12 x 16 mm M.2 1216 SMT 外形，并集成了片式天线。这种设计可实现自动化装配， 其连接坚固耐用，因此能够承受工业环境的考验。这些功能结组合使该模块特别适合于大批量部署，因为可靠性和制造效率是至关重要的指标。

图 3：Sona TI351 453-00200R 是一款紧凑型模块，尺寸为 12 x 12 mm，采用 M.2 1216 SMT 封装，内置片式天线。（图片来源：Ezurio）

对于需要外部天线连接的应用，[453-00199R] （图 4）具有同样坚固耐用的 M.2 1216 外形，不同的是，该器件采用 MHF4L 连接器，而不是片式天线。这种配置允许使用外部天线，以便在金属外壳或高 EMI 区域等具有挑战性的射频环境中实现最佳的信号接收效果。

图 4：Sona TI351 453-00199R 模块采用 MHF4L 天线连接器。（图片来源：Ezurio）

与前两个示例不同的是，[453-00209] （图 5）使用 M.2 2230 Key E 连接器，用于可插拔系统配置。该功能便于现场安装和更换，因此特别适用于设备监控应用。在这类应用中，最大限度地减少维护期间的系统停机时间是首要考虑事项。

图 5：Sona TI351 453-00209 模块使用 M.2 2230 Key E 连接器进行可插拔系统配置。（图片来源：Ezurio）

利用这一系列选项，系统设计人员能够在保持可靠性和易于集成的同时，针对特定用例进行实施优化。

预认证天线简化了射频设计

对于采用 MHF4L 连接器的模块，Ezurio 提供一系列预认证天线选项。例如 [EFB2471A3S-10MH4L] 5 W 柔性平面反转 F 天线 (FlexPIFA)（图 6），具有背胶，方便集成。这款三频段（2.4/5/6 GHz，支持 7.125 GHz）天线在 5.925 GHz 至 7.125 GHz 频段内保持 1.6:1 的低平均电压驻波比 (VSWR)。该器件在 5 GHz 频段具有 3.9 分贝相对于各向同性的增益 (dBi)，且尤其适用于对跨频段性能要求严苛的全球性应用。

图 6：EFB2471A3S-10MH4L 是一款三频 2.4/5/6 GHz、5 W 天线。（图片来源：Ezurio）

对于固定式工业物联网 (IIoT) 和设备监控应用，[001-0021] （图 7）提供了双频 2.4/5 GHz 解决方案。该器件在 2.4 GHz 时的 VSWR <2.5:1，在 5 GHz 时的增益为 3 dBi。

图 7：001-0021 是一款双频 2.4/5 GHz 天线。（图片来源：Ezurio）

预认证天线产品线可有效简化产品开发。Ezurio 已经对配合模块使用的天线进行了测试，从而降低了出现意外射频性能问题的风险。更广泛地说，模块外形尺寸和天线选择的组合使系统设计人员能够优化其实施，同时保持集成的简易性。

开发套件提供完整的访问权限

借助 [453-00200-K1] 开发套件（图 8），设计人员可实现这些模块的快速入门。这款综合工具套件使用 453-00200 片式天线模块，提供多个连接 Linux 主机的软件和硬件接口，用于测试模块的功能和性能。

图 8：Sona TI351 开发套件基于 453-00200 片式天线模块，为 Linux 主机提供通信和硬件接口。（图片来源：Ezurio）

该套件包括连接 UART 或高速 SDIO 设备的高速和低速电缆以及适配器/子板。板载接头、跳线和开关可轻松隔离电源和信号网络，以便在硬件和软件开发过程中测试和测量功耗。

结语

Sona TI351 模块将先进的无线功能集成到坚固耐用的紧凑设计中，解决了工业环境中关键的无线连接难题。模块和天线的预认证、多种安装选项和外形尺寸以及全面的开发套件最大限度地减少了开发时间和风险。

审核编辑 黄宇