使用具有 BLE 的預先認證 Wi-Fi 6 模組簡化工業無線整合

隨著物聯網 (IoT) 興起，無線連線已成為工業應用的基本要求，從設備監測、資產追蹤到大樓自動化都涵蓋在內。想要實作這種連線的設計人員面臨諸多挑戰，包括無線晶片組的整合、天線、軟體元件、全球認證、安全性，以及在嚴峻環境中的可靠性。

挑選堅固、通過預先認證且具有低功耗藍牙 (BLE) 5.4 的 Wi-Fi 6 模組，就可克服這些挑戰，不僅能提供必要功能，同時還可簡化整合作業。

本文探討工業系統設計人員面臨的無線連線挑戰，並介紹 Ezurio 的 BLE 5.4 預先認證 Wi-Fi 6 模組範例。此外也會探討預先認證的天線和相關開發套件。

工業無線通訊的主要挑戰

工業環境中，需要共用高速數據的端點逐漸增多，而無線網路經常就是傳輸數據的唯一實用作法。

這對舊款無線技術來說，可能會導致網路壅塞，且延遲問題和數據封包遺失也會影響運作效率。過時的通訊技術也會導致網路容易受到網路攻擊。

Wi-Fi 6 和 BLE 5.4 等現代技術就可解決這些問題，但要開發和整合這些技術，需要深厚的 RF 專業知識，尤其是在空間受限的裝置和改造應用中。此外，許多無線解決方案需經過手動組裝步驟，也會減慢生產速度並增加成本。

可靠性則是另一項考量。許多工業環境都有明顯的電磁干擾 (EMI)、極端溫度以及振動和衝擊情況。此外，不少應用也要求低功耗，以延長電池續航力，同時還要確保符合全球標準。

強大的解決方案：具有 BLE 5.4 的 Wi-Fi 6 模組

Ezurio 的 Sona TI351 模組將 Wi-Fi 和 BLE 結合在完備的預先認證封裝中，藉此解決工業無線連線的挑戰 (圖 1)。這些模組以 Texas Instruments (TI) 的 SimpleLink CC3351 Wi-Fi 和 BLE 配套 IC 為基礎打造，有提供表面黏著技術 (SMT) 和可插拔款式，更可選擇內建式晶片天線或天線連接器。

圖 1：Sona TI351 是一系列緊湊的預先認證 Wi-Fi 6 和 BLE 5.4 模組，提供 SMT 和可插拔款式，並可選內建式天線或天線連接器。(圖片來源：Ezurio)

所有模組皆支援 Wi-Fi 6 (802.11ax)需透過 SDIO 2.0 介面，具有高速數據傳輸，並內建錯誤偵測和修正功能。Wi-Fi 6 提供多項特點，可在壅塞的工業網路中支援可靠效能：

• 正交分頻多重接取 (OFDMA) 允許相同通道上的多個 IoT 裝置同時傳輸，因此可在密集部署下提升效率。
• 目標喚醒時間 (TWT) 能精準安排裝置的喚醒時間，藉此達到電池續航力最佳化。
• 雙頻段支援可針對不同的使用案例提供靈活性：2.4 GHz 可確保達到更優異的障礙物穿透能力，而 5 GHz 可提供更大的頻寬。
• 以 1 mW 為基準的 18 dB 發射功功率 (dBm)，可在大型工業空間中提供可靠的覆蓋範圍。

此模組的 BLE 5.4 支援會透過專用的高速 UART (HS-UART) 通道實現。BLE 5.4 是非常適合工業環境的通訊協定。可支援：

• 具回應功能的週期性廣播 (PAwR)，可利用預先指定的傳輸空檔來降低功耗
• 週期性廣播同步傳輸 (PAST)，能讓主裝置分享同步資料，藉此簡化網路管理
• 低功耗的 2 Mbps 實體層 (PHY) 可支援快速數據傳輸，並具有迅速返回睡眠模式，可進一步提高能效
• 低功耗遠距模式可在遠距離下達到可靠通訊

此模組可支援 Wi-Fi 和藍牙並存，能用於需要兩種協定的應用。

高可靠度設計

Sona TI351 模組含有整合式功率放大器 (PA)，可增強輸出訊號強度，以確保在高要求環境中達到可靠運作。在輸入側具有低雜訊放大器 (LNA)，可放大微弱訊訊號，同時將雜訊干擾降至最低，藉此增強訊號接收效果。此組合可確保即使在具有明顯的 EMI 和實體障礙環境中，也可達到穩定的無線連線。

此模組也為了達到物理可靠性而設計。SMT 款式具有穩固的連接，可承受振動和機械應力，而嵌入式天線選項則可消除潛在的故障點。此模組的工作溫度範圍介於 -40°C 至 85°C。

為 Linux 和 Android 作業系統提供全面的軟體支援

Sona TI351 模組含有對 Linux 和 Android 作業系統的全面軟體支援。針對 Linux，連線堆疊已在多個內核版本上進行測試，且提供向下移植的驅動程式，可用於最早 v2.6.37 的版本，以確保與舊款內核的相容性。此堆疊可支援熟悉的構建環境，包括 Buildroot、Yocto 和 Ubuntu。

Ezurio 不僅提供特定硬體的驅動程式，還提供了完整且經過預先測試的連線堆疊 (圖 2)。這種作法有助於避免元件之間不相容，並可加速系統整合。此堆疊採用最新的驅動程式來源和內核元件進行持續維護，以確保最佳化效能。

圖 2：Sona TI351 備有全面的連線軟體堆疊。(圖片來源：Ezurio)

安全和認證考量

此模組運用 Wi-Fi 6 和 BLE 5.4 的進階安全功能。在 Wi-Fi 方面，能針對企業級 WPA2/3 安全協定提供強大的支援，包括進階加密和身份驗證機制。

透過 BLE，加密廣播數據功能可安全地廣播敏感資訊，而不會有建立連續連線的負擔，這對於傳輸環境資料或存取憑證的大樓自動化系統來說特別有用。此外，BLE 泛型屬性設定檔 (GATT) 的安全等級特性能讓不同的資料類型享有不同的安全等級，因此可在安全負擔和效能之間達到最佳化平衡。

無論設計人員選擇哪種協定，法規遵循都是令人頭疼的問題，尤其是要國際出貨的裝置。為了解決這些問題，Sona TI351 系列通過眾多標準的認證，包括 FCC (美國)、IC (加拿大)、CE (歐洲)、UKCA (英國)、MIC (日本)、RCM (澳洲／紐西蘭) 以及 KCC (韓國)。

SMT 和 M.2 選項提供組裝靈活性

如前所述，Ezurio 的 Sona TI351 系列有多種配置可供選擇，能滿足特定應用的要求。例如，453-00200R (圖 3) 就採用緊湊的 12 x 16 mm M.2 1216 SMT 外形尺寸，並具有整合式晶片天線。這種設計可促成自動化組裝，同時提供可承受工業環境的穩固連接。因具有這些特點，此模組特別適合用於相當講究可靠性和製造效率的大量部署。

圖 3：Sona TI351 453-00200R 是一款緊湊的 12 x 12 mm 模組，採用 M.2 1216 SMT 外形尺寸，並具有整合式晶片天線。(圖片來源：Ezurio)

對於需要外部天線連線的應用來說，453-00199R (圖 4) 具有同樣堅固的 M.2 1216 外形尺寸，但提供 MHF4L 連接器，而非晶片天線。透過此配置，就可使用外接天線，以便在艱困的 RF 環境中達到最佳化訊號接收，例如金屬外殼或高 EMI 區域。

圖 4：Sona TI351 453-00199R 模組具有 MHF4L 天線連接器。(圖片來源：Ezurio)

與前兩個範例不同的是，453-00209 (圖 5) 使用 M.2 2230 Key E 連接器達到可插拔系統配置。此特點可促成輕鬆的現場安裝和更換，因此特別適用於講究在維修期間要盡可能縮短系統停機時間的設備監測應用。

圖 5：Sona TI351 453-00209 模組採用 M.2 2230 Key E 連接器達到可插拔系統配置。(圖片來源：Ezurio)

此系列品項能讓系統設計人員針對特定使用案例達到最佳化實作，同時維持可靠性和整合簡便性。

預先認證的天線可簡化 RF 設計

針對搭載 MHF4L 連接器的模組，Ezurio 提供一系列預先認證的天線選項。有個範例是 EFB2471A3S-10MH4L 5 W 撓性平面倒 F 天線 (FlexPIFA) (圖 6)，且具有背膠，可輕易整合。這款三頻段 (2.4/5/6 GHz 並支援 7.125 GHz) 天線可在 5.925 至 7.125 GHz 頻率範圍內保持 1.6:1 的低平均電壓駐波比 (VSWR)。在 5 GHz 時具有 3.9 dBi 增益，特別適合講究在不同頻段下皆具效能的全球應用。

圖 6：EFB2471A3S-10MH4L 是一款三頻段 2.4/5/6 GHz 的 5 W 天線。(圖片來源：Ezurio)

針對固定式工業物聯網 (IIoT) 和設備監測應用，001-0021 (圖 7) 可提供雙頻段 2.4/5 GHz 解決方案。在 2.4 GHz 下的 VSWR 不到2.5:1，在 5 GHz 下的增益為 3 dBi。

圖 7：001-0021 是一款雙頻段 2.4/5 GHz 天線。(圖片來源：Ezurio)

預先認證天線系列可以顯著簡化產品開發作業。Ezurio 已經針對可搭配模組使用的天線進行測試，可降低發生非預期 RF 效能問題的風險。更廣泛地說，各種模組外形尺寸與天線的組合，能讓系統設計人員達到最佳化實作，同時維持整合簡便性。

開發套件提供完整取用性

設計人員可以使用 453-00200-K1 開發套件 (圖 8) 快速開始使用這些模組。此全面套件使用 453-00200 晶片天線模組，並具有多個軟體和硬體介面，可介接 Linux 主機，以便測試模組的功能和效能。

圖 8：Sona TI351 開發套件以 453-00200 晶片天線模組為基礎，能針對 Linux 主機提供通訊和硬體介面。(圖片來源：Ezurio)

此套件含有高速和低速電纜，以及可連接 UART 或高速 SDIO 裝置的配接器／子板。具有板載排針座、跳接器和開關，因此可輕鬆分離電源和訊號網路，以便在硬體和軟體開發期間測試和測量功耗。

結論

Sona TI351 模組可將進階的無線功能納入緊湊、堅固的設計中，因此可解決工業環境中關鍵的無線連線難題。模組和天線經過預先認證，並提供多種安裝選項和外形尺寸，並具有全面的開發套件，可將開發時間和風險降至最低。