作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美編輯

隨著物聯網 (IoT) 的興起，無線連接已成為從設備監控、資產跟蹤到樓宇自動化等各種工業應用的基本要求。設計人員希望實現這種連接，但面臨著多重挑戰，包括集成無線芯片組、天線、軟件、全球認證、安全性和惡劣環境下的可靠性。

要克服這些挑戰，可以選擇堅固耐用、經過預先認證的 Wi-Fi 6 模塊和低功耗藍牙 (BLE) 5.4，既能獲得必要的功能，又能簡化集成。

本文將討論工業系統設計人員面臨的無線連接挑戰，并以預認證 [Ezurio] Wi-Fi 6 模塊和 BLE 5.4 為例進行介紹。本文還將討論預認證天線和相關開發套件。

工業無線通信面臨的主要挑戰

在工業環境中，需要共享高速數據的終端數量在不斷增加，而無線網絡往往是實現這些數據通信的唯一實用手段。

這可能會導致老式無線技術的網絡擁堵以及延遲問題，而且數據包丟失會影響運行效率。過時的通信技術也會使網絡容易受網絡攻擊。

Wi-Fi 6 和 BLE 5.4 等現代技術可以解決這些問題，但開發、集成這些技術需要雄厚的射頻專業知識。在空間受限的設備和改造應用中，尤其如此。此外，許多無線解決方案都需要人工組裝，不僅會降低生產速度，還會增加成本。

可靠性是另一個需要考慮的問題。許多工業環境都存在嚴重的電磁干擾 (EMI)、極端溫度、振動和沖擊。最后，許多應用不僅要求低功耗，以延長電池壽命，還要求確保符合全球標準。

強大的解決方案：帶低功耗藍牙 5.4 的 Wi-Fi 6 模塊

Ezurio 的 [Sona TI351] 模塊將 Wi-Fi 和 BLE 結合在堅固的預認證封裝中，解決了工業無線連接的難題（圖 1）。這些模塊基于 [Texas Instruments] 的 [SimpleLink CC3351] Wi-Fi 和 BLE 配套 IC 構建；提供有表面貼裝 (SMT) 和可插拔兩種類型，可選擇內置芯片天線或天線連接器。

圖 1：Sona TI351 是一個緊湊型預認證 Wi-Fi 6 和 BLE 5.4 模塊系列，采用內置天線或天線連接器，分為 SMT 和插拔式型號。(圖片來源：Ezurio）

所有模塊均通過 SDIO 2.0 接口支持 Wi-Fi 6 (802.11ax)，具有高速數據傳輸能力，內置錯誤檢測和糾正功能。Wi-Fi 6 功能豐富，有助于在擁擠的工業網絡中實現可靠的性能：

• 正交頻分多址 (OFDMA) 允許多個物聯網設備在同一信道上同時傳輸數據，提高了密集部署的效率。
• 目標喚醒時間 (TWT) 允許精確安排設備喚醒時間，從而優化電池壽命。
• 雙頻支持功能提高了不同使用情況的靈活性：2.4 GHz 確保更好地穿透障礙物，而 5 GHz 則提供更高的帶寬。
• 18 分貝（以 1 毫瓦 (dBm) 為基準）的發射功率可在大型工業空間內實現可靠覆蓋。

該模塊通過專用高速 UART (HS-UART) 通道實現 BLE 5.4 支持功能。BLE 5.4 是一種非常適合工業環境的協議。該協議支持：

• 帶響應的周期性廣播 (PAwR)，通過使用預定的傳輸窗口降低功耗
• 周期性廣播同步傳輸 (PAST)，使主設備能夠共享同步數據，從而簡化網絡管理
• LE 2 Mb/s 物理層 (PHY)，支持快速數據傳輸，可快速返回休眠模式，進一步提高能效
• LE 長距離模式可實現遠距離可靠通信

這些模塊支持 Wi-Fi 和藍牙共存，適用于需要這兩種協議的應用。

高可靠性設計

Sona TI351 模塊集成了功率放大器 (PA)，可增強輸出信號強度，確保在苛刻的環境中可靠運行。在接收端，低噪聲放大器 (LNA) 可放大微弱信號，同時最大限度地減少噪聲干擾，以增強信號接收能力。即使在電磁干擾嚴重和存在物理障礙的環境中，這種組合也能確保穩定的無線連接。

這些模塊的設計還具有物理可靠性。SMT 版具有堅固的連接，可承受振動和機械應力，而嵌入式天線選項則消除了潛在的故障點。兩者均具有 -40°C 至 +85°C 的工作溫度范圍。

為 Linux 和安卓操作系統提供全面的軟件支持

Sona TI351 模塊包括對 Linux 和 Android 操作系統的全面軟件支持。針對 Linux 系統，連接協議棧已在多個內核版本上完成測試，并為早期版本（如 v2.6.37）提供了反向移植驅動程序，以確保兼容舊版內核。堆棧支持熟悉的構建環境，包括 Buildroot、Yocto 和 Ubuntu。

Ezurio 不僅僅提供特定于硬件的驅動程序，還提供完整的、經過預先測試的連接堆棧（圖 2）。這種方法有助于防止組件之間的不兼容，并加快系統集成。堆棧使用最新的驅動程序源和內核組件進行持續維護，以確保最佳性能。

圖 2：Sona TI351 配備了全面的連接軟件棧。（圖片來源：Ezurio）

安全和認證問題

這些模塊利用了 Wi-Fi 6 和 BLE 5.4 的高級安全功能。在 Wi-Fi 方面，這些模塊提供對企業級 WPA2/3 安全協議的強大支持，包括高級加密和驗證機制。

就 BLE 而言，加密廣播數據功能可實現敏感信息的安全廣播，而無需建立連續連接，這在傳輸環境數據或訪問憑證的樓宇自動化系統中特別有用。此外，根據 BLE 通用屬性配置文件 (GATT) 安全級別特性，可以對各種數據類型采用不同的安全級別，以優化安全開銷和性能之間的平衡。

無論設計人員選擇哪種協議，合規性都是一個非常棘手的問題，尤其是對于國際發運設備而言。為解決這些問題，Sona TI351 系列已通過 FCC（美國）、IC（加拿大）、CE（歐洲）、UKCA（英國）、MIC（日本）、RCM（澳大利亞/新西蘭）和 KCC（韓國）等標準認證。

SMT 和 M.2 選項提高了組裝靈活性

如前所述，Ezurio Sona TI351 系列提供了多種配置，以滿足特定的應用要求。例如，[453-00200R] （圖 3）采用緊湊的 12 x 16 mm M.2 1216 SMT 外形，并集成了片式天線。這種設計可實現自動化裝配， 其連接堅固耐用，因此能夠承受工業環境的考驗。這些功能結組合使該模塊特別適合于大批量部署，因為可靠性和制造效率是至關重要的指標。

圖 3：Sona TI351 453-00200R 是一款緊湊型模塊，尺寸為 12 x 12 mm，采用 M.2 1216 SMT 封裝，內置片式天線。（圖片來源：Ezurio）

對于需要外部天線連接的應用，[453-00199R] （圖 4）具有同樣堅固耐用的 M.2 1216 外形，不同的是，該器件采用 MHF4L 連接器，而不是片式天線。這種配置允許使用外部天線，以便在金屬外殼或高 EMI 區域等具有挑戰性的射頻環境中實現最佳的信號接收效果。

圖 4：Sona TI351 453-00199R 模塊采用 MHF4L 天線連接器。（圖片來源：Ezurio）

與前兩個示例不同的是，[453-00209] （圖 5）使用 M.2 2230 Key E 連接器，用于可插拔系統配置。該功能便于現場安裝和更換，因此特別適用于設備監控應用。在這類應用中，最大限度地減少維護期間的系統停機時間是首要考慮事項。

圖 5：Sona TI351 453-00209 模塊使用 M.2 2230 Key E 連接器進行可插拔系統配置。（圖片來源：Ezurio）

利用這一系列選項，系統設計人員能夠在保持可靠性和易于集成的同時，針對特定用例進行實施優化。

預認證天線簡化了射頻設計

對于采用 MHF4L 連接器的模塊，Ezurio 提供一系列預認證天線選項。例如 [EFB2471A3S-10MH4L] 5 W 柔性平面反轉 F 天線 (FlexPIFA)（圖 6），具有背膠，方便集成。這款三頻段（2.4/5/6 GHz，支持 7.125 GHz）天線在 5.925 GHz 至 7.125 GHz 頻段內保持 1.6:1 的低平均電壓駐波比 (VSWR)。該器件在 5 GHz 頻段具有 3.9 分貝相對于各向同性的增益 (dBi)，且尤其適用于對跨頻段性能要求嚴苛的全球性應用。

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

對于固定式工業物聯網 (IIoT) 和設備監控應用，[001-0021] （圖 7）提供了雙頻 2.4/5 GHz 解決方案。該器件在 2.4 GHz 時的 VSWR <2.5:1，在 5 GHz 時的增益為 3 dBi。

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

預認證天線產品線可有效簡化產品開發。Ezurio 已經對配合模塊使用的天線進行了測試，從而降低了出現意外射頻性能問題的風險。更廣泛地說，模塊外形尺寸和天線選擇的組合使系統設計人員能夠優化其實施，同時保持集成的簡易性。

開發套件提供完整的訪問權限

借助 [453-00200-K1] 開發套件（圖 8），設計人員可實現這些模塊的快速入門。這款綜合工具套件使用 453-00200 片式天線模塊，提供多個連接 Linux 主機的軟件和硬件接口，用于測試模塊的功能和性能。

圖 8：Sona TI351 開發套件基于 453-00200 片式天線模塊，為 Linux 主機提供通信和硬件接口。（圖片來源：Ezurio）

該套件包括連接 UART 或高速 SDIO 設備的高速和低速電纜以及適配器/子板。板載接頭、跳線和開關可輕松隔離電源和信號網絡，以便在硬件和軟件開發過程中測試和測量功耗。

結語

Sona TI351 模塊將先進的無線功能集成到堅固耐用的緊湊設計中，解決了工業環境中關鍵的無線連接難題。模塊和天線的預認證、多種安裝選項和外形尺寸以及全面的開發套件最大限度地減少了開發時間和風險。

審核編輯 黃宇