マルチプロトコル無線モジュールを使用したIoT製品の設計と認証の簡素化

ワイヤレスコネクティビティにより、設計者はデータ処理能力のない製品をモノのインターネット（IoT）のスマートで統合された要素に変換し、データをクラウドに送信して人工知能（AI）ベースの分析に利用することができます。同時に、デバイスはオーバーザエア（OTA）命令、ファームウェア更新、セキュリティ機能拡張を受信することができます。

しかし、製品にワイヤレスリンクを追加するのは簡単なことではありません。ときには設計段階が始まる前からワイヤレスプロトコルを選択する必要があるなど、非常に手間のかかる作業と言えます。たとえば、いくつかのワイヤレス規格は、一般的なライセンスフリーの2.4GHzスペクトルで動作します。しかし、これらの規格はそれぞれ通信距離、スループット、消費電力とトレードオフの関係にあります。特定のアプリケーションに最適な規格を選択するには、その要件とプロトコルの特性を照らし合わせて慎重に評価する必要があります。

そして、高度に集積された最新のトランシーバであっても、無線周波数（RF）回路の設計は多くの設計チームにとって難題であり、コストの超過やスケジュールの遅延を招きます。さらに、RF製品は動作認証を受ける必要があるため、それだけでも複雑で時間のかかる込み入ったプロセスとなりかねません。

1つの解決策は、マルチプロトコルのシステムオンチップ（SoC）を使用する認証済みモジュールをベースに設計することです。これを利用すれば、ディスクリート部品によるRF設計の複雑さが解消され、ワイヤレスプロトコルを柔軟に選択できます。このモジュールアプローチはドロップインワイヤレスソリューションを提供するため、製品へのワイヤレスコネクティビティの統合と認証取得がはるかに容易になります。

この記事では、ワイヤレスコネクティビティの利点を考察し、主要な2.4GHzワイヤレスプロトコルの長所をいくつか説明します。また、ハードウェア設計上の問題点を簡単に分析し、Würth Elektronikの便利なRFモジュールを紹介します。さらに、世界的な規制を満たすために必要な認証プロセスとアプリケーションソフトウェアの開発について説明し、開発者がモジュールに取り組む際に役立つソフトウェア開発キット（SDK）を紹介します。

マルチプロトコルトランシーバの利点

どの技術も対象アプリケーションのニーズを満たすために何かを犠牲にしているため、単一の短距離ワイヤレスセクタですべてに対応できるということはありません。たとえば、通信距離やスループットの向上には、消費電力の増加という代償が伴います。考慮すべき他の重要な要素としては、耐干渉性、メッシュネットワーク機能、インターネットプロトコル（IP）の相互運用性があります。

定評のある、さまざまな近距離ワイヤレス技術の中で、明白なトップ3は、Bluetooth Low Energy（Bluetooth LE）、Zigbee、およびThreadです。これらの技術はIEEE 802.15.4仕様のDNAを共有しているため、いくつかの共通点があります。その仕様の特徴は、低データレートのワイヤレスパーソナルエリアネットワーク（WPAN）用の物理（PHY）層とメディアアクセス制御（MAC）層です。これらの技術は通常、2.4GHzで動作しますが、ZigbeeのサブGHzバージョンもあります。

Bluetooth LEは、データ送信速度が控えめで頻度の低いスマートホームセンサなどのIoTアプリケーションに適しています（図1）。ほとんどのスマートフォンに搭載されているBluetoothチップとの間でBluetooth LEが相互運用性を持つことは、ウェアラブルなどの消費者志向アプリケーションにとって大きな利点となります。この技術の主な欠点は、クラウドに接続するために高価で消費電力の大きいゲートウェイが必要になることと、不便なメッシュネットワーク機能です。

図1：Bluetooth LEはカメラやサーモスタットなどのスマートホームセンサに好適です。スマートフォンとの相互運用性により、対応製品の設定が簡素化されます。（画像提供：Nordic Semiconductor）

また、Zigbeeも、産業用オートメーション、商用、ホームアプリケーションなど、低電力および低スループットのアプリケーションにとって優れた選択肢です。スループットはBluetooth LEよりも低くなりますが、通信距離や消費電力は同程度です。Zigbeeは、スマートフォンとの相互運用性がなく、ネイティブIP機能も備えていません。Zigbeeの主な利点は、メッシュネットワークのためにゼロから設計されていることにあります。

Threadは、Zigbeeと同様に、IEEE 802.15.4のPHYとMACを使用して動作し、最大250台のデバイスからなる大規模なメッシュネットワークをサポートするように設計されています。ThreadがZigbeeと異なる点は、6LoWPAN（IPv6と低電力WPANを組み合わせたもの）を使用していることです。これにより、ボーダールータと呼ばれるネットワークエッジデバイスを介しても、他のデバイスやクラウドとの接続が容易になります。（参照：「短距離ワイヤレス技術の重要ポイントの概説」。）

標準ベースのプロトコルが主流である一方、2.4GHzのプロプライエタリなプロトコルにもまだ特定の需要があります。同じメーカーのチップを搭載した他のデバイスとの接続は制限されますが、このようなプロトコルは、消費電力、通信距離、耐干渉性、その他の重要な動作パラメータを最適化するために細かく調整することができます。IEEE 802.15.4のPHYとMACは、2.4GHzのプロプライエタリなワイヤレス技術を完璧にサポートできます。

これら3つの短距離プロトコルの人気と、2.4GHzのプロプライエタリ技術が提供する柔軟性を考えると、最も幅広いアプリケーションに対応できる最適なプロトコルを1つ選択するのは困難です。以前は、設計者が1つのワイヤレス技術を選択し、異なるプロトコルを使用するバージョンの需要があれば、製品を再設計しなければなりませんでした。しかし、これらのプロトコルは類似のアーキテクチャに基づくPHYを使用し、2.4GHzスペクトルで動作するため、多くのシリコンベンダーがマルチプロトコルトランシーバを提供しています。

これらのチップを使えば、新しいソフトウェアをアップロードするだけで、単一のハードウェア設計を複数のプロトコル用に再構成できます。さらに良いのは、製品を複数のソフトウェアスタックで出荷し、各スタックの切り替えをマイクロコントローラーユニット（MCU）で監視することです。これにより、たとえば、デバイスがプロトコルを切り替えてThreadネットワークに参加する前に、Bluetooth LEを使用してスマートフォンからスマートホームサーモスタットを設定することができます。

Nordic SemiconductorのnRF52840 SoCは、Bluetooth LE、Bluetooth Mesh、Thread、Zigbee、IEEE 802.15.4、ANT+、および2.4GHzのプロプライエタリスタックをサポートしています。Nordic SoCは、RFプロトコルとアプリケーションソフトウェアを処理するArm® Cortex®-M4 MCUだけでなく、1メガバイト（MB）のフラッシュメモリ、256キロバイト（KB）のRAMも内蔵しています。Bluetooth LEモードで動作する場合、SoCは最大2メガビット/秒（Mbits/s）の生データスループットを提供します。3ボルトDC入力電源からの送信電流は、出力電力1ミリワット（dBm）を基準とした0デシベルで5.3ミリアンペア（mA）、受信（RX）電流は1Mbits/sの生データレートで6.4mAです。nRF52840の最大送信パワーは+8dBmで、その感度は-96dBmです（1Mbit/sでのBluetooth LE）。

優れたRF設計の重要性

NordicのnRF52840のようなワイヤレスSoCは非常に高性能なデバイスですが、RF性能を最大限に引き出すにはかなりの設計スキルが必要です。特に、エンジニアは電源のフィルタリング、外部水晶タイミング回路、アンテナの設計と配置、そして極めて重要なこととして、インピーダンスマッチングなどの要素を考慮する必要があります。

優れたRF回路と貧弱なRF回路を区別する重要なパラメータはインピーダンス（Z）です。短距離無線で使用される2.4GHzのような高周波において、RFトレース上の特定の点のインピーダンスは、そのトレースの特性インピーダンスと関係があります。この特性インピーダンスは、プリント回路（PC）基板、トレースの寸法、負荷からの距離、および負荷のインピーダンスに依存しています。

負荷インピーダンス（送信システムの場合はアンテナ、受信システムの場合はトランシーバSoC）が特性インピーダンスに等しい場合、測定されるインピーダンスは、負荷からトレースに沿ったどの距離でも変わらないことが判明しました。その結果、ライン損失が最小限に抑えられ、送信機からアンテナに最大限の電力が伝達されるため、堅牢性と通信距離が向上します。つまり、RFデバイスのインピーダンスがプリント基板のトレースの特性インピーダンスと等しくなるようにマッチングネットワークを構築することが理想的な設計手法となります。（参照：「IoTの要件を満たすBluetooth 4.1、4.2、および5対応Bluetooth Low Energy SoCおよびツール（第2部）」）。

マッチングネットワークは、1つ以上のシャントインダクタと直列コンデンサで構成されます。設計者に求められるのは、最適なネットワークトポロジとコンポーネント値を選択することです。メーカーは、多くの場合、整合回路設計を支援するシミュレーションソフトウェアを提供していますが、優れた設計ルールに従ったとしても、完成した回路はしばしば期待はずれのRF性能を示し、通信距離が足りなかったり、信頼性に欠けたりすることがあります。このため、マッチングネットワークを修正するために、さらに設計を繰り返すことになります（図2）。

図2：Nordic nRF52840は、その機能を利用するために外部回路を必要とします。外部回路には、入力電圧フィルタリング、外部水晶タイミングのサポート、SoCのアンテナ（ANT）ピンへの接続、SoCとアンテナ間のインピーダンス整合回路などがあります。（画像提供：Nordic Semiconductor）

モジュールの利点

ディスクリート部品を使用して短距離ワイヤレス回路を設計することには、特に部品表（BoM）コストの削減やスペースの節約といった利点があります。しかし、設計者がSoCサプライヤから提供される多くの優れたリファレンス設計のいずれかに従ったとしても、部品の品質や許容誤差、基板レイアウトや基板の特性、エンドデバイスの梱包形態など、その他の要因がRF性能に劇的な影響を与えることもあります。

別のアプローチは、サードパーティモジュールを中心にワイヤレスコネクティビティの土台を据えることです。こうしたモジュールは完全に組み立て、最適化、試験が完了したソリューションであり、「ドロップイン」ワイヤレスコネクティビティを実現できます。ほとんどの場合、このようなモジュールはすでに世界市場での使用が認証されているため、設計者はRF規制認証の合格までにかかる時間と費用を節約できます。

ただし、モジュール使用にはいくつかのデメリットもあります。たとえば、（数量に応じた）費用の増加、最終製品の大型化、単一ベンダーとその大量出荷能力への依存、（場合によっては）モジュールのベースとなるSoCと比べてアクセス可能なピン数が減少することなどです。しかし、設計の簡素化と市場投入までの時間の短縮がこれらのデメリットを上回るのであれば、モジュールを選択する価値はあります。

Nordic nRF52840を中核部に使用した一例として、Würth ElektronikのSetebos-I 2.4GHz無線モジュール2611011024020があります。この小型モジュールの寸法は12 × 8 × 2mmで、アンテナを内蔵し、電磁干渉（EMI）を最小限に抑えるカバーを備え、Bluetooth 5.1と2.4GHzのプロプライエタリなプロトコルをサポートするファームウェアが付属しています（図3）。上述したように、モジュールの中核にあるSoCは、適切なファームウェアを追加することで、ThreadとZigbeeをサポートすることもできます。

図3：Setebos-I 2.4GHz無線モジュールは、小型フォームファクタで提供され、アンテナを内蔵し、EMIを制限するカバーが付属しています。（画像提供：Würth Elektronik）

このモジュールは1.8～3.6Vの入力に対応し、スリープモード時の消費電流はわずか0.4マイクロアンペア（μA）です。その動作周波数は、2.44GHz（2.402～2.480GHz）を中心とする産業・科学・医療（ISM）バンドをカバーしています。出力電力0dBmの理想的な条件では、送信機と受信機間の見通し線範囲は最大600m、Bluetooth LEの最大スループットは2Mbits/sです。このモジュールには、1/4波長（3.13cm）のアンテナが内蔵されていますが、前述のモジュール上のANT端子に外部アンテナを接続することで、通信距離を伸ばすことも可能です（図4）。

図4：Setebos-I 2.4GHz無線モジュールには、無線範囲を拡張するための外部アンテナ（ANT）用ピンがあります。（画像提供：Würth Elektronik）

Setebos-I無線モジュールは、はんだパッド経由でnRF52840 SoCのピンにアクセスできます。表1に各モジュールピンの機能を示します。ピン「B2」から「B6」はプログラム可能GPIOで、温度、湿度、空気品質デバイスなどのセンサを接続するのに便利です。

表1：Setebos-I 2.4GHz無線モジュールのピン配列を示します。LED出力は無線送受信の表示に使用できます。（画像提供：Würth Elektronik）

近距離ワイヤレス製品の認証

2.4GHz帯域はライセンスフリーのスペクトル配分ですが、この帯域で動作する無線デバイスは、米国連邦通信委員会（FCC）、欧州適合宣言書（CE）、日本のテレコムエンジニアリングセンター（TELEC）などが定める地域規制を満たす必要があります。規制に合格するためには、製品を試験と認証のために提出する必要があり、それには時間と費用がかかります。RF製品が試験のいずれかの部分で不合格になった場合、一から新規の申請を行う必要があります。モジュールをBluetoothモードで使用する場合は、Bluetooth Special Interest Group（SIG）からのBluetoothリスティングも必要です。

モジュールの認証により、そのモジュールを使用する最終製品にも自動的に認証が付与されるわけではありません。しかし、通常、最終製品の認証は、Wi-Fiのような追加のワイヤレスデバイスを使用しない限り、大規模な再試験作業ではなく、事務的な作業となります。Bluetoothリスティングを取得する際も、一般的に同じことが言えます。認証されると、モジュールを使用する製品にはFCC、CE、その他の関連ID番号を示すラベルが貼付されます（図5）。

図5：Setebos-IモジュールがCEおよびFCC RF認証に合格したことを示すために貼付されたIDラベルの例。一般的に、認証は、再試験を受けなくても、いくつかの簡単な書類手続きによって最終製品に継承できます。（画像提供：Würth Elektronik）

通常、モジュールメーカーは製品を販売しようとする地域のRF認証（および適切であればBluetoothリスティング）をモジュールのために取得します。Würth ElektronikはSetebos-I無線モジュールでこれを行いましたが、工場出荷時のファームウェアで使用する必要があります。Bluetooth動作の場合、このモジュールは、NordicのS140 Bluetooth LEファクトリスタックまたは同社のnRF Connect SDKソフトウェア開発キット経由で提供されるスタックと共に使用される場合に限り、事前認証されています。

WürthとNordicのファームウェアは堅牢で、どのようなアプリケーションでも実績があります。しかし、設計者がオープンスタンダードのBluetooth LEまたは2.4GHzのプロプライエタリスタック、あるいは別の商用サプライヤのスタックのいずれかでモジュールを再プログラムすることを決定した場合、意図された動作地域の認証プログラムをゼロから開始する必要があります。

Setebos-I無線モジュール用の開発ツール

先進的な開発者向けに、NordicのnRF Connect SDKはnRF52840 SoC用のアプリケーションソフトウェアを構築するための包括的な設計ツールを提供しています。nRF Connect for VS Code拡張は、nRF Connect SDKを実行するために推奨される統合開発環境（IDE）です。また、nRF Connect SDKを使用して、代替のBluetooth LEまたは2.4GHzのプロプライエタリなプロトコルをnRF52840にアップロードすることも可能です。（これがモジュール認証に与える影響については、上記のコメントを参照してください。）

nRF Connect SDKは、nRF52840 DK開発キットで動作します（図6）。このハードウェアはnRF52840 SoCを搭載し、プロトタイプコードの開発とテストをサポートします。アプリケーションソフトウェアの準備ができたら、nRF52840 DKはJ-LINKプログラマとして動作し、モジュールの「SWDCLK」ピンと「SWDIO」ピンを介して、Setebos-I無線モジュールのnRF52840のフラッシュメモリにコードを移植することができます。

図6：NordicのnRF52840 DKは、アプリケーションソフトウェアの開発とテストに使用できます。開発キットは、Setebos-Iモジュールで使用されているものなど、他のnRF52840 SoCのプログラミングにも使用できます。（画像提供：Nordic Semiconductor）

Nordicの開発ツールを使用して構築されたアプリケーションソフトウェアは、nRF52840の組み込みArm Cortex-M4 MCU上で動作するように設計されています。しかし、最終製品にすでに別のMCUが搭載されており、開発者がそのMCUを使用してアプリケーションコードを実行し、ワイヤレスコネクティビティを監視したい場合もあります。あるいは、開発者は、STMicroelectronicsのSTM32F429ZIY6TRなど、他の一般的なホストマイクロプロセッサ用の開発ツールにより精通している場合もあります。このプロセッサもArm Cortex-M4コアをベースにしています。

外部のホストマイクロプロセッサでアプリケーションソフトウェアを実行し、nRF52840 SoCを監視できるように、Würth ElektronikはワイヤレスコネクティビティSDKを提供しています。SDKは、STM32F429ZIY6TRチップを含む多くの一般的なプロセッサと、同社のワイヤレスモジュールの迅速なソフトウェア統合を可能にするソフトウェアツールのセットです。SDKは、C言語によるドライバとサンプルで構成され、基盤となるプラットフォームのUART、SPI、またはUSBペリフェラルを使用して、接続された無線デバイスと通信します（図7）。開発者は、SDK Cコードをホストプロセッサに移植するだけです。これにより、無線モジュール用のソフトウェアインターフェースの設計に要する時間が大幅に短縮されます。

図7：ワイヤレスコネクティビティSDKドライバにより、開発者は外部ホストマイクロプロセッサを使用して、UARTポート経由でSetebos-I無線モジュールを簡単に駆動できます。（画像提供：Würth Elektronik）

Setebos-I無線モジュールは、構成と操作のタスクに「コマンドインターフェース」を使用します。このインターフェースは、さまざまなデバイス設定の更新、データの送受信、モジュールをさまざまな低電力モードの1つにするなどのタスクを実行する最大30個のコマンドを提供します。ワイヤレスコネクティビティSDKを使用するには、接続された無線デバイスをコマンドモードで実行する必要があります。

まとめ

コネクテッド製品の無線プロトコルを1つに決めるのは厄介で、無線回路をゼロから設計するのはさらに難しくなります。Würth ElektronikのSetebos-Iのような無線モジュールは、プロトコルの選択に柔軟性を提供するだけでなく、さまざまな動作地域の規制要件を満たすドロップイン接続ソリューションも提供します。Sebetos-1モジュールには、WürthのワイヤレスコネクティビティSDKが付属しており、開発者は自分が選択したホストMCUを使用してモジュールを簡単かつ迅速に制御することができます。