A Morse Micro apresentou dois projetos de referência de dongles USB Wi-Fi HaLow com o objetivo de facilitar a adição de conectividade sem fio de longo alcance a equipamentos que nunca foram projetados com hardware Wi-Fi HaLow integrado.

Desenvolvidos em torno do system-on-chip MM8108 da empresa, o MM8108-RD09 e o MM8108-RD17 usam USB como ponto de conexão entre o Wi-Fi HaLow e uma plataforma host existente. Para usuários industriais, essa abordagem é significativa porque cria uma possível rota de atualização para computadores, robôs e dispositivos de borda sem exigir que os fabricantes reprojetem a placa-mãe do host em torno de um rádio HaLow dedicado.

Figura 1. Os projetos de referência USB MM8108 da Morse Micro oferecem duas abordagens diferentes para adicionar conectividade Wi-Fi HaLow a dispositivos existentes.

Por que o USB muda o problema de integração

O Wi-Fi HaLow costuma ser discutido no contexto de novos equipamentos de IoT, nos quais o rádio pode ser projetado no produto desde o início. Os ambientes industriais são diferentes. Uma fábrica pode já contar com computadores, equipamentos móveis, robôs ou controladores incorporados com vários anos de vida útil restante, embora essas plataformas não disponham da tecnologia sem fio necessária para uma nova aplicação.

Substituir toda a plataforma host apenas para obter outra interface sem fio raramente é uma opção atraente. Reprojetar a eletrônica em torno de um novo rádio pode ser igualmente difícil, pois introduz considerações de engenharia de RF, firmware, certificação e mecânica. Uma implementação USB transfere grande parte dessa complexidade para um projeto de referência externo e mantém a arquitetura host existente praticamente intacta.

Isso não torna a integração totalmente plug-and-play em todas as aplicações, mas muda o ponto de partida da engenharia. Em vez de perguntar como reprojetar um computador industrial para Wi-Fi HaLow, os desenvolvedores podem começar perguntando se uma interface USB existente pode fornecer a conectividade necessária.

O Wi-Fi HaLow ocupa um espaço sem fio diferente

O Wi-Fi HaLow baseia-se no padrão IEEE 802.11ah e opera no espectro sub-GHz, em vez das bandas de 2,4 GHz, 5 GHz e 6 GHz associadas ao Wi-Fi convencional. A frequência de operação mais baixa foi projetada para proporcionar maior alcance e melhores características de propagação para aplicações de IoT, mantendo a rede IP nativa.

A Morse Micro afirma que suas implementações de HaLow podem fornecer conectividade de rede a distâncias de aproximadamente um quilômetro, embora o alcance industrial real sempre dependa das regras regionais de frequência, das antenas, da potência de transmissão, das obstruções, da interferência e do ambiente físico.

Isso torna a tecnologia interessante para locais onde a cobertura Wi-Fi convencional se torna difícil ou exige muita infraestrutura. Armazéns, áreas externas de processamento, pátios logísticos, instalações agrícolas e ativos industriais distribuídos podem envolver distâncias difíceis de cobrir usando as premissas comuns de redes sem fio internas.

O atrativo não é apenas o alcance máximo. O Wi-Fi HaLow também foi projetado para operações de IoT com baixo consumo de energia, mantendo a familiaridade das redes baseadas em IP. Isso pode reduzir a necessidade de tradução de protocolos entre o enlace sem fio e a infraestrutura Ethernet ou IP convencional.

RD09 amplia o Wi-Fi HaLow para a infraestrutura de rede existente

O MM8108-RD09 foi projetado para operar tanto em aplicações de ponto de acesso quanto de estação. A Morse Micro oferece suporte ao OpenWrt, permitindo que roteadores e pontos de acesso compatíveis com conectividade USB sejam atualizados com recursos de Wi-Fi HaLow.

Isso torna o RD09 particularmente relevante para desenvolvedores de infraestrutura e integradores de sistemas. Uma plataforma de roteador existente pode já oferecer roteamento Ethernet, firewall, gerenciamento e outras funções de rede, enquanto o design de referência USB adiciona a camada de rádio HaLow.

O mesmo projeto também pode oferecer suporte a dispositivos clientes. A Morse Micro lista suporte nativo a drivers para Windows e Linux, juntamente com um aplicativo para macOS, permitindo que computadores convencionais se conectem a redes Wi-Fi HaLow por meio do dispositivo USB.

Do ponto de vista da integração industrial, esta é uma arquitetura relativamente familiar: o sistema operacional entende o adaptador sem fio por meio de um software dedicado, e o host pode interagir com a rede HaLow como uma interface de rede.

RD17 segue uma abordagem mais interessante para equipamentos industriais

O MM8108-RD17 aborda um problema diferente. Em vez de exigir que o host compreenda um adaptador Wi-Fi HaLow dedicado e o driver correspondente, o dongle se apresenta como uma interface Ethernet padrão CDC-NCM.

Para o host, portanto, a conexão se parece muito mais com uma interface de rede convencional. A Morse Micro descreve o RD17 como sem driver porque dispositivos compatíveis com a interface padrão CDC-NCM não precisam que um driver dedicado de Wi-Fi HaLow da Morse Micro seja instalado no host.

Essa distinção é importante em sistemas industriais nos quais os ambientes de software podem ser rigidamente controlados. Um computador industrial pode executar uma imagem operacional validada que os operadores não querem modificar. Um controlador de robô ou uma plataforma embarcada também pode oferecer suporte a USB, mas pouca flexibilidade para adicionar drivers de kernel de terceiros.

Ao transferir mais da implementação específica do HaLow para fora do host, o RD17 potencialmente amplia a variedade de equipamentos que podem usar a tecnologia sem fio. A Morse Micro identifica especificamente computadores industriais e robótica entre suas aplicações-alvo, além de terminais de ponto de venda e dispositivos Android ou iOS.

Sem Driver Não Significa Sem Configuração

O termo “sem driver” pode facilmente criar a impressão de que nenhum trabalho de integração é necessário. Na prática, o ponto importante é mais específico: o host não exige um driver dedicado de Wi-Fi HaLow quando já oferece suporte à interface Ethernet padrão CDC-NCM.

A configuração da rede, a autenticação, o endereçamento e a comunicação no nível da aplicação ainda precisam ser considerados. Os engenheiros industriais também devem avaliar como o novo caminho sem fio interage com a segmentação de rede existente, as políticas de cibersegurança e as práticas de gerenciamento de dispositivos.

O RD17 oferece suporte ao Wi-Fi Easy Connect, também conhecido como Device Provisioning Protocol, com um botão de pareamento disponível para autenticação do dispositivo. Isso pode simplificar a integração inicial em comparação com o provisionamento manual das credenciais sem fio por meio de uma aplicação específica do host.

Para organizações que gerenciam muitos dispositivos distribuídos, a integração inicial costuma ser tão importante quanto o desempenho do rádio. Um link sem fio tecnicamente capaz torna-se difícil de operar em escala se cada endpoint exigir um fluxo de provisionamento diferente.

Computadores Industriais Existentes São um Caso de Uso Óbvio

PCs industriais frequentemente permanecem em serviço por muito mais tempo do que equipamentos de computação destinados ao consumidor. Seus processadores, interfaces de E/S e softwares podem continuar atendendo aos requisitos da aplicação mesmo quando as opções de rede originais já não correspondem à nova arquitetura da planta.

Uma interface HaLow baseada em USB oferece uma possível maneira de estender esses sistemas sem substituir o computador. Um PC industrial usado para monitorar equipamentos remotos, por exemplo, poderia se conectar potencialmente via HaLow, preservando o software existente e a pilha de aplicações baseada em Ethernet.

Isso é particularmente relevante para plataformas de IHM e computação industrial, nas quais a vida útil do hardware frequentemente excede o ciclo de vida de tecnologias de comunicação individuais.

A mesma ideia se aplica aos sistemas de computação de borda. Um dispositivo de borda pode coletar informações de sensores, realizar análises locais ou executar inferência de aprendizado de máquina perto do processo. Se a conexão de rede existente não puder cobrir economicamente a distância necessária, adicionar outra interface de rádio pode ser mais fácil do que reprojetar toda a plataforma de borda.

A robótica apresenta um conjunto diferente de requisitos de conectividade

Robôs e dispositivos industriais autônomos são outra área em que a abordagem USB poderia ser útil, embora os requisitos de conectividade variem substancialmente entre as aplicações. Nem todo link de comunicação de robôs deve ser transferido para uma rede sem fio de longo alcance, especialmente quando há controle determinístico ou comunicação relacionada à segurança.

No entanto, há muitos fluxos de dados secundários que não exigem que a rede sem fio feche o loop primário de controle de movimento. Informações de diagnóstico, dados sobre a integridade dos equipamentos, status da produção, gerenciamento de software e informações selecionadas de sensores podem ser candidatos a uma conectividade separada.

Um robô móvel que opere em uma instalação de grande porte também pode ultrapassar a área de cobertura prática de um único ponto de acesso convencional. Ampliar a conectividade por meio de uma rede sem fio sub-GHz poderia reduzir alguns desafios de cobertura, dependendo do layout do local e dos requisitos de desempenho.

A questão de engenharia, portanto, não é se o Wi-Fi HaLow deve substituir todas as tecnologias sem fio industriais existentes. A questão é se a combinação de alcance, rede IP e operação com menor consumo de energia se adapta melhor a uma via de comunicação específica do que as alternativas.

O longo alcance pode reduzir a infraestrutura, mas o planejamento de RF continua sendo importante

Uma especificação de alcance na escala de quilômetros é atraente, mas os locais industriais raramente se assemelham a ambientes abertos de testes em laboratório. Estruturas de aço, máquinas, estantes de armazenamento, vasos de processo e paredes reforçadas podem afetar a propagação de RF, enquanto equipamentos próximos podem contribuir para o ruído elétrico e a interferência.

Por esse motivo, o benefício prático do HaLow pode ser a redução do número de pontos de acesso ou uma cobertura melhor em áreas difíceis, em vez de simplesmente alcançar a distância máxima anunciada. Um estudo do local e testes em uma instalação real continuam sendo importantes sempre que a rede sem fio transportar dados operacionalmente críticos.

A faixa de operação sub-GHz também varia conforme a região, o que significa que a configuração do produto e os requisitos regulatórios precisam ser considerados quando o equipamento é implantado internacionalmente. OEMs industriais que planejam uma única plataforma para vários mercados não podem presumir que os parâmetros de rádio sejam idênticos em todos os lugares.

A conectividade IP nativa simplifica a arquitetura da rede

Uma das características mais importantes do Wi-Fi HaLow para a integração industrial é a conectividade IP nativa. Algumas tecnologias de IoT de longo alcance são intencionalmente otimizadas para redes de sensores com baixa taxa de dados e dependem de gateways para fazer a tradução entre o protocolo de rádio e as redes IP padrão.

O HaLow adota uma abordagem diferente. Os dispositivos podem participar diretamente de redes IP, o que pode tornar a integração mais familiar para equipes que já gerenciam infraestruturas Ethernet e Wi-Fi.

Isso não elimina a necessidade de gateways, firewalls ou roteamento quando a arquitetura exigir esses recursos. Significa apenas que a tradução de protocolos não precisa ser uma parte fundamental de todas as conexões.

Para engenheiros que trabalham com sistemas de comunicação e redes industriais, essa familiaridade pode reduzir parte do trabalho de integração de software normalmente associado à adição de uma tecnologia de rádio especializada de longo alcance.

O MM8108 oferece mais margem do que a simples conectividade de sensores

O MM8108 é o SoC Wi-Fi HaLow de segunda geração da Morse Micro. A empresa especifica taxas de dados PHY de aproximadamente 43,3 Mbps em condições operacionais compatíveis, o que coloca o dispositivo bem acima dos requisitos de taxa de transferência de muitos aplicativos básicos de telemetria.

Isso não significa que uma instalação industrial alcançará continuamente a taxa PHY máxima, especialmente em distâncias maiores. A taxa de transferência real do aplicativo é afetada pelas condições do canal, pela modulação, pela sobrecarga de protocolo e pelo projeto da rede.

No entanto, isso ajuda a explicar por que a Morse Micro está posicionando os novos projetos USB para IA de borda, além da conectividade IoT convencional. Os sistemas de borda distribuídos podem gerar consideravelmente mais informações do que simples sensores de temperatura ou pressão, especialmente quando os aplicativos envolvem diagnósticos de máquinas, imagens ou conjuntos de dados operacionais mais completos.

O USB também pode acelerar a prototipagem

O valor de um projeto de referência não se limita à adaptação de equipamentos de produção. O hardware USB também pode facilitar a avaliação inicial, pois os desenvolvedores não precisam se comprometer imediatamente com uma placa de rádio personalizada.

Um integrador de sistemas pode testar a cobertura, a taxa de transferência e o comportamento dos aplicativos usando um host existente antes de decidir se um projeto de produção posterior deve manter a implementação via USB ou integrar o MM8108 de forma mais direta.

Isso reduz a barreira para responder à pergunta inicial mais importante: o Wi-Fi HaLow realmente resolve o problema de conectividade neste local?

Se a resposta for não, a equipe de engenharia terá evitado um esforço substancial de desenvolvimento de hardware. Se for sim, as medições coletadas durante a fase de protótipo poderão orientar o posicionamento das antenas, a topologia da rede e o desenvolvimento de produtos futuros.

Dois designs de referência abordam dois caminhos de atualização diferentes

A distinção entre o RD09 e o RD17 é, em última análise, mais importante do que o fato de ambos os produtos usarem USB. O RD09 integra o HaLow como uma interface sem fio nativa e é particularmente adequado para roteadores, pontos de acesso e computadores nos quais o suporte de software dedicado é viável.

O RD17 abstrai uma parte maior dessa integração do host ao aparecer como uma interface Ethernet CDC-NCM padrão. Isso pode torná-lo mais adequado para equipamentos industriais e embarcados nos quais a instalação de drivers sem fio adicionais é indesejável ou impossível.

As duas abordagens tratam do mesmo problema mais amplo: uma grande base instalada de equipamentos foi projetada antes de o Wi-Fi HaLow se tornar comercialmente disponível, e substituir esses equipamentos apenas para obter outra tecnologia de rádio é difícil de justificar.

A grande oportunidade é a conectividade sem redesenhar a máquina

A importância industrial dos novos designs de referência da Morse Micro está, portanto, menos no conector USB em si e mais no que esse conector evita. Os equipamentos existentes podem obter acesso a redes sub-GHz de longo alcance sem uma reformulação completa do host, enquanto os desenvolvedores podem avaliar o HaLow usando plataformas de hardware que já conhecem.

Isso pode ser útil para computadores industriais, robôs, dispositivos de borda e infraestrutura de rede distribuídos por grandes instalações, onde é difícil ou caro ampliar a cobertura do Wi-Fi convencional. O RD17 é particularmente notável porque sua apresentação como Ethernet padrão reduz a dependência de drivers sem fio específicos do host, eliminando um obstáculo comum em sistemas legados e embarcados.

O Wi-Fi HaLow não substituirá todas as redes industriais, e a comunicação sem fio de longo alcance não deve ser tratada como substituta da infraestrutura de controle determinístico. Seu papel mais importante pode ser preencher o espaço entre o Wi-Fi convencional de curto alcance e as redes IoT especializadas de baixa taxa de dados, especialmente quando os equipamentos precisam de conectividade IP nativa em uma área física maior.

Para engenheiros industriais, os novos designs USB facilitam o teste dessa opção. Em vez de começar com uma nova placa-mãe, um módulo de rádio e um projeto de integração de software, o primeiro experimento agora pode começar com uma porta USB disponível.