Integração da tecnologia UWB e redes Mesh — Descrição da rede Mesh do módulo UWB650

A tecnologia de comunicação sem fio está em constante evolução, impulsionando a inovação contínua em diversos setores. Entre as tecnologias que têm recebido atenção significativa nos últimos anos estão a tecnologia de banda ultralarga (UWB) e as redes Mesh.

Considerando as crescentes demandas em aplicações do mundo real por maior cobertura, confiabilidade de comunicação e posicionamento flexível, a NiceRF integrou ainda mais a funcionalidade de rede Mesh ao módulo UWB650 . Tomando o UWB650 como exemplo, este módulo de comunicação de banda ultralarga, baseado no padrão IEEE 802.15.4-2020, oferece alcance de alta precisão (exatidão de ±10 cm) e transmissão de dados em alta velocidade (até 6,8 Mbps). Com a nova capacidade de rede Mesh, sua aplicabilidade em ambientes complexos é ainda mais ampliada — desde posicionamento industrial até armazenagem inteligente, e de navegação interna à coordenação de dispositivos. A combinação de UWB e Mesh proporciona uma solução mais flexível e confiável para comunicação sem fio.

I. Módulo UWB650: Tecnologia UWB + Rede Mesh

O módulo UWB650 serve como plataforma de hardware principal, integrando as funções de rede UWB e Mesh, proporcionando uma base sólida por meio de sua arquitetura de hardware e suporte em nível de protocolo.

1. Funções de comunicação UWB650

O módulo UWB650 é baseado no chipset UWB Qorvo DW3000, totalmente compatível com o padrão IEEE 802.15.4-2020. Ele integra um amplificador de RF de alto desempenho, um microcontrolador (MCU) e interfaces de E/S de uso geral, além de criptografia AES128 e proteção ESD, garantindo operação estável mesmo em ambientes eletromagnéticos complexos.

Principais características:

• Comunicação de dados:
  Permite a transmissão remota de dados via interface serial, suportando o desenvolvimento flexível de aplicações.

• Medição de distância de alta precisão:
  Emprega os esquemas SS-TWR e DS-TWR para medição de distância bidirecional, alcançando uma precisão melhor que 10 cm, atendendo aos requisitos de posicionamento de nível industrial.

• Transmissão de alta velocidade:
  Suporta taxas de dados sem fio de até 6,8 Mbps, adequada para transferência de grandes volumes de dados.

• Função de posicionamento:
  Calcula as distâncias entre nós e pontos de ancoragem usando alcance bidirecional, combinado com a resolução de coordenadas para posicionamento 2D/3D (precisão < 30 cm).

• Modo de baixo consumo de energia:
  Suporta modo de hibernação por hardware — ao colocar o pino CS em nível baixo, o módulo entra em hibernação (<25 ms) e ao colocá-lo em nível alto, o módulo é ativado (<30 ms). Durante a hibernação, o chipset UWB também é desligado para reduzir o consumo, enquanto a porta serial emite notificações de “Entrada em Hibernação” e “Saída em Hibernação”.

• Configuração flexível:
  Suporta múltiplos níveis de potência de transmissão (até 0,5 W) para se adequar a diferentes alcances e ambientes; permite comprimentos de quadro variáveis ​​(0–1023 bytes, pacote único com no máximo 1004 bytes) para acomodar diversas cargas de dados.

• Cobertura de longo alcance:
  atinge uma distância de transmissão teórica superior a 1 km, ideal para grandes instalações, armazéns ou implantações em campo aberto.

2. Visão geral da rede mesh UWB650

O módulo UWB650 introduz um recurso de transmissão em rede Mesh (desativado por padrão), que pode ser habilitado por meio de comandos de configuração. Uma vez ativado, o módulo pode operar como um nó ou repetidor, formando uma rede Mesh com outros módulos. Esse recurso resolve efetivamente as limitações da comunicação UWB tradicional de salto único em termos de distância e interferência de obstáculos. 

II. Habilitando e configurando redes mesh

A função Mesh no módulo UWB650 não está habilitada por padrão. Ela precisa ser ativada e configurada por meio de comandos específicos, incluindo configuração de identidade, ativação de modo e atribuição de função de nó.

1. Configuração preliminar: Configuração da identidade do dispositivo

Ao utilizar o UWB650 pela primeira vez, os usuários devem definir o ID PAN do módulo (padrão: 0000) e o endereço do dispositivo (padrão: 0000) para garantir a exclusividade na rede.

Comando de configuração:  UWBRFAT+DEVICEID=xxxx,yyyy

Descrição do parâmetro:

• xxxx: ID PAN (ID do grupo, intervalo 0x0000–0xFFFE). Todos os módulos dentro da mesma rede Mesh devem compartilhar o mesmo ID PAN para diferenciar as redes.

• yyyy: Endereço do dispositivo (intervalo 0x0000–0xFFFE). Deve ser único dentro do mesmo ID PAN para roteamento de dados preciso.

Finalidade: Esta configuração estabelece a base para a comunicação entre módulos (tanto no modo UWB regular quanto no modo Mesh). No entanto, ela não habilita automaticamente a rede Mesh.

Nota: Se o PAN ID ou o endereço não estiverem configurados corretamente, o módulo não conseguirá se comunicar com outros nós, mesmo para transmissão básica de dados.

2. Habilitando a função de malha

A funcionalidade de malha deve ser ativada explicitamente por comando.

Lógica de comando típica: UWBRFAT+MeshENABLE=1 (ou similar; consulte a folha de especificações do módulo para obter detalhes).

Uma vez ativado, o módulo suporta retransmissão multi-hop, limites de contagem de saltos e outros recursos relacionados à rede Mesh.

3. Funções dos nós e regras de transmissão de dados

Após habilitar o Mesh, os módulos podem operar em uma das seguintes funções:

• Nó: Defina o endereço de destino via UWBRFAT+TXTARGET=xxxx (ex.: UWBRFAT+TXTARGET=1234). O módulo se comunica apenas com o endereço especificado (ponto a ponto, salto único). Definir o destino como FFFF transmite dados para todos os módulos sob o mesmo ID PAN, com os receptores emitindo informações adicionais, como a intensidade do sinal.

• Relé (Roteador):
  Não inicia a transmissão de dados, mas encaminha automaticamente os pacotes Mesh que não são endereçados a ele. Por exemplo, se o Nó A não puder alcançar diretamente o Nó C e o Nó B estiver configurado como um relé, o fluxo de dados será de A → B → C.

• Nó Híbrido:
  Combina os comportamentos de um Nó e de um Relé — recebe e envia pacotes endereçados a si mesmo e encaminha outros automaticamente, equilibrando flexibilidade e confiabilidade.

Nota:
Todos os nós na mesma malha devem ter endereços únicos, e os módulos com a malha ativada não podem se comunicar com módulos que têm a malha desativada (exceto para funções de alcance/posicionamento). 

III. Características funcionais da rede mesh UWB650

A rede mesh UWB650 não só suporta retransmissão multi-hop, como também inclui diversos mecanismos para melhorar a estabilidade e a confiabilidade da rede.

1. Comunicação de dados flexível e controlada

• Configuração dinâmica do alvo: O endereço de destino pode ser modificado a qualquer momento através de UWBRFAT+TXTARGET, permitindo a alternância sob demanda entre os modos unicast e broadcast.

• Modo de transmissão: Configurar o endereço de destino para FFFF transmite dados para todos os módulos com o mesmo ID PAN. O receptor envia o endereço de origem, o RSSI e os dados brutos (ex.: SrcAddr:0001;Rssi:-51.23dBm;Data:1234567890).

• Processamento de dados hexadecimais: Ao transmitir dados hexadecimais, os usuários devem analisar a carga útil válida (FramePayload) do conteúdo do quadro recebido.

2. Recursos de Aprimoramento da Confiabilidade

• Mecanismo de Auto-Confirmação ACK:
  Habilitar UWBRFAT+ACKENABLE=1 adiciona uma solicitação ACK aos pacotes transmitidos. O receptor responde com um ACK em caso de sucesso (“ACK DETECTED”), caso contrário, “ACK WAIT TIMEOUT” é exibido. O modo de transmissão (FFFF) não suporta ACK.

• CCA (Avaliação de Canal Livre):
  Habilitar UWBRFAT+CCANENABLE=1 permite que o módulo detecte a disponibilidade do canal antes da transmissão, evitando interferências com outros dispositivos UWB. Se o canal estiver ocupado, a transmissão é cancelada e a mensagem “FALHA NO CCA” é exibida.

• Função de filtragem de quadros:

• O módulo UWB650 recebe apenas pacotes de dados que atendam às seguintes condições: o ID PAN de destino corresponde ao seu próprio, o endereço de destino é 0xFFFF (broadcast) ou idêntico ao seu próprio endereço, a FCS (Sequência de Verificação de Quadro) está correta e o formato do pacote é um Quadro de Dados padrão compatível com o padrão IEEE 802.15.4-2020. Pacotes que não atendem a essas condições são rejeitados diretamente.

• SNIFF (Modo de Escuta):
  O módulo alterna entre os estados de recepção e ocioso (aproximadamente 16 μs cada, ciclo de trabalho de 50%) para economizar energia. Durante a medição de distância/posicionamento, o módulo alterna para o modo de recepção contínua para desempenho em tempo real. 

3. Estabilidade e Controle da Rede

• Limite de saltos: Cada pacote de dados pode ser retransmitido por até 10 saltos. Após esse limite, os nós de retransmissão descartam o pacote para evitar sobrecarga de dados redundantes.

• Encaminhamento orientado ao destino: os nós de retransmissão processam apenas os pacotes que não são endereçados a eles mesmos, otimizando o processamento e o uso da largura de banda.

 Todas essas funcionalidades também podem ser configuradas através do nosso software proprietário de configuração para PC, para maior facilidade de uso.

IV. Vantagens da integração UWB + Mesh

1. Superando as limitações de distância: posicionamento de alta precisão em ambientes complexos

Os sistemas tradicionais de posicionamento UWB exigem uma alta densidade de estações base. A tecnologia Mesh do UWB650 permite a comunicação indireta entre etiquetas e pontos de ancoragem por meio de nós de retransmissão. Por exemplo, em uma fábrica com obstruções em colunas, as etiquetas podem enviar dados de alcance para a estação base através de nós de retransmissão próximos, atingindo uma precisão de ±10 cm sem a necessidade de adicionar mais pontos de ancoragem.

2. Auto-organização e autorrecuperação: garantindo a robustez da rede

As redes mesh suportam a entrada e saída dinâmica de nós (como dispositivos móveis ou âncoras temporárias) sem reconfiguração manual. Se um repetidor falhar, os pacotes são redirecionados automaticamente (por exemplo, A→B→C→D torna-se A→E→D), garantindo posicionamento e comunicação ininterruptos — ideal para minas, resgate de emergência ou ambientes de alto risco.

3. Expansão flexível e implantação com custo-benefício

Os usuários podem atribuir funções aos nós (Terminal / Relé / Híbrido) de acordo com as necessidades da aplicação. Em grandes armazéns, apenas algumas âncoras fixas (para referências de coordenadas) são necessárias, enquanto etiquetas e relés móveis formam uma rede Mesh para cobrir vastas áreas — reduzindo significativamente os custos de hardware e a complexidade de configuração.

O módulo UWB650, ao integrar profundamente a tecnologia UWB com redes Mesh, alcança um avanço duplo em "Alta Precisão + Ampla Cobertura" e "Flexibilidade + Confiabilidade".
A combinação de UWB e Mesh proporciona uma solução mais flexível e confiável para comunicação sem fio. A NiceRF continuará investindo e focando na exploração de tecnologias de posicionamento de alta precisão e IoT inteligente.