Wi-Fi模塊在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)介紹

無(wú)處不在的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）依賴于無(wú)線連接，但是有許多無(wú)線選項(xiàng)，并非每個(gè)設(shè)備都是IP可尋址的 - 這是物聯(lián)網(wǎng)的必備功能。更重要的是，RF設(shè)計(jì)本來(lái)就很困難。很少有公司具備實(shí)施射頻和天線設(shè)計(jì)的適當(dāng)技能，即使完成后，保持該設(shè)計(jì)與最新標(biāo)準(zhǔn)保持同步并通過(guò)FCC合規(guī)也是非常耗時(shí)的。

對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，對(duì)于無(wú)線連接和物聯(lián)網(wǎng)，有一個(gè)非?？煽壳医?jīng)過(guò)驗(yàn)證的選項(xiàng)。該選項(xiàng)是Wi-Fi和模塊的使用。此功能將解釋為什么，提供一些設(shè)計(jì)解決方案，討論即將到來(lái)的IEEE 802.11協(xié)議升級(jí)，并展示如何將ZigBee橋接到Wi-Fi以實(shí)現(xiàn)本機(jī)IP尋址。

有許多無(wú)線接口選項(xiàng)，藍(lán)牙低功耗（BLE），ZigBee，Z-Wave，Wi-Fi和RFID，每個(gè)都有自己獨(dú)特的功率，范圍，數(shù)據(jù)速率，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，抗干擾性和易用性平衡。但是，某些接口尚未啟用本機(jī)IP，因此無(wú)法直接尋址或通過(guò)Internet與其他設(shè)備和服務(wù)器交換數(shù)據(jù)。這些需要一個(gè)單獨(dú)的網(wǎng)關(guān)，為最終解決方案增加了費(fèi)用和復(fù)雜性。

這就是Wi-Fi引人注目的地方：它基于具有原生IP尋址能力的IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)處不在，易于理解，并且可以在數(shù)據(jù)速率方面很好地?cái)U(kuò)展以優(yōu)化功耗。據(jù)Wi-Fi聯(lián)盟稱，已安裝超過(guò)68億臺(tái)支持Wi-Fi的設(shè)備，因此可用的本地Wi-Fi接入點(diǎn)的可能性非常高（圖1）。另請(qǐng)注意，802.11標(biāo)準(zhǔn)也符合IPv6標(biāo)準(zhǔn)，因此對(duì)唯一地址的數(shù)量幾乎沒(méi)有限制。

圖1：廣泛的物聯(lián)網(wǎng)使用Wi-Fi模塊的應(yīng)用程序顯示了界面的靈活性和可擴(kuò)展性，以及它的普遍性。 （來(lái)源：Tektronix。）

雖然Wi-Fi廣泛且易于理解，但它仍然是一個(gè)無(wú)線接口，具有RF所需的所有變幻莫測(cè)的設(shè)計(jì)。了解后續(xù)步驟至關(guān)重要。

緩解無(wú)線開(kāi)發(fā)

為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用選擇Wi-Fi后，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常面臨構(gòu)建自定義RF實(shí)施的艱巨挑戰(zhàn)，這需要時(shí)間，金錢和專業(yè)知識(shí)。開(kāi)發(fā)無(wú)線設(shè)備的設(shè)計(jì)要求至少包括直接RFIC集成以及指定濾波器，放大器，時(shí)鐘，電容器，電感器，晶體振蕩器以及需要在板上的天線等組件的能力。作為他們的位置。還需要網(wǎng)絡(luò)匹配電路，以確保無(wú)線電和天線匹配良好，以避免信號(hào)丟失。其他知識(shí)領(lǐng)域包括系統(tǒng)布局，軟件堆棧開(kāi)發(fā)，設(shè)備安全性，連接可靠性，信號(hào)干擾和降級(jí)，以及最后但并非最不重要的FCC認(rèn)證。

如何在典型的上市時(shí)間內(nèi)完成此任務(wù)鑒于RF設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)不是每個(gè)電子公司都可以獲得的參數(shù)？添加Wi-Fi功能的一種越來(lái)越常見(jiàn)的方法是使用預(yù)先打包的模塊。這種方法大大簡(jiǎn)化了流程。模塊供應(yīng)商提供的測(cè)試，校準(zhǔn)和預(yù)認(rèn)證模塊符合要求的標(biāo)準(zhǔn)，因此可以為公司提供快速，便捷的上市途徑，基本上是即插即用的解決方案，減少了對(duì)模塊的需求。軟件開(kāi)發(fā)。更重要的是，設(shè)計(jì)和構(gòu)建Wi-Fi模塊的制造商可以在設(shè)計(jì)集成階段成為您的RF顧問(wèn)。

Wi-Fi模塊通常包含兩個(gè)主要部分：Wi-Fi芯片和應(yīng)用主機(jī)處理器。 Wi-Fi子系統(tǒng)包括802.11無(wú)線電物理層（PHY），基帶，媒體訪問(wèn)控制（MAC），以及可能用于快速，安全的互聯(lián)網(wǎng)連接的加密引擎。應(yīng)用程序主機(jī)處理器具有內(nèi)部或外部閃存，ROM和RAM。該模塊通常還帶有用于定時(shí)器，串行通信接口，模擬比較器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），晶體振蕩器和調(diào)試接口的I/O.

電源管理子系統(tǒng)包括支持各種電源電壓的集成DC-DC轉(zhuǎn)換器。它支持低功耗模式，例如具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）模式的休眠模式。模塊可以提供集成天線或?yàn)橥獠刻炀€提供RF連接器。 Wi-Fi模塊附帶的軟件包通常包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，集成的802.11安全層以及管理和監(jiān)控實(shí)用程序。

在設(shè)計(jì)Wi-Fi物聯(lián)網(wǎng)解決方案時(shí)，起點(diǎn)是理解IEEE 802.11代表一系列標(biāo)準(zhǔn)，直到最近才在2.4 GHz（IEEE 802.11b/g/n）和5 GHz（IEEE 802.11a/n/ac）免許可頻段中運(yùn)行。評(píng)估這些協(xié)議時(shí)需要考慮三個(gè)關(guān)鍵因素：數(shù)據(jù)速率，范圍和功率要求。當(dāng)您比較不同的Wi-Fi協(xié)議時(shí)，802.11b/g具有與已安裝設(shè)備和功率要求兼容的優(yōu)勢(shì)，而802.11n和802.11ac具有更高的數(shù)據(jù)吞吐量，可用于視頻流等多媒體應(yīng)用（見(jiàn)表）。

協(xié)議

頻率

信號(hào)

最高數(shù)據(jù)速率

傳統(tǒng)802.11

2.4 GHz

FHSS或DSSS

2 Mbps

802.11a

5 GHz

OFDM

54 Mbps

802.11b

2.4 GHz

HR-DSSS

11 Mbps

802.11g

2.4 GHz

OFDM

54 Mbps

802.11n

2.4或5 GHz

OFDM

600 Mbps（理論上）

802.11ac

5 GHz

256-QAM

1.3 Gbps

表：不同Wi-Fi協(xié)議和數(shù)據(jù)速率的摘要顯示了IEEE 802.11的進(jìn)展它的早期目前是2 Mbps到1.3 Gbps。 （來(lái)源：英特爾公司）

然而，在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時(shí)，更高的數(shù)據(jù)速率協(xié)議并不總是更可取。盡管802.11ac可以將其轉(zhuǎn)換為最高1.3 Gbps，但大多數(shù)嵌入式應(yīng)用程序（例如，機(jī)器到機(jī)器[M2M]數(shù)據(jù)和控制設(shè)備）都受到功率限制，并且可以以更低的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行。

選擇Wi-Fi的另一個(gè)好理由是，在未來(lái)一年左右的時(shí)間內(nèi)，技術(shù)升級(jí)將使其更加強(qiáng)大。例如，Wi-Fi聯(lián)盟最近宣布推出采用IEEE 802.11ah技術(shù)的產(chǎn)品的Wi-Fi HaLow（發(fā)音為“halo”）。 HaLow將Wi-Fi擴(kuò)展到900 MHz頻段，并提供了改進(jìn)的范圍 - 幾乎是當(dāng)今Wi-Fi的兩倍 - 可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)速率從150 Kbps到2.1 Mbps; IEEE 802.11ah還承諾提供低功耗特性，其用例主要用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，這是一種經(jīng)典的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

2月，在2016年國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議（ISSCC）上，荷蘭霍爾斯特中心與比利時(shí)IMEC研究所合作，展示了一款HaLow發(fā)射機(jī)在亞GHz頻段上運(yùn)行Wi-Fi。該團(tuán)隊(duì)表示，當(dāng)提供0 dBm輸出功率并使用1 V電源供電時(shí)，最大功耗為7.1 mW。與最先進(jìn)的802.11 OFDM收發(fā)器相比，功耗降低了10倍。

同樣正在開(kāi)發(fā)的是IEEE 802.11ai，它將提供快速初始鏈路設(shè)置（在更少的情況下實(shí)現(xiàn)安全鏈路設(shè)置）正在開(kāi)發(fā)以提供類似蜂窩的自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)體驗(yàn)。

模塊和開(kāi)發(fā)套件

RF工程可能是一項(xiàng)棘手的業(yè)務(wù)，尤其是100 ms）和IEEE 802.11aq。對(duì)于該學(xué)科的新手。認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，RF芯片供應(yīng)商正在提供模塊，開(kāi)發(fā)套件和參考設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品的無(wú)線連接更容易。

例如，Microchip使用由32位控制器驅(qū)動(dòng)的模塊提供物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)套件（DM990001）。它采用兩個(gè)Microchip組件，MRF24WG0MA/B預(yù)認(rèn)證Wi-Fi模塊，支持802.11b和802.11g，PIC32MX695F512H微控制器具有128 KB RAM和512 Kbits閃存。 PIC MCU具有80 MHz，105-DMIPS 32位內(nèi)核，帶有集成PHY的USB 2.0 On-The-Go（OTG）外設(shè)，10/100以太網(wǎng)MAC和4個(gè)專用直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)（DMA）通道USB OTG和以太網(wǎng)。

入門套件由亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（AWS）提供支持，這是一個(gè)托管云平臺(tái)，可讓連接的設(shè)備與云應(yīng)用程序安全地交互。使用AWS IoT應(yīng)用程序可以隨時(shí)跟蹤所有聯(lián)網(wǎng)設(shè)備并與之通信，即使它們未連接也是如此。

亞馬遜為其AWS IoT組建了Quickstart參考部署，其設(shè)計(jì)目的是展示該平臺(tái)的一些功能。如果您計(jì)劃將Amazon用作托管服務(wù)提供商，則AWS IoT會(huì)特別有用。它支持HTTP，Web瀏覽器和Web服務(wù)器的WebSockets，以及MQ遙測(cè)傳輸（MQTT），這是一種輕型通信協(xié)議，適用于小型傳感器和移動(dòng)設(shè)備，專門用于容忍間歇性連接，最大限度地減少設(shè)備上的代碼占用空間，并降低網(wǎng)絡(luò)帶寬要求。

德州儀器的CC3100MOD Wi-Fi模塊是一個(gè)完整的平臺(tái)解決方案，包括各種工具和軟件，示例應(yīng)用程序，用戶和編程指南以及參考設(shè)計(jì)（圖2）。它主要由公司的CC3100R11MRGC Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)處理器和電源管理子系統(tǒng)組成。作為公司SimpleLink Wi-Fi系列的一部分，CC3100MOD集成了Wi-Fi和Internet的所有協(xié)議，降低了主機(jī)MCU軟件的要求。它還包括所有必需的時(shí)鐘，SPI閃存，RF濾波器，晶體和無(wú)源器件。

圖2：TI的CC3100MOD旨在簡(jiǎn)化互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施連接。它集成了Wi-Fi和互聯(lián)網(wǎng)的所有協(xié)議，大大降低了主機(jī)MCU軟件的要求。

CC3100MOD Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)處理器子系統(tǒng)包含802.11 b/g/n無(wú)線電，基帶和MAC有一個(gè)256位加密引擎，用于安全的Internet連接。它還包含一個(gè)專用的ARM MCU，可完全卸載主機(jī)MCU。電源管理子系統(tǒng)包括一個(gè)集成的DC-DC轉(zhuǎn)換器，支持各種電源電壓。它支持低功耗模式，例如采用RTC模式的休眠模式，僅需要大約7μA的電流。

在軟件方面，該模塊包括嵌入式TCP/IP和TLS/SSL安全堆棧，HTTP服務(wù)器和多個(gè)Internet協(xié)議。對(duì)于TCP客戶端應(yīng)用程序，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒅鳈C(jī)內(nèi)存占用要求保持在小于7千字節(jié)的代碼和700字節(jié)的RAM中。 CC3100MOD物聯(lián)網(wǎng)模塊解決方案還通過(guò)了FCC，IC，CE和Wi-Fi認(rèn)證。

STMicroelectronics的SPWF01S Wi-Fi模塊是一種即插即用的802.11b/g/n解決方案（圖3）。它的一側(cè)有一個(gè)串行接口，允許與供應(yīng)商的STM32和STM8等MCU進(jìn)行通信。另一方面是Wi-Fi收發(fā)器。該模塊還包含定時(shí)時(shí)鐘和穩(wěn)壓器。它可以配置嵌入式微型2.45 GHz ISM波段天線（SPWF01SA），也可以配置U.FL同軸連接器用于外部天線連接（SPWF01SC），因此集成無(wú)需RF知識(shí)。

圖3：ST SPWF01S串口到Wi-Fi b/g/n模塊的框圖。它具有低功耗和小外形尺寸，可用于固定和移動(dòng)無(wú)線應(yīng)用。

SPWF01S具有CE，F(xiàn)CC和IC認(rèn)證，符合工業(yè)溫度范圍要求。

雖然我們專注于Wi-Fi，但ZigBee無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)是廣泛應(yīng)用的流行選擇，這些應(yīng)用需要相對(duì)容易安裝，配置和維護(hù)的低功耗，中等范圍和靈活的網(wǎng)絡(luò)。然而，ZigBee對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用缺乏關(guān)鍵要求：本地IP連接。 Digi International的XBee ? Wi-Fi模塊填補(bǔ)了這一空白。為了幫助您入門，該公司的XBee Wi-Fi云套件（xka2B-wft-0）包括XBee Wi-Fi（S6B）模塊，帶面包板的XBee USB開(kāi)發(fā)板，組件包（電阻器，繼電器，按鈕，LED） ，訪問(wèn)Digi的基于云的應(yīng)用程序以及所有必需的天線，電源和電纜。 Digi的XBee Wi-Fi模塊與其他XBee模塊共享占用空間，允許不同的XBee技術(shù)相互替代。

IoT應(yīng)用依賴于無(wú)線連接，但有許多無(wú)線協(xié)議選項(xiàng)。射頻設(shè)計(jì)本身也很困難，很少有公司具備實(shí)施射頻和天線設(shè)計(jì)的適當(dāng)技能。即使可以獲得專業(yè)知識(shí)，使設(shè)計(jì)保持最新的最新標(biāo)準(zhǔn)并通過(guò)FCC合規(guī)也很費(fèi)時(shí)間。本文展示了Wi-Fi模塊及其相關(guān)套件和參考設(shè)計(jì)如何能夠顯著簡(jiǎn)化新物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)人員面臨的實(shí)施挑戰(zhàn)。