802.11x模块,开发套件可以帮助简化物联网无线设计工作

物联网(IoT)产品的设计者正在使用基于Wi-Fi的无线连接,因为它被广泛部署并且被很好地理解。但是,任何类型的RF都很复杂,需要进行合规性测试。没有正确的专业知识,可能会减慢开发速度,特别是如果设计师选择从头开始设计射频部分的话。
加速设计过程的一种方法是选择许多可用的预认证模块之一。为此,本文将在介绍如何使用模块和相关设计工具设计产品之前,讨论Wi-Fi在无线应用中的优势。

为什么选择Wi-Fi?

Wi-Fi是利用2.4 GHz工业,科学和医疗(ISM)免许可频谱分配的无线通信的许多流行的短程射频技术之一。该技术基于IEEE 802.11规范,并具有不同的吞吐量和各种数字编码方法。
与诸如蓝牙低功耗(蓝牙LE)和Zigbee等技术相比,它相对耗电,昂贵且需要相当多的处理器资源。然而,它也非常快。从原始数据速率为11 Mbits / s的最低802.11b版本到n版本的令人印象深刻的600 Mbits / s,没有其他开放标准2.4 GHz技术接近。(请参阅Digi-Key的文章“ 比较低功耗无线技术”。)

哪个Wi-Fi?

Wi-Fi变种的一个共同特点是所有Wi-Fi操作规范都由Wi-Fi联盟(Wi-Fi品牌和规范的管理者)规定。该联盟确定Wi-Fi局域网(LAN)使用的数据结构,加密技术,频率,数据包配置和子协议。
重要的是,Wi-Fi也可以利用5GHz频谱分配,通过从拥挤的2.4GHz频带中去除通信来进一步提高吞吐量并降低干扰的可能性。不利之处在于范围缩小和障碍渗透较差。(请参阅Digi-Key的文章“ 在工业应用中比较2.4 GHz和5 GHz无线局域网 ”。)
有几种Wi-Fi协议:IEEE 802.11b / g,工作在2.4 GHz频带,IEEE 802.11a / ac,设计用于5 GHz频带操作,而IEEE 802.11n射频可以工作在两个频段。
IEEE 802.11b于1999年被采用,并提供5.5和11 Mbits / s的数据速率。现在只能在传统系统中使用。然而,支持b被纳入当代n收音机,使现代系统可以与遗留系统运作。
IEEE 802.11g于2003年被采用,并使用与原始协议不同的调制技术来实现高达54 Mbits / s的数据速率。在实际应用中,由于前向纠错算法,可用数据速率常常减半。g向后兼容b。
IEEE 802.11n于2009年通过并引入了多输入多输出(MIMO)天线技术,用于编码多个同时“空间流”,将数据速率提升至216 Mbits / s(假设20 MHz信道宽度和采用三个空间流)。802.11n还规定了一个更宽的40 MHz信道,通过绑定两个20 MHz信道形成,将吞吐量提高到450 Mbits / s。支持三种空间流的设备仅限于高端便携式计算机,平板电脑和接入点(AP)。两个空间流设备更丰富,但仍然局限于便携式电脑,平板电脑和最新一代的智能手机。
IEEE 802.11a在大多数情况下与g相同,只是它在5 GHz频段工作。最大数据速率是相同的,54 Mbits / s。今天,802.11a在很大程度上被认为是传统协议。
IEEE 802.11ac于2013年通过,提供八个特殊的数据流和160 MHz的信道宽度,以进一步提高吞吐量。商业产品只是打击市场,保持昂贵,至少在第一时间,这项技术很可能只用于非常高端的消费产品。
2.4 GHz频带分配允许在11个(在美国),13个(在世界其他大部分地区)和14个(在日本)20 MHz频道之间。频段的83 MHz宽度只能容纳三个不重叠的Wi-Fi频道(1,6和11)(图1)。
2.4 GHz ISM频段Wi-Fi频道分配的图像
图1:2.4 GHz ISM频段的Wi-Fi信道分配允许三个非重叠的20 MHz信道(一,六,十一)。(图片来源:思科)
为了避免相邻WLAN使用11到14个通道中的任何一个可能造成的冲突,制造商通常设计他们的设备以仅仅不重叠的方式进行通信。例如,在信道1中出现过度干扰的Wi-Fi无线电可以切换到信道6或11,以便找到无干扰的环境。
为了协助频谱共享,Wi-Fi确实包括争用机制,在使用相同频道的接入点(AP)之间公平地提供带宽。在拥塞通道上运行的AP经历有限的通话时间,影响何时可以接收或发送数据。

物联网的Wi-Fi

需要注意的是,基于IEEE 802.11规范的Wi-Fi只定义了通信协议的物理层(PHY)和数据链路层。数据链路层包括媒体访问控制(MAC)和逻辑链路控制(LLC)。但是,Wi-Fi无处不在的互联网连接,其PHY和数据链路层通常被整合到一个完整的TCP / IP协议栈中。该协议栈确保互联互通性,并且通常(但不总是)由Wi-Fi连接解决方​​案供应商提供的软件。本文的其余部分将讨论带有TCP / IP协议栈的Wi-Fi解决方案(图2)。
带有TCP / IP堆栈的Wi-Fi解决方案的图像
图2:Wi-Fi定义了堆栈的物理层和数据链路层。通常,供应商提供的固件将这些层与提供Internet互操作性的完整TCP / IP堆栈集成在一起。(图片来源:国际理论物理中心)
虽然Wi-Fi作为连接智能手机,便携式计算机和个人电脑到互联网的关键技术已经刻不容缓,但它正在迅速多样化,成为物联网的基础技术。
在互联网互通性和吞吐量比功耗更重要的情况下,Wi-Fi驱动的物联网设备为直接从无线传感器向互联网传递信息的问题提供了一个引人注目的解决方案。Wi-Fi物联网传感器直接连接到互联网,无需借助低功耗无线个人区域网络(6LoWPAN)等其他网络层,如IPv6。
对于具有成本效益的“网关”,Wi-Fi是一个不错的选择,其中多协议蓝牙LE / zigbee / Wi-Fi片上系统(SoC)单元汇聚来自多个低功率无线传感器的数据,并将此信息转发给云端。
请注意,Wi-Fi的低功耗形式正在出现。基于IEEE 802.11ah,被称为“HaLow”,通过利用其他低功耗无线技术所使用的超低占空比,可将技术的功耗降至最低。预计其功耗约为传统Wi-Fi芯片消耗的1%左右。HaLow工作在900MHz的ISM频段,将其频段提升至今天Wi-Fi的近两倍。权衡是吞吐量,据说这与蓝牙LE的最大原始数据速率2Mbits / s相当。

加速基于Wi-Fi的设计

从头开始设计一个Wi-Fi物联网解决方案可以降低成本,并提供一个全面优化无线产品性能的机会。但是设计人员需要在千兆赫频率上有相当多的射频硬件专业知识,对TCP / IP协议的熟悉程度,以及对标准合规性认证规范进行长时间的测试和验证过程的坚韧性。
一些来自半导体供应商的帮助提供了可用作加速开发过程的基础的参考设计。但是,这样的图表只能被视为一个起点,磁性,基板,轨道和电路阻抗的微小变化可能会对性能产生重大影响,并且通常需要进行多次设计迭代才能使事情顺利进行。
要达到令人满意的设计,更快捷的途径是选择一个组装,测试,验证和合规性认证的模块。这些产品可以迅速融入Wi-Fi物联网解决方案,加快上市时间。
IoT应用程序所有变体的IEEE 802.11模块以及相关的开发工具都可以从许多芯片供应商处获得。基本模块通常将集成WLAN基带处理器和RF收发器支持,功率放大器(PA),时钟,RF开关,滤波器,无源元件和电源管理。
由于基于Wi-Fi的TCP / IP协议栈是一个复杂的固件,它需要一个微处理器的资源,能够支持Linux或Android等高级操作系统(OS)。管理Wi-Fi堆栈的操作系统的通用驱动程序可以从硬件提供商处获得,而另外的驱动程序(如WinCE和一系列实时操作系统所需的驱动程序)则由第三方提供支持。
通常,设计人员需要找到合适的微处理器,以及无源器件来构成匹配电路,以及2.4和/或5 GHz天线。然而,一些模块解决方案包括一个嵌入式处理器,还有一些包含完整的工作解决方案。

适用于各种情况的Wi-Fi模块

来自Silicon Labs的Bluegiga品牌WF111就是一个为物联网应用(如销售点终端,远程安全摄像头和医疗传感器)设计的低成本Wi-Fi模块的好例子。该设备通过Wi-Fi b,g或n提供互联网连接。该产品仅提供2.4 GHz操作,最大数据速率为72 Mbits / s,链路预算为114 dBm(发射机功率输出为17 dBm,接收机灵敏度为-97 dBm)。其电压电源为1.7至3.6 V,Tx峰值电流为192 mA,Rx峰值电流为88 mA。
WF111包含一个内置天线(或一个用于外部天线的连接器),并设计为与外部主机微处理器一起工作。该设备由主机微处理器使用1位或4位模式的安全数字输入输出(SDIO)接口控制。SDIO接口允许主机微处理器直接访问IEEE 802.11功能。
由于芯片供应商预计WF111将与蓝牙LE传感器紧密接近,所以最多可以有6条硬件控制线路用于管理无线共存。控制线确保Wi-Fi和蓝牙设备进行通信,以避免在Wi-Fi和蓝牙LE设备靠近时通常发生的同时数据包传输。这种传输通常会降低链路性能(图3)。
Silicon Labs的WF111六条控制线的图像

图3:Silicon Labs的WF111包括六条控制线,以确保Wi-Fi和蓝牙设备协调通信以改善共存。(图片来源:Silicon Labs)
德州仪器(TI)WL1801通过将IEEE 802.11 a / b / g / n和蓝牙/蓝牙LE收发器集成到同一个器件中,与蓝牙紧密结合。这种模块是上述物联网网关设备的理想解决方案,因为其内置了Wi-Fi和蓝牙协议的互操作性。
该器件提供2.4和5 GHz Wi-Fi操作,最大数据速率为54 Mbits / s,链路预算为115 dBm(发射机功率输出为18.5 dBm,接收机灵敏度为-96.5 dBm)。工作电压范围为2.9至4.8 V,Tx峰值电流为420 mA,Rx峰值电流为85 mA。这些模块是FCC,IC,ETSI和Telec认证。
WL1801提供Wi-Fi和蓝牙堆栈,但必须与合适的微处理器,32 kHz晶振和天线配对才能形成完整的解决方案。TI表明微处理器从其Sitara系列-如AM3351,一个ARM ®皮质® -A8芯设备能够支持的Linux,Android或实时操作系统,再加上的Wi-Fi驱动程序和蓝牙LE栈。微处理器通过SDIO接口驱动Wi-Fi操作,通过UART驱动蓝牙(图4)。
德州仪器的WL1801图
图4:TI的WL1801将微处理器的选择留给了设计人员,尽管该公司推荐了一款功能强大的芯片,例如基于ARM Cortex A8的Sitara。(图片来源:德州仪器)
村田制作所的 LBEE5ZZ1MD模块通过包含一个处理器,以及一个预先加载的Wi-Fi固件堆栈,进一步实现了集成。尽管通过将处理器与无线电进行匹配来简化处理,但不利之处在于开发者致力于模块制造商的处理器硬件选择,并且可能是不熟悉的开发环境。
村田模块通过Wi-Fi b,g或n提供互联网连接。该器件仅提供2.4 GHz操作,最大数据速率为65 Mbits / s,链路预算为100 dBm(发射机功率输出为2 dBm,接收机灵敏度为-98 dBm)。它工作在3.3伏特电压下,Tx峰值电流为300 mA,Rx峰值电流为45 mA。
该模块将意法半导体 基于STM32F412 ARM Cortex-M4的微处理器与Wi-Fi MAC /基带/无线电配对。该模块包括板上晶体,匹配电路和2.4 GHz天线。外围32.786千赫晶体可以被添加。STM32F412处理器包括UART,SPI,I 2 C和其他接口(图5)。
村田的LBEE5ZZ1MD Wi-Fi模块图
图5:村田的LBEE5ZZ1MD Wi-Fi模块将基于ARM Cortex M4的微处理器与晶体,匹配电路和天线结合在一起。(图片来源:村田)
该模块附带一个TCP / IP协议栈和一个Electric Imp操作系统,用于连接到Electric Imp云服务。这对于尚不熟悉第三方云服务提供商以及如何上传和访问数据的设计人员非常有用。Electric Imp开发中心网站提供开发指导。
u-blox的NINA W132是一个模块化解决方案可以让设计师走多远的例子。该器件集成了Wi-Fi和蓝牙LE功能,主处理器,电源管理,独立的16Mb闪存和40MHz晶振。
互联网连接通过Wi-Fi 802.11b,g或n。该器件仅提供2.4 GHz操作,最大原始数据速率为54 Mbits / s,链路预算为112 dBm(16 dBm发射器功率输出和-96 dBm接收器灵敏度)。它运行3.3伏电源,Tx峰值电流为320 mA,Rx峰值电流为140 mA。
该装置预装了应用程序软件。开发人员需要先了解他们致力于使用u-blox的s-center工具箱软件进行配置(通过AT命令)。
NINA-W132模块提供了使用802.11i(WPA2)标准和企业安全性的无线链路保护的端到端安全性。

利用开发工具包

虽然模块将节省相当大的硬件成本,并且通常提供经过验证的Wi-Fi(TCP / IP)软件堆栈(通常是应用程序示例),但该解决方案并不总是针对开发人员的目标应用程序进行优化。这种优化通常可以通过转向模块制造商的开发套件来实现。开发工具通常采用组装和测试的开发板来容纳模块。
需要配套微处理器的模块的开发板通常可以连接到基于目标微处理器的开发平台上。开发套件旨在为主处理器提供应用程序编程接口(API),进而为Wi-Fi堆栈提供应用程序编程接口(API),从而简化其他应用程序编码。
例如,Silicon Labs提供了WF111开发套件来评估上述WF111模块。该开发套件包含一个带有WF111模块的组装和测试印刷电路板。它的形状适合标准的SDIO卡插槽。安装完成后,可以使用目标微处理器的评估工具对模块进行评估和评估。一个有用的补充是一个头,允许轻松访问模块调试总线RF认证的目的。
另一个例子是TI的WL1835开发板。这是一个完全组装和测试的印刷电路板,包括WL1801模块,所有外围电路和天线。它可以插入Sitara TMDSICE3359开发板,该开发板具有一个合适的Sitara处理器来驱动WL1801模块。这样的开发设置使得开发者能够测试工作Wi-Fi单元在其目标应用中的性能。

结论

Wi-Fi在物联网无线协议中占有独特的地位,因为它能够支持高数据速率,同时提供与互联网的无缝互操作性。但是,像任何RF技术一样,Wi-Fi从零开始设计起来是复杂的。
对于许多设计师来说,尤其是那些面临较短设计周期的设计师而言,模块可能是更好的选择。它可以来自嵌入式微处理器,也可以与自己喜欢的微处理器相结合,大大简化和加速设计和认证过程。

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