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在物联网设计中使用Wi-Fi模块的当前和未来的优势

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发表于 2018-02-09 11:29:51
电梯直达 确定
楼主

  一个无所不在的物联网(物联网)依赖于无线连接,但无线网络有很多选择,而不是每个设备都是IP地址——这是物联网的必备功能。更重要的是,RF设计本身就很困难。很少有公司具备实现RF和天线设计的适当技能,即使是这样做的时候,也要让设计跟上最新的标准,并通过FCC的遵从性来获得它是费时的。

  对于设计师来说,无线连接和物联网有一个非常可靠和可靠的选择。这个选项是Wi-Fi和模块的使用。这一特性将解释为什么,提供一些设计解决方案,讨论即将到来的IEEE 802.11协议的升级,并展示如何将ZigBee桥连接到Wi-Fi以获取本地IP地址。

  有许多无线接口选项,蓝牙低能量(BLE), ZigBee, Z-Wave, Wi-Fi和RFID,每个都有自己独特的力量平衡,范围,数据速率,网状网络,干扰免疫和易用性。但是,一些接口还没有启用本地ip,因此不能通过Internet直接处理或与其他设备和服务器交换数据。然后需要一个单独的网关,为最终解决方案增加费用和复杂性。

  这就是Wi-Fi的突出之处:它基于ieee802.11标准,具有本地IP地址的能力,是无所不在的,很好理解,并且可以在数据率上很好地扩展,以优化能源消耗。根据无线网络联盟,有超过68亿个安装上网的设备,因此,几率非常高,有一个本地wi - fi接入点可用(图1)。请注意,802.11标准也IPv6兼容,所以几乎是没有限制的唯一地址的数量。

  使用Wi-Fi模块的大量IoT应用程序显示了接口的灵活性和可伸缩性,以及它的普遍性。


在物联网设计中使用Wi-Fi模块的当前和未来的优势

  图1:使用Wi-Fi模块的大量IoT应用程序显示了接口的灵活性和可伸缩性,以及它的普遍性。

  虽然Wi-Fi很普遍,也很容易理解,但它仍然是一个无线的界面,与RF所需要的所有设计的变幻莫测。理解下一步是至关重要的。

  缓解无线发展

  在为物联网应用选择Wi-Fi后,设计师经常面临构建定制RF实现的艰巨挑战,这需要时间、金钱和专业知识。开发无线设备的设计要求包括,至少是直接的集成,以及指定诸如过滤器、放大器、时钟、电容器、电感器、晶体振荡器和需要在板上的天线以及它们的位置等部件的能力。此外,还需要进行网络匹配电路,以确保无线电和天线能够很好地匹配以避免信号丢失。其他知识领域包括系统布局、软件栈开发、设备安全性、连接可靠性、信号干扰和退化,最后但肯定不是最不重要的,FCC认证。

  这个任务是如何在典型的时间内完成的,因为射频设计专业技术并不是每个电子公司都能轻易获得的?增加Wi-Fi功能的一种越来越常见的方式是使用预先打包的模块。这种方法大大简化了过程。模块提供了测试、校准和预先认证的模块供应商的要求标准,因此可以为公司提供快速、便捷的市场途径,从本质上来说,就是一个即插即用的解决方案,减少了对软件开发的需求。更重要的是,在设计集成阶段,设计和构建Wi-Fi模块的制造商可以成为你的RF顾问。

  Wi-Fi模块通常包含两个主要部分:一个Wi-Fi芯片和一个应用程序主机处理器。Wi-Fi系统包括802.11无线物理层(PHY)、基带、媒体访问控制(MAC),以及快速、安全的互联网连接的加密引擎。应用程序主机处理器有内部或外部闪存、ROM和RAM。该模块通常还包括计时器、串行通信接口、模拟比较器、模拟数字转换器(ADC)、数字-模拟转换器(DAC)、晶体振荡器和调试接口。

  电源管理子系统包括集成的DC-DC转换器,支持广泛的电源电压。它支持低功耗模式,如hibernate和实时时钟(RTC)模式。一个模块可以提供一个集成天线或为外部天线提供射频连接器。带有Wi-Fi模块的软件包通常包括一个设备驱动程序、一个集成的802.11安全层,以及一个管理和监控实用程序。

  在设计Wi-Fi IoT解决方案时,首先要了解的是,ieee802.11代表了一套标准,直到最近才在2.4 GHz (IEEE 802.11b/g/n)和5 GHz (IEEE 802.11a/n/ac)无证频带中运行。在评估这些协议时,需要考虑三个关键因素:数据速率、范围和功率需求。当你比较不同的Wi-Fi协议时,802.11b/g的优点是与已安装的设备和电力需求相兼容,而802.11n和802.11ac的优点是多媒体应用的数据吞吐量更高,例如视频流(见表)。

协议频率信号最大数据速率
遗留的802.112.4 GHzFHSS或DSSS2 Mbps
802.11a5 GHzOFDM54 Mbps
802.11b2.4 GHzHR-DSSS11 Mbps
802.11g2.4 GHzOFDM54 Mbps
802.11n2.4或5 GHzOFDM600 Mbps(理论)
802.11ac5 GHz256 - qam1.3 Gbps


  表:不同的Wi-Fi协议和数据速率的摘要显示了IEEE 802.11从早期的2 Mbps到现在的1.3 Gbps的进展。

  然而,在为IoT应用程序设计时,更高的数据速率协议并不总是可取的。即使802.11ac可以使其最高达到1.3 Gbps,大多数嵌入式应用程序(例如,机器到机器[M2M]数据和控制设备)都是受限制的,并且可以通过低得多的数据速率获得。

  选择Wi-Fi的一个更好的理由是,在未来一年左右的时间里,技术升级将使其更有能力。例如,Wi-Fi联盟最近宣布,将使用IEEE 802.11ah技术的产品命名为Wi-Fi HaLow(发音为“halo”)。HaLow将Wi-Fi扩展到900兆赫波段,提供了改进的范围——几乎是当今Wi-Fi的两倍——可扩展的数据速率从150kbps到2.1 Mbps;IEEE 802.11ah还承诺提供低功耗功能,其用例主要用于无线传感器网络,这是一个经典的物联网应用。

  今年2月,在2016年国际固态电路会议(ISSCC)上,荷兰的霍尔斯特中心与比利时的IMEC研究所合作,展示了一种通过亚ghz频段运行Wi-Fi的HaLow发射机。该团队指出,在提供0 dBm输出功率和运行1 V电源时,最大功耗为7.1 mW。这代表了10x功率的减少,与最先进的802.11 OFDM收发器相比。

  同样在开发的还有IEEE 802.11ai,它将提供一个快速的初始链接设置(在不到100毫秒的时间内实现一个安全的链接设置)和IEEE 802.11aq,被开发出来提供一个类似于cellular的自动网络发现体验。


  模块和开发工具

  射频工程可能是一项棘手的业务,特别是对新手来说。认识到这一点,射频硅供应商提供了模块、开发工具包和参考设计,使得向产品添加无线连接更加容易。

  例如,Microchip使用一个由32位控制器驱动的模块,提供一个IoT开发工具包(DM990001)。它使用了两个芯片组件,MRF24WG0MA/B预认证的Wi-Fi模块,支持802.11b和802.11g,以及pic32mx695f512h单片机,内存128 Kbytes, flash 512 kbit。PIC单片机的特点是80 MHz, 105-DMIPS 32位核心,一个USB 2.0的即时(OTG)周边集成的PHY,一个10/100的以太网MAC,和4个专用的直接内存访问(DMA)通道的USB OTG和以太网。

  starter kit是由Amazon Web Services (AWS)提供的,它是一个托管的云平台,可以让连接的设备安全地与云应用程序交互。使用AWS IoT应用程序可以随时跟踪和与所有网络设备进行通信,即使它们没有连接。

  Amazon已经为AWS IoT安装了Quickstart参考部署,旨在展示该平台的一些功能。如果您打算使用Amazon作为您的主机提供商,AWS IoT可能会特别有用。它支持HTTP、web浏览器和web服务器的websocket,以及MQ遥测传输(MQTT),一种用于小型传感器和移动设备的轻量级通信协议,专门设计用于容忍间断连接,最小化设备上的代码占用,并减少网络带宽需求。

  Texas instruments的CC3100MOD Wi-Fi模块是一个完整的平台解决方案,包括各种工具和软件,样本应用程序,用户和编程指南,以及参考设计(图2)。它主要由公司的CC3100R11MRGCWi-Fi网络处理器和电源管理子系统组成。作为公司的SimpleLink Wi-Fi家庭的一部分,CC3100MOD集成了Wi-Fi和Internet的所有协议,减少了主机的MCU软件需求。它还包括所有必需的时钟,SPI闪光,射频滤波器,晶体和被动。

  TI的CC3100MOD旨在简化网络连接的实现。它集成了Wi-Fi和Internet的所有协议,大大降低了主机的MCU软件需求。


在物联网设计中使用Wi-Fi模块的当前和未来的优势

  图2:TI的CC3100MOD旨在简化网络连接的实现。它集成了Wi-Fi和Internet的所有协议,大大降低了主机的MCU软件需求。

  CC3100MOD Wi-Fi网络处理器子系统包含802.11 b/g/n无线电、基带和MAC,并有一个256位的加密引擎用于安全的互联网连接。它还包含一个专用的ARM MCU,完全卸载主机MCU。电源管理子系统包括一个集成的DC-DC转换器,它支持广泛的电源电压。它使低功耗消费模式如hibernate和RTC模式,它要求只有7μA的电流。

  在软件方面,模块包括嵌入式TCP/IP和TLS/SSL安全栈、HTTP服务器和多个Internet协议。设备驱动程序将主机内存占用需求保持在小于7 kb的代码和700字节的RAM中,以便为TCP客户机应用程序提供数据。CC3100MOD IoT模块解决方案也是FCC、IC、CE和Wi-Fi认证。

  STMicroelectronics的SPWF01S Wi-Fi模块是一个即插即用的802.11b/g/n解决方案(图3),它的一侧有一个串行接口,允许与MCUs通信,比如供应商的STM32和STM8。另一边是Wi-Fi无线电收发机。该模块还包括计时时钟和电压调节器。它可配置为嵌入的微2.45 GHz ISM波段天线(SPWF01SA),或与U。用于外部天线连接(SPWF01SC)的FL同轴连接器,因此不需要射频知识进行集成。

  ST SPWF01S串行- wi - fi b/g/n模块的框图。由于低功耗和小的形状因子,它可以用于固定和移动的无线应用。


在物联网设计中使用Wi-Fi模块的当前和未来的优势

  图3:ST SPWF01S串行- wi - fi b/g/n模块的框图。由于低功耗和小的形状因子,它可以用于固定和移动的无线应用。

  SPWF01S采用CE、FCC和IC认证,满足工业温度范围的要求。

  虽然我们关注的是Wi-Fi,但ZigBee无线标准是一种广泛应用的流行选择,它要求低功率、中等范围和灵活的网络,相对容易安装、配置和维护。然而,ZigBee对物联网应用程序缺乏一个关键的要求:本地IP连接。数码网络国际XBee?wi - fi模块填补这一缺口。为了让你开始,该公司的XBee Wi-Fi云套件(xka2B-wft-0)包括一个XBee Wi-Fi (S6B)模块、XBee USB开发板和一个电路板、一个组件包(电阻、继电器、按钮、发光二极管),可以访问Digi的基于云的应用程序,以及所有必要的天线、电源和电缆。Digi的XBee Wi-Fi模块与其他XBee模块共享一个共同的内存空间,这使得不同的XBee技术可以相互替代。

  IoT应用程序依赖于无线连接,但有许多无线协议选项。RF设计本身也很困难,很少有公司具备合适的技术来实现RF和天线设计。即使专业知识是可用的,让设计跟上最新的标准,并通过FCC的遵从性来获得它也是费时的。本文展示了Wi-Fi模块及其相关工具包和参考设计如何能够极大地简化新IoT设备设计人员面临的实现挑战。


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