适用于物联网无线设计的Wi-Fi解决方案

　　物联网 (IoT) 产品的设计人员目前趋向使用基于 Wi-Fi 的无线连接，因为它部署广泛且易于理解。但是，任何类型的射频功能都很复杂，需要进行合规性测试。如果缺乏相应的知识，开发速度可能会减慢，特别是如果设计人员选择从头开始设计射频部分的话。
　　加速设计过程的方法之一，是从许多可用预模块中选择。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 是众多利用 2.4 GHz 工业、科学和医疗 (ISM) 免许可频谱分配的热门无线通信短程射频技术之一。该技术基于 IEEE 802.11 规范，其不同变体具有不同的吞吐量和多种数字编码方法。
　　与低功耗蓝牙（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，它的速度也令人惊叹。从原始数据速率为 11 Mb/s 的版本 802.11b 到 n 版本令人印象深刻的 600 Mb/s，没有其他开放标准 2.4 GHz 技术可与之匹敌。
　　选择哪个 Wi-Fi？
　　Wi-Fi 变体的一个共同之处是所有 Wi-Fi 操作规范均由 Wi-Fi 联盟制定。作为 Wi-Fi 品牌和规范的管理机构，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 5 GHz 频谱分配，通过避免在拥挤的 2.4 GHz 频带中通信，进一步提高吞吐量和减少潜在干扰。缺点是传输范围会缩小，并且障碍穿透性欠佳。（请参见 Digi-Key 文章“比较工业应用中的 2.4 GHz 和 5 GHz 无线局域网”。）Wi-Fi 协议有好几种：IEEE 802.11b/g 在 2.4 GHz 频段工作，IEEE 802.11a/ac 在 5 GHz 频段工作，而 IEEE 802.11n 无线电可在上述两个频段内工作。
　　IEEE 802.11b 于 1999 年采用，提供 5.5 和 11 Mb/s 的数据速率，现在一般只在传统系统中使用。然而，现代 n 版无线电中内置对 b 版的支持，以便现代系统与传统系统配合使用。
　　IEEE 802.11g 于 2003 年采用，使用与原始协议不同的调制技术来实现高达 54 Mb/s 的数据速率。在实际应用中，由于采用前向纠错算法，可用数据速率通常会减半。g 版向后兼容 b 版。
　　IEEE 802.11n 于 2009 年采用，引入了多输入多输出 (MIMO) 天线技术，可对多个同步“空间流”进行编码，将数据速率提高到 216 Mb/s（假设信道宽度为 20 MHz 且发射器采用三个空间流）。802.11n 还通过连接两个 20 MHz 通道，指定了一个 40 MHz 的更宽通道，使吞吐量增加到 450 Mb/s。支持三个空间流的设备仅限于较高端的便携式计算机、平板电脑和接入点 (AP)。支持两个空间流的设备更多，但仍局限于便携式计算机、平板电脑和一代的智能手机。
　　除了在 5 GHz 频段内工作外，IEEE 802.11a 在大多数方面与 g 版相同。数据速率同为 54 Mb/s。目前一般认为 802.11a 是传统协议。
　　IEEE 802.11ac 于 2013 年采用，提供八个空间流和高达 160 MHz 的信道宽度，进一步提高吞吐量。商用产品刚刚进入市场，仍然很昂贵，至少在初阶段，此技术可能仅用于非常高端的消费性产品。
　　2.4 GHz 频段允许分配于 11 个（美国）、13 个（世界其他大部分地区）和 14 个（日本）20 MHz 通道。83 MHz 频宽仅支持三个不重叠的 Wi-Fi 通道（1、6 和 11）（图 1）。
　

　　图 1：2.4 GHz ISM 频段内的 Wi-Fi 通道分配允许三个不重叠的 20 MHz 通道（1、6 和 11）。（图片：Cisco）为了避免相邻 WLAN 使用 11 到 14 个通道中的任何一种而导致冲突，制造商通常会将其设备设计为在非重叠通道中进行通信。例如，在通道 1 中干扰过大的 Wi-Fi 无线电波可以切换到通道 6 或 11，以寻找无干扰的环境。
　　为了协助频谱共享，Wi-Fi 包含争用机制，对使用同一通道的接入点 (AP) 公平分配带宽。在拥挤的通道上运行的 AP 通信时间受限，可接收或发送数据的时间因而会受影响。
　　适用于物联网的 Wi-Fi
　　需要注意的是，基于 IEEE 802.11 规范的 Wi-Fi 仅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)。然而，互联网 Wi-Fi 连接无处不在，其 PHY 和数据链路层通常会集成到一个完整的 TCP/IP 协议栈。该协议栈确保互联网互配性，通常是（但不总是）由 Wi-Fi 连接解决方案供应商提供的软件。本文其余部分将讨论采用 TCP/IP 协议栈的 Wi-Fi 解决方案（图 2）。
　

　　图 2：Wi-Fi 定义了协议栈的物理和数据链路层。供应商通常会以固件形式将这些层与提供互联网互配性的完整 TCP/IP 协议栈集成。（图片：国际理论物理中心）Wi-Fi 作为将智能手机、便携式计算机和个人电脑连接到互联网的关键技术已经占有一席之地，同时它正在迅速多样化，成为物联网的一项基础技术。
　　在互联网互配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提供了令人信服的解决方案。Wi-Fi 物联网传感器无需借助 Ipv6 低功耗无线个人局域网 (6LoWPAN) 等其他复杂的网络层，即可直接连接互联网。
　　Wi-Fi 可作为一种具有成本效益的“网关”，其中基于多协议蓝牙 LE/zigbee/Wi-Fi 片上系统 (SoC) 的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。
　　值得注意的是，低功耗形式的 Wi-Fi 正在兴起。这种命名为“HaLow”的技术基于 IEEE 802.11ah 标准，它充分利用了其他低功耗无线技术使用的超低占空比，地降低了功耗，其功耗预计仅为常规 Wi-Fi 芯片的 1% 左右。HaLow 在 900 MHz ISM 频段中工作，其传输距离增加至当前 Wi-Fi 的将近两倍。但该技术在吞吐量方面有所妥协，据称与蓝牙 LE 的原始数据速率 2 Mb/s 大致相当。
　　加快基于 Wi-Fi 的设计
　　从头开始设计 Wi-Fi 物联网解决方案可降低成本，并提供充分优化无线产品性能的机会。但是设计人员需要拥有相当多的千兆赫频率射频硬件知识，熟悉 TCP/IP 协议，并坚持按照相关标准的合规性规范开展漫长的测试和验证过程。
　　半导体供应商提供的一些有帮助的参考设计，可作为加速开发过程的基础。然而，此类原理图只能视为一个起点；磁性元件、基板、轨道和电路阻抗的微小变化都可能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解决问题。
　　实现令人满意的设计的更快途径是选择一个已完成组装、测试、验证和合规性的模块。这些产品可以迅速融入 Wi-Fi 物联网解决方案，加快产品上市时间。
　　许多芯片供应商提供物联网应用 IEEE 802.11 模块的所有变体及相关开发工具。基本模块通常会集成 WLAN 基带处理器和射频收发器、功率放大器 (PA)、时钟、射频开关、滤波器、无源元件和电源管理。
　　由于基于 Wi-Fi 的 TCP/IP 协议栈是一个难以监控的复杂固件，因此需要能够支持诸如 Linux 或 Android 等操作系统 (OS) 的微处理器资源。管理 Wi-Fi 堆栈的操作系统的常用驱动程序可从硬件提供商处获得，而其他驱动程序（如 WinCE 和一系列实时操作系统所需的驱动程序）通过第三方提供。
　　通常，设计人员需要寻找合适的微处理器、用于形成匹配电路的无源元件以及 2.4 和/或 5 GHz 天线。然而，一些模块解决方案包含嵌入式处理器，还有一些则包含完整的有效解决方案。
　　适用于各种情况的 Wi-Fi 模块
　　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 版本提供互联网连接。该产品仅在 2.4 GHz 下工作，数据速率为 72 Mb/s，链路预算为 114 dBm（17 dBm 发射器功率输出和 -97 dBm 接收器灵敏度）。其电源电压为 1.7 至 3.6 V，Tx 峰值电流为 192 mA，Rx 峰值电流为 88 mA。
　　WF111 包含内置天线（或用于外接天线的连接器），专门用于与外部主机微处理器配合使用。该设备由主机微处理器使用在 1 位或 4 位模式下操作的安全数字输入输出 (SDIO) 接口进行控制。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 将于蓝牙 LE 传感器的近距离范围内使用，因此该产品内置多六条硬件控制线路以管理无线共存。控制线路确保 Wi-Fi 和蓝牙设备协调通信，以避免 Wi-Fi 与蓝牙 LE 设备相近时通常发生的同步数据包传输。此类传输通常会降低链路性能（图 3）。
　

　　图 3：Silicon Labs 的 WF111 包含六条控制线路，确保 Wi-Fi 与蓝牙设备协调通信，进而改进共存。（图片：Silicon Labs）Texas Instruments (TI) 的 WL1801 通过将 IEEE 802.11 a/b/g/n 和蓝牙/蓝牙 LE 收发器集成到同一设备中，进一步与蓝牙紧密结合。由于内置了与 Wi-Fi 和蓝牙协议的互配性，此类模块是上述物联网网关设备的理想解决方案。
　　该设备可在 2.4 和 5 GHz Wi-Fi 下工作，数据速率为 54 Mb/s，链路预算为 115 dBm（18.5 dBm 发射器功率输出和 -96.5 dBm 接收器灵敏度）。其工作电压范围为 2.9 至 4.8 V，Tx 峰值电流为 420 mA，Rx 峰值电流为 85 mA。这些模块经过 FCC、IC、ETSI 和 Telec 。
　　WL1801 配有 Wi-Fi 和蓝牙堆栈，但必须与合适的微处理器、32 kHz 晶体和天线配对使用才能形成完整的解决方案。TI 建议采用其 Sitara 系列的微处理器，例如 AM3351，这是一款能够支持 Linux、Android 或实时操作系统，以及 Wi-Fi 驱动器和 Bluetooth LE 堆栈的 ARM? Cortex?-A8 内核设备。微处理器通过 SDIO 接口驱动 Wi-Fi 操作，通过 UART 驱动蓝牙（图 4）。
　　

　　图 4：虽然 TI 推荐 WL1801 使用一款功能强劲的芯片，例如基于 ARM Cortex A8 的 Sitara 系列，但微处理器选择还是由设计人员决定。（图片：Texas Instruments）Murata 的 LBEE5ZZ1MD 模块通过内置处理器，并预装 Wi-Fi 固件堆栈，进一步提高了集成度。虽然将处理器与无线电匹配可简化流程，但缺点是开发人员受制于模块制造商选择的处理器硬件，并且可能面临不熟悉的开发环境。
　　Murata 模块通过 Wi-Fi b、g 或 n 版本提供互联网连接。该设备仅在 2.4 GHz 下工作，数据速率为 65 Mb/s，链路预算为 100 dBm（2 dBm 发射器功率输出和 -98 dBm 接收器灵敏度）。它采用 3.3 V 电源，Tx 峰值电流为 300 mA，Rx 峰值电流为 45 mA。
　　该模块将 Wi-Fi MAC/基带/无线电与 STMicroelectronics 的 STM32F412 ARM Cortex-M4 微处理器相配对。模块包括板载晶体、匹配电路和 2.4 GHz 天线，可添加外设 32.786 kHz 晶体。STM32F412 处理器包括 UART、SPI、I2C 和其他接口（图 5）。
　　

　　图 5：Murata 的 LBEE5ZZ1MD Wi-Fi 模块集成基于 ARM Cortex M4 的微处理器以及晶体、匹配电路和天线。（图片：Murata）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来说非常有用。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人员走多远的例子。该设备集成了 Wi-Fi 和蓝牙 LE 功能、主机处理器、电源管理、独立 16 Mb 闪存和一个 40 MHz 晶体。
　　互联网连接通过 Wi-Fi 802.11b、g 或 n 版本实现。该设备仅在 2.4 GHz 下工作，原始数据速率为 54 Mb/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）。它采用 3.3 V 电源，Tx 峰值电流为 320 mA，Rx 峰值电流为 140 mA。
　　该装置预装应用软件。开发人员需预先了解的是，必须使用 u-blox 的 s-center 工具箱软件进行配置（通过 AT 命令）。
　　NINA-W132 模块使用 802.11i (WPA2) 标准和企业安全功能，提供无线链路保护的端到端安全性。
　　善用开发套件
　　虽然模块将省去大量硬件工作，并且通常提供经验证的 Wi-Fi (TCP/IP) 软件堆栈（通常还包括应用示例），但解决方案并不见得已针对开发人员的目标应用进行优化。此类优化通常可以通过采用模块制造商的开发套件来实现。开发工具通常以容纳模块的经组装和测试的开发板形式呈现。
　　需配备微处理器的模块的开发板通常可连接到基于目标微处理器的开发平台。开发套件旨在为主机处理器提供应用程序编程接口 (API)，并转而提供给 Wi-Fi 堆栈，从而简化其他应用程序编码。
　　例如，Silicon Labs 提供 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 模块的经组装和测试的印刷电路板。它的形状适合标准 SDIO 卡插槽。安装后，可使用目标微处理器的评估工具使用和评估模块。针座是一种实用附件，可帮助轻松访问模块调试总线以进行 RF 。
　　另一个例子是 TI 的 WL1835 开发板。这是一块经充分组装和测试的印刷电路板，由 WL1801 模块、所有外围电路和天线组成。它可以插入 Sitara TMDSICE3359 开发板，该开发板采用一个合适的 Sitara 处理器来驱动 WL1801 模块。此类开发设置使开发人员能够测试运行中的 Wi-Fi 装置在其目标应用中的性能。
　　总结
　　Wi-Fi 不仅能支持高数据速率，同时提供与互联网的无缝互配性，因此在物联网无线协议中占据独特地位。但是，与任何 RF 技术一样，从零开始设计 Wi-Fi 很复杂。
　　对于许多设计人员来说，尤其是那些面临较短设计周期的设计人员，模块可能是更好的选择。它可以搭配嵌入式微处理器，也可以结合设计人员偏好的微处理器，从而大大简化和加速设计及过程。