一个将Wi-Fi和蓝牙连接组合在单个器件中的无线模块

在设计电子产品项目或产品时，电子产品经常需要能够与其他设备进行通信。它们需要传输各种各样的数据，从天气信息、医疗数据到可操作的控制命令。我们拥有大量的通信标准可供选择，它们可在使用或不使用线缆的情况下传输信息，我们可以利用这些标准，让设备具备相互通信的能力。我们并不总能轻松在长距离范围内连接多个设备，因而距离可能成为一个限制因素。在这种情况下，使用线缆连接设备可能昂贵而复杂。相反，无线通信提供了更为灵活的解决方案，能够降低开发成本并简化安装。

无线通信通常指使用无线电波进行通信，从几米的短距离到数千公里的长距离，而在深入宇宙的无线电通信中，距离甚至达到数百万公里。无线通信技术还包括光通信、声波通信和电磁感应方法。

无线通信还涉及到多种拓扑。另外，还有使用蓝牙 3.0 及更低版本的点到点设备，它们只与智能手机和蓝牙耳机等其他设备进行一对一直接通信。智能手机通常必须与耳机断开连接，才能与另一部蓝牙设备进行通信。还有点到多点的通信，将主设备与多个其他设备连接。Wi-Fi 和蓝牙 4.0 及更高版本是点到多点连接的实例。

在选择无线通信拓扑时，需要考虑多个问题。

认证

与有线通信技术类似，无线技术也必须符合当地标准。由于无线技术的合规条件更为严格，因此通过认证的难度更大。无线电合规性基于几个基本概念。设备只能在分配给该无线电技术的特定频率下工作。它不应干扰该频率之外的其他设备，也不应被在其他频率范围内工作的其他设备干扰。美国联邦通信委员会 (FCC) 法规第 15 部分对此做出了详细规定。另外还有关于最大发射功率 (EIRP) 的规定，每个频率范围的这项指标都是唯一的。

FCC 是美国的独立机构，负责监管产品通信。如果要销售某种产品，该产品必须符合 FCC 标准，并在产品和包装上显示唯一的 FCC ID。这种情况与欧洲略有不同。自行认证 CE 标志表示产品通过了认证，包含多种统合标准。无线电设备指令 (RED) 就是以前的 R&TTE，该欧洲指令对所有产品使用的频谱做出了规定。与 FCC 合规性类似，CE 标志必须显示在产品上，作为产品符合欧洲市场标准要求的证据。

FCC 和 CE 只是两种主要认证标准。加拿大、澳大利亚、新西兰、中国香港、日本、韩国、亚太区、非洲和南美都有自己的标准，产品必须符合这些标准，才能在这些地区合法销售。

对于制造商而言，遵守不同的地区标准，让每种产品获得我们所说的“型式认可”，会在设计和测试方面产生沉重负担。要开发一种分立无线收发器设计，就需要专业的无线电设计专业知识，还需要在无线电测试设备方面进行投资，这会大幅增加开发新产品的成本和时间。出于这个原因，很多工程团队选择了使用更简单的方法来提供无线连接，既无需应对高速数字电路带来的电磁干扰挑战，也无需满足严格的 EMC 产品法规。

鉴于这一点，在早期产品开发过程中，选择经过预先认证的无线模块通常是一种可取的做法。这样可以确保合理的产品上市速度，不会因为无线电合规性而造成严重延迟。市场上提供的模块可能是可编程的，或者需要外部微控制器/微处理器才能正常工作。很多现成模块还包括嵌入式或板载天线，从而减少了未知因素和可能出现的认证问题。

在开发后期阶段，通常在接近批量生产时，我们才可能尝试开发定制无线解决方案。虽然开发产品和获取相关认证的成本可能非常高，但由于产品是大批量生产的，因此成本可以大幅降低。这样还能确保满足初始生产期限，并在做出进一步投资之前，在市场上推出和测试产品。

选择无线技术

市场上有很多不同的无线通信方法。每种方法都有自身的优势和缺点。在选择可能的模块之前，必须分清哪些技术能够满足正在开发中的产品的需求。下面列出了在选择无线标准时必须考虑的要点：

• 带宽

• 距离

• 安全

• 功率

• 频率

带宽

带宽主要关系到发送多少数据，以及发送数据的频次。Wi-Fi 提供始终在线连接，数据速率在 11 Mbps (802.11b) 至 1.3 Gbps (802.11ac) 之间。蓝牙 3.0 和 4.0 在全功率下提供最高 25 Mbps 的速率，传输距离最长达到 60 米，但不是始终连接。相反，Sigfox 和 LoRa 每 10 分钟仅能传输 12 字节数据，从而降低功耗，最大限度提高电池寿命。

距离

距离涉及发射器和接收器之间的最大距离。有些技术在短距离内性能出色，例如智能蓝牙（以前的低功耗蓝牙）。GPS 等其他技术则可接收数千公里之遥的行星轨道卫星的信号。

安全

在物联网 (IoT) 和其他任何无线设备中，安全都是一大热点话题。通过无线方式将数据从一个点发送至另一个点，会产生安全问题。有些无线技术利用强大的加密功能解决了这个问题，但会缩短电池寿命，还可能减少带宽。监控设备仅捕捉非常基本的数据，例如温度或湿度，也许不值得进行保护。但是，它们也可能成为无线网络中的薄弱环节，为入侵其他更安全设备提供可乘之机。敏感数据，例如信用卡信息，需要更强大的加密。要考虑的重要因素包括：数据的敏感度、同一个网络上的其他设备以及无线标准提供的加密。

功率

在为产品选择合适的模块时，功率也是最重要的因素之一。能效要尽可能的高永远是不二法则，不仅是为了节省电能，还是因为减少发热而延长产品寿命。电池供电型设备与始终连接墙壁插座的设备之间的差异可以显著改变设备工作方式。对于始终通过墙壁插座供电的设备，它们的设计要简单得多。而对于电池供电的无线产品，必须考虑到充电、更换或设计较长使用寿命的电源。最初，更换电池似乎只是举手之劳，但如果客户有几千部设备，例如部署在远程位置的物联网传感器，那么需要的资源和后续成本将是巨大的。

频率

虽然频率非常重要，但在选择无线模块时，它不一定是主要选择标准。但是，在某些特定情况下，特定的频带可能出现饱和，或者产品在特定频带中工作是不合法的。对于本文所述的无线模块，分配的频率都已经明确定义。

GSM、GPRS、EDGE、3G、HSDPA、HSPA+ 和 4G LTE

在数字蜂窝网络中，我们在手机等移动设备上使用过多种不同的名称和技术。我们应该明白，所有技术都是在其他技术基础上演变过来的。通用分组无线服务 (GPRS) 和增强型数据速率 GSM 演进 (EDGE) 是第二代技术，也称为 2G。它们的下载速度分别为 114 Kbps 和 384 Kbps。3G 是第三代无线通信技术，高速下行分组接入 (HSDPA) 则是 3G 的增强技术，3G 的下载速度为 3.1 Mbps，HSDPA 的下载速度为 14 Mbps。增强型高速分组接入 (HSPA+) 是第四代技术，实现高达 168 Mbps 的速度。4G 长期演进 (LTE) 技术支持高清流媒体传输，下载速度高达 299.6 Mbps。

在选择任何 GSM 模块时，要注意的一个关键是它能否确保产品不过时。Sierra Wireless 和 U-blox 都提供了一系列的引脚兼容模块，支持 2G、3G 和 4G 技术。这意味着开发人员只需设计一个 PCB，然后插入所需的模块，即可轻松地集成要在任何地区或无线网络中部署的语音和数据连接。随着网络运营商升级基础设施，他们最终将会决定停止支持 2G 和 3G 等旧技术，只保持像 4G 和即将问世的 5G 这样的网络。

U-blox 提供的 LARA-R204 就是一个蜂窝模块实例。该模块能够在 4 和 13 频段工作，专为在 Verizon LTE 网络上使用而设计，它只是能够支持所有 LTE 网络频段的 LARA-R2 产品系列的一个成员。它能够在单模或多模配置下工作，采用紧凑型 LGA 100 引脚外形尺寸封装，提供多个外设接口选择。图 1 是 LARA-R2 系列的功能框图，其中突出显示了基带处理器上的可用接口、收发器、射频前端和电源管理功能。

图 1：U-blox LARA-R2 功能框图

如果要将任何无线模块集成到产品中时，就必须了解它与主机建立通信的方式，这一点非常重要。UART 和 I2C 是常用的接口方法，但通常需要有额外的可用 IO 端口（例如 GPIO 和 USB），才能添加其他传感器和设备。应该考虑的其他功能包括模块是否支持所需的通信协议（FTP、HTTP 等），以及模块是否具备无线升级固件 (FOTA) 的能力，对于物联网设计而言，这种功能变得日益重要。安全功能（例如加密身份验证和加密技术）是搭建安全通信链路的关键，这一点毋须多言。

这种蜂窝模块的另一个特点是提供两个天线插座和专用收发器前端。控制引脚让主机应用能够实现天线分集功能，基带处理器通过这种功能，确定哪个天线可为特定链路提供最佳蜂窝信号强度和质量。

所有模块功能的配置和控制都通过连接的主机进行，使用行业标准“AT”指令集。该模块还提供一个全面的参考手册，在这里可以找到在 U-blox 蜂窝模块上使用“AT”指令的详细说明。

Wi-Fi 和蓝牙模块

Wi-Fi 和蓝牙是目前最常用的两种无线技术。作为一种将用户连接到局域网和/或访问互联网的方法，Wi-Fi 在几乎每个家庭和企业中都会使用。蓝牙则用于各种各样的低功耗设备，从免提式耳机到无线扬声器、鼠标、键盘、打印机等众多设备。Wi-Fi 适用于局域网上的高速通信，蓝牙则适用于便携式设备。它们通常是互为补充的技术，很多模块同时具备 Wi-Fi 和蓝牙功能。

Silicon Labs 的 WF111 系列就是经过认证的符合 802.11 b/g/n 标准的紧凑型 Wi-Fi 模块的例子，适合广泛的商业、工业和消费应用。该模块能够达到最高 72.2 Mbps 的位数据速率，可为 WEP、WPA 和 WPA2 加密提供硬件支持，还配备了 SDIO 和 CSPI 主机外设接口。该模块带有内部芯片天线或用于外部天线的 U.FL 连接器，具备蓝牙共存功能，允许蓝牙模块与 Wi-Fi 器件同地协作。此功能可确保每个模块能够相互感知，帮助避免同时进行数据传输，因为这样很可能降低链路性能。

Texas Instruments 的 WL1831 是另一个将 Wi-Fi 和蓝牙连接组合在单个器件中的无线模块（图 2）。对于同时需要两种通信方法的设计，这款节省空间的紧凑型模块的外形尺寸仅为 13.3 x 13.4 x 2 mm，并集成了射频收发器、前端滤波器、射频开关以及全面的电源管理功能。它提供两个天线插座，其中一个在 Wi-Fi 和蓝牙收发器之间切换。

图 2：组合了 Wi-Fi 和蓝牙无线模块的 Texas Instruments WL1831。

在电池供电型设计中，特别是要使用 Wi-Fi 时，功耗是我们关注的主要问题，WL1831 提供低于 800 µA 的连接待机功耗，从而解决了这个难题。

LoRa/Sigfox 模块

LoRa 和 Sigfox 是两种相似的无线技术，同时工作在 868 MHz（欧盟）和 902 - 928 MHz（美国）频段。它们之间并无激烈竞争关系，但都是在相同的频率下，以相似的方式工作。它们都作为低功耗广域网 (LPWAN) 方式工作，适用于数据速率较低的广泛网络，这一特点使得它们成为物联网的理想之选。Sigfox 是作为超窄带技术设计的，在 30 - 50 公里的距离上，每十分钟传输 12 字节数据，每天能够接收最多四条消息。相反，LoRa 更多是针对命令和控制场景设计的。它的数据包大小仍然非常小，但可由用户定义。接收数据不受限制，但范围减小为 15 - 20 公里。

越来越多的供应商针对这些协议提供收发器模块。Multi-Tech Systems 的 MultiConnect xDot 模块就是一个例子。这款 LGA 封装器件非常适合欧洲地区的很多物联网应用。它的深度休眠电流小于 2 µA，预期电池寿命能够达到 10 年甚至更长。此外，通过使用引脚复用，可提供功能全面的外设集（图 3）。可以通过使用标准“AT”命令集来实现模块控制，在这种情况下，无需再进行更多编程，或者也可以使用 ARM mbed 开发库。

图 3：复用引脚外设功能的 MultiConnect xDot LoRa 模块。

Sigfox 和 LoRa 同时工作在工业、科研和医疗 (ISM) 无线电频段，这些频段通常是为除电信之外的其他用途保留的。也就是说，仍然有一些模块是为在 ISM 频段中使用而开发的。这些模块通常使用它们自身专有的通信协议。这些频段的最常见频率为 433 MHz、863 MHz 至 870 MHz (EU)、902 至 928 MHz (US)、2.4 GHz 至 2.5 GHz。

网状网络

值得注意的是，某些无线网络不一定在点到点、点到多点系统上工作。有些无线技术，例如 ZigBee、WiMAX 和 Bluetooth Mesh，在多对多网络上工作。这意味着设备不一定必须位于与其通信的设备的传输范围之内，而是可以通过由相似设备构成的网络来传输信号，从而到达更远的最终设备。有些器件非常适合搭建 ZigBee 网状网络，例如 Microchip 的 ATSAMR21G18。除了必需的 2.4 GHz 收发器模块之外，该器件还具备一些全面的加密身份验证功能，最大工作频率为 48 MHz，提供最多 17 个外部 GPIO 引脚。

总结

预先合规模块确定能够为开发和合规性测试节省可观的成本。但是，在将新产品投放到市场之前，仍然需要进一步测试，当然这种测试不会到分立设计的程度。虽然模块本身预先经过了合规性认证，但一旦添加到另一个系统或产品上，它的特性可能受到影响。

为了帮助完成选择过程，Digi-Key 在其网站上提供了无线开发工具产品选型表、物联网产品选型指南和无线参考设计库。