Wi-Fi模块在物联网设计中的优势介绍

无处不在的物联网（IoT）依赖于无线连接，但是有许多无线选项，并非每个设备都是IP可寻址的 - 这是物联网的必备功能。更重要的是，RF设计本来就很困难。很少有公司具备实施射频和天线设计的适当技能，即使完成后，保持该设计与最新标准保持同步并通过FCC合规也是非常耗时的。

对于设计师来说，对于无线连接和物联网，有一个非常可靠且经过验证的选项。该选项是Wi-Fi和模块的使用。此功能将解释为什么，提供一些设计解决方案，讨论即将到来的IEEE 802.11协议升级，并展示如何将ZigBee桥接到Wi-Fi以实现本机IP寻址。

有许多无线接口选项，蓝牙低功耗（BLE），ZigBee，Z-Wave，Wi-Fi和RFID，每个都有自己独特的功率，范围，数据速率，网状网络，抗干扰性和易用性平衡。但是，某些接口尚未启用本机IP，因此无法直接寻址或通过Internet与其他设备和服务器交换数据。这些需要一个单独的网关，为最终解决方案增加了费用和复杂性。

这就是Wi-Fi引人注目的地方：它基于具有原生IP寻址能力的IEEE 802.11标准，无处不在，易于理解，并且可以在数据速率方面很好地扩展以优化功耗。据Wi-Fi联盟称，已安装超过68亿台支持Wi-Fi的设备，因此可用的本地Wi-Fi接入点的可能性非常高（图1）。另请注意，802.11标准也符合IPv6标准，因此对唯一地址的数量几乎没有限制。

图1：广泛的物联网使用Wi-Fi模块的应用程序显示了界面的灵活性和可扩展性，以及它的普遍性。 （来源：Tektronix。）

虽然Wi-Fi广泛且易于理解，但它仍然是一个无线接口，具有RF所需的所有变幻莫测的设计。了解后续步骤至关重要。

缓解无线开发

为物联网应用选择Wi-Fi后，设计人员经常面临构建自定义RF实施的艰巨挑战，这需要时间，金钱和专业知识。开发无线设备的设计要求至少包括直接RFIC集成以及指定滤波器，放大器，时钟，电容器，电感器，晶体振荡器以及需要在板上的天线等组件的能力。作为他们的位置。还需要网络匹配电路，以确保无线电和天线匹配良好，以避免信号丢失。其他知识领域包括系统布局，软件堆栈开发，设备安全性，连接可靠性，信号干扰和降级，以及最后但并非最不重要的FCC认证。

如何在典型的上市时间内完成此任务鉴于RF设计专业知识不是每个电子公司都可以获得的参数？添加Wi-Fi功能的一种越来越常见的方法是使用预先打包的模块。这种方法大大简化了流程。模块供应商提供的测试，校准和预认证模块符合要求的标准，因此可以为公司提供快速，便捷的上市途径，基本上是即插即用的解决方案，减少了对模块的需求。软件开发。更重要的是，设计和构建Wi-Fi模块的制造商可以在设计集成阶段成为您的RF顾问。

Wi-Fi模块通常包含两个主要部分：Wi-Fi芯片和应用主机处理器。 Wi-Fi子系统包括802.11无线电物理层（PHY），基带，媒体访问控制（MAC），以及可能用于快速，安全的互联网连接的加密引擎。应用程序主机处理器具有内部或外部闪存，ROM和RAM。该模块通常还带有用于定时器，串行通信接口，模拟比较器，模数转换器（ADC），数模转换器（DAC），晶体振荡器和调试接口的I/O.

电源管理子系统包括支持各种电源电压的集成DC-DC转换器。它支持低功耗模式，例如具有实时时钟（RTC）模式的休眠模式。模块可以提供集成天线或为外部天线提供RF连接器。 Wi-Fi模块附带的软件包通常包括设备驱动程序，集成的802.11安全层以及管理和监控实用程序。

在设计Wi-Fi物联网解决方案时，起点是理解IEEE 802.11代表一系列标准，直到最近才在2.4 GHz（IEEE 802.11b/g/n）和5 GHz（IEEE 802.11a/n/ac）免许可频段中运行。评估这些协议时需要考虑三个关键因素：数据速率，范围和功率要求。当您比较不同的Wi-Fi协议时，802.11b/g具有与已安装设备和功率要求兼容的优势，而802.11n和802.11ac具有更高的数据吞吐量，可用于视频流等多媒体应用（见表）。

协议

频率

信号

最高数据速率

传统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（理论上）

802.11ac

5 GHz

256-QAM

1.3 Gbps

表：不同Wi-Fi协议和数据速率的摘要显示了IEEE 802.11的进展它的早期目前是2 Mbps到1.3 Gbps。 （来源：英特尔公司）

然而，在设计物联网应用时，更高的数据速率协议并不总是更可取。尽管802.11ac可以将其转换为最高1.3 Gbps，但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）都受到功率限制，并且可以以更低的数据速率运行。

选择Wi-Fi的另一个好理由是，在未来一年左右的时间内，技术升级将使其更加强大。例如，Wi-Fi联盟最近宣布推出采用IEEE 802.11ah技术的产品的Wi-Fi HaLow（发音为“halo”）。 HaLow将Wi-Fi扩展到900 MHz频段，并提供了改进的范围 - 几乎是当今Wi-Fi的两倍 - 可扩展的数据速率从150 Kbps到2.1 Mbps; IEEE 802.11ah还承诺提供低功耗特性，其用例主要用于无线传感器网络，这是一种经典的物联网应用。

2月，在2016年国际固态电路会议（ISSCC）上，荷兰霍尔斯特中心与比利时IMEC研究所合作，展示了一款HaLow发射机在亚GHz频段上运行Wi-Fi。该团队表示，当提供0 dBm输出功率并使用1 V电源供电时，最大功耗为7.1 mW。与最先进的802.11 OFDM收发器相比，功耗降低了10倍。

同样正在开发的是IEEE 802.11ai，它将提供快速初始链路设置（在更少的情况下实现安全链路设置）正在开发以提供类似蜂窝的自动网络发现体验。

模块和开发套件

RF工程可能是一项棘手的业务，尤其是100 ms）和IEEE 802.11aq。对于该学科的新手。认识到这一点，RF芯片供应商正在提供模块，开发套件和参考设计，使产品的无线连接更容易。

例如，Microchip使用由32位控制器驱动的模块提供物联网开发套件（DM990001）。它采用两个Microchip组件，MRF24WG0MA/B预认证Wi-Fi模块，支持802.11b和802.11g，PIC32MX695F512H微控制器具有128 KB RAM和512 Kbits闪存。 PIC MCU具有80 MHz，105-DMIPS 32位内核，带有集成PHY的USB 2.0 On-The-Go（OTG）外设，10/100以太网MAC和4个专用直接存储器访问（DMA）通道USB OTG和以太网。

入门套件由亚马逊网络服务（AWS）提供支持，这是一个托管云平台，可让连接的设备与云应用程序安全地交互。使用AWS IoT应用程序可以随时跟踪所有联网设备并与之通信，即使它们未连接也是如此。

亚马逊为其AWS IoT组建了Quickstart参考部署，其设计目的是展示该平台的一些功能。如果您计划将Amazon用作托管服务提供商，则AWS IoT会特别有用。它支持HTTP，Web浏览器和Web服务器的WebSockets，以及MQ遥测传输（MQTT），这是一种轻型通信协议，适用于小型传感器和移动设备，专门用于容忍间歇性连接，最大限度地减少设备上的代码占用空间，并降低网络带宽要求。

德州仪器的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，示例应用程序，用户和编程指南以及参考设计（图2）。它主要由公司的CC3100R11MRGC Wi-Fi网络处理器和电源管理子系统组成。作为公司SimpleLink Wi-Fi系列的一部分，CC3100MOD集成了Wi-Fi和Internet的所有协议，降低了主机MCU软件的要求。它还包括所有必需的时钟，SPI闪存，RF滤波器，晶体和无源器件。

图2：TI的CC3100MOD旨在简化互联网的实施连接。它集成了Wi-Fi和互联网的所有协议，大大降低了主机MCU软件的要求。

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有一个256位加密引擎，用于安全的Internet连接。它还包含一个专用的ARM MCU，可完全卸载主机MCU。电源管理子系统包括一个集成的DC-DC转换器，支持各种电源电压。它支持低功耗模式，例如采用RTC模式的休眠模式，仅需要大约7μA的电流。

在软件方面，该模块包括嵌入式TCP/IP和TLS/SSL安全堆栈，HTTP服务器和多个Internet协议。对于TCP客户端应用程序，设备驱动程序将主机内存占用要求保持在小于7千字节的代码和700字节的RAM中。 CC3100MOD物联网模块解决方案还通过了FCC，IC，CE和Wi-Fi认证。

STMicroelectronics的SPWF01S Wi-Fi模块是一种即插即用的802.11b/g/n解决方案（图3）。它的一侧有一个串行接口，允许与供应商的STM32和STM8等MCU进行通信。另一方面是Wi-Fi收发器。该模块还包含定时时钟和稳压器。它可以配置嵌入式微型2.45 GHz ISM波段天线（SPWF01SA），也可以配置U.FL同轴连接器用于外部天线连接（SPWF01SC），因此集成无需RF知识。

图3：ST SPWF01S串口到Wi-Fi b/g/n模块的框图。它具有低功耗和小外形尺寸，可用于固定和移动无线应用。

SPWF01S具有CE，FCC和IC认证，符合工业温度范围要求。

虽然我们专注于Wi-Fi，但ZigBee无线标准是广泛应用的流行选择，这些应用需要相对容易安装，配置和维护的低功耗，中等范围和灵活的网络。然而，ZigBee对物联网应用缺乏关键要求：本地IP连接。 Digi International的XBee ® Wi-Fi模块填补了这一空白。为了帮助您入门，该公司的XBee Wi-Fi云套件（xka2B-wft-0）包括XBee Wi-Fi（S6B）模块，带面包板的XBee USB开发板，组件包（电阻器，继电器，按钮，LED） ，访问Digi的基于云的应用程序以及所有必需的天线，电源和电缆。 Digi的XBee Wi-Fi模块与其他XBee模块共享占用空间，允许不同的XBee技术相互替代。

IoT应用依赖于无线连接，但有许多无线协议选项。射频设计本身也很困难，很少有公司具备实施射频和天线设计的适当技能。即使可以获得专业知识，使设计保持最新的最新标准并通过FCC合规也很费时间。本文展示了Wi-Fi模块及其相关套件和参考设计如何能够显着简化新物联网设备设计人员面临的实施挑战。