物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員目前趨向使用基于 Wi-Fi 的無線連接，因?yàn)樗渴饛V泛且易于理解。但是，任何類型的射頻功能都很復(fù)雜，需要進(jìn)行合規(guī)性測(cè)試。如果缺乏相應(yīng)的專業(yè)知識(shí)，開發(fā)速度可能會(huì)減慢，特別是如果設(shè)計(jì)人員選擇從頭開始設(shè)計(jì)射頻部分的話。

加速設(shè)計(jì)過程的方法之一，是從許多可用預(yù)認(rèn)證模塊中選擇。為此，本文將在介紹如何使用模塊和相關(guān)設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)產(chǎn)品之前，討論 Wi-Fi 在無線應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

為什么選擇 Wi-Fi？

Wi-Fi 是眾多利用 2.4 GHz 工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 免許可頻譜分配的熱門無線通信短程射頻技術(shù)之一。該技術(shù)基于 IEEE 802.11 規(guī)范，其不同變體具有不同的吞吐量和多種數(shù)字編碼方法。

與低功耗藍(lán)牙（藍(lán)牙 LE）和 Zigbee 等技術(shù)相比，它相對(duì)耗電、昂貴且需要相當(dāng)多的處理器資源。然而，它的速度也令人驚嘆。從原始數(shù)據(jù)速率為 11 Mb/s 的最低版本 802.11b 到 n 版本令人印象深刻的 600 Mb/s，沒有其他開放標(biāo)準(zhǔn) 2.4 GHz 技術(shù)可與之匹敵。

選擇哪個(gè) Wi-Fi？

Wi-Fi 變體的一個(gè)共同之處是所有 Wi-Fi 操作規(guī)范均由 Wi-Fi 聯(lián)盟制定。作為 Wi-Fi 品牌和規(guī)范的管理機(jī)構(gòu)，該聯(lián)盟確定 Wi-Fi 局域網(wǎng) (LAN) 使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、加密技術(shù)、頻率、數(shù)據(jù)包配置和子協(xié)議。

重要的是，Wi-Fi 也可以利用 5 GHz 頻譜分配，通過避免在擁擠的 2.4 GHz 頻帶中通信，進(jìn)一步提高吞吐量和減少潛在干擾。缺點(diǎn)是傳輸范圍會(huì)縮小，并且障礙穿透性欠佳。（請(qǐng)參見 Digi-Key 文章“比較工業(yè)應(yīng)用中的 2.4 GHz 和 5 GHz 無線局域網(wǎng)”。）

Wi-Fi 協(xié)議有好幾種：IEEE 802.11b/g 在 2.4 GHz 頻段工作，IEEE 802.11a/ac 在 5 GHz 頻段工作，而 IEEE 802.11n 無線電可在上述兩個(gè)頻段內(nèi)工作。

IEEE 802.11b 于 1999 年采用，提供 5.5 和 11 Mb/s 的數(shù)據(jù)速率，現(xiàn)在一般只在傳統(tǒng)系統(tǒng)中使用。然而，現(xiàn)代 n 版無線電中內(nèi)置對(duì) b 版的支持，以便現(xiàn)代系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)配合使用。

IEEE 802.11g 于 2003 年采用，使用與原始協(xié)議不同的調(diào)制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高達(dá) 54 Mb/s 的數(shù)據(jù)速率。在實(shí)際應(yīng)用中，由于采用前向糾錯(cuò)算法，可用數(shù)據(jù)速率通常會(huì)減半。g 版向后兼容 b 版。

IEEE 802.11n 于 2009 年采用，引入了多輸入多輸出 (MIMO) 天線技術(shù)，可對(duì)多個(gè)同步“空間流”進(jìn)行編碼，將數(shù)據(jù)速率提高到 216 Mb/s（假設(shè)信道寬度為 20 MHz 且發(fā)射器采用三個(gè)空間流）。802.11n 還通過連接兩個(gè) 20 MHz 通道，指定了一個(gè) 40 MHz 的更寬通道，使吞吐量增加到 450 Mb/s。支持三個(gè)空間流的設(shè)備僅限于較高端的便攜式計(jì)算機(jī)、平板電腦和接入點(diǎn) (AP)。支持兩個(gè)空間流的設(shè)備更多，但仍局限于便攜式計(jì)算機(jī)、平板電腦和最新一代的智能手機(jī)。

除了在 5 GHz 頻段內(nèi)工作外，IEEE 802.11a 在大多數(shù)方面與 g 版相同。最大數(shù)據(jù)速率同為 54 Mb/s。目前一般認(rèn)為 802.11a 是傳統(tǒng)協(xié)議。

IEEE 802.11ac 于 2013 年采用，提供八個(gè)空間流和高達(dá) 160 MHz 的信道寬度，進(jìn)一步提高吞吐量。商用產(chǎn)品剛剛進(jìn)入市場(chǎng)，仍然很昂貴，至少在最初階段，此技術(shù)可能僅用于非常高端的消費(fèi)性產(chǎn)品。

2.4 GHz 頻段允許分配于 11 個(gè)（美國(guó)）、13 個(gè)（世界其他大部分地區(qū)）和 14 個(gè)（日本）20 MHz 通道。83 MHz 頻寬僅支持三個(gè)不重疊的 Wi-Fi 通道（1、6 和 11）（圖 1）。

圖 1：2.4 GHz ISM 頻段內(nèi)的 Wi-Fi 通道分配允許三個(gè)不重疊的 20 MHz 通道（1、6 和 11）。（圖片來源：Cisco）

為了避免相鄰 WLAN 使用 11 到 14 個(gè)通道中的任何一種而導(dǎo)致沖突，制造商通常會(huì)將其設(shè)備設(shè)計(jì)為在非重疊通道中進(jìn)行通信。例如，在通道 1 中干擾過大的 Wi-Fi 無線電波可以切換到通道 6 或 11，以尋找無干擾的環(huán)境。

為了協(xié)助頻譜共享，Wi-Fi 包含爭(zhēng)用機(jī)制，對(duì)使用同一通道的接入點(diǎn) (AP) 公平分配帶寬。在擁擠的通道上運(yùn)行的 AP 通信時(shí)間受限，可接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間因而會(huì)受影響。

適用于物聯(lián)網(wǎng)的 Wi-Fi

需要注意的是，基于 IEEE 802.11 規(guī)范的 Wi-Fi 僅定義了通信協(xié)議的物理層 (PHY) 和數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層包括媒體訪問控制 (MAC) 和邏輯鏈路控制 (LLC)。然而，互聯(lián)網(wǎng) Wi-Fi 連接無處不在，其 PHY 和數(shù)據(jù)鏈路層通常會(huì)集成到一個(gè)完整的 TCP/IP 協(xié)議棧。該協(xié)議棧確保互聯(lián)網(wǎng)互配性，通常是（但不總是）由 Wi-Fi 連接解決方案供應(yīng)商提供的軟件。本文其余部分將討論采用 TCP/IP 協(xié)議棧的 Wi-Fi 解決方案（圖 2）。

圖 2：Wi-Fi 定義了協(xié)議棧的物理和數(shù)據(jù)鏈路層。供應(yīng)商通常會(huì)以固件形式將這些層與提供互聯(lián)網(wǎng)互配性的完整 TCP/IP 協(xié)議棧集成。（圖片來源：國(guó)際理論物理中心）

Wi-Fi 作為將智能手機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)和個(gè)人電腦連接到互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)占有一席之地，同時(shí)它正在迅速多樣化，成為物聯(lián)網(wǎng)的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)。

在互聯(lián)網(wǎng)互配性和吞吐量比功耗更重要的情況下，Wi-Fi 驅(qū)動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備為直接從無線傳感器向互聯(lián)網(wǎng)傳遞信息提供了令人信服的解決方案。Wi-Fi 物聯(lián)網(wǎng)傳感器無需借助 Ipv6 低功耗無線個(gè)人局域網(wǎng) (6LoWPAN) 等其他復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)層，即可直接連接互聯(lián)網(wǎng)。

Wi-Fi 可作為一種具有成本效益的“網(wǎng)關(guān)”，其中基于多協(xié)議藍(lán)牙 LE/zigbee/Wi-Fi 片上系統(tǒng) (SoC) 的單元匯聚來自多個(gè)低功率無線傳感器的數(shù)據(jù)，并將此信息轉(zhuǎn)發(fā)給云端。

值得注意的是，低功耗形式的 Wi-Fi 正在興起。這種命名為“HaLow”的技術(shù)基于 IEEE 802.11ah 標(biāo)準(zhǔn)，它充分利用了其他低功耗無線技術(shù)使用的超低占空比，最大程度地降低了功耗，其功耗預(yù)計(jì)僅為常規(guī) Wi-Fi 芯片的 1% 左右。HaLow 在 900 MHz ISM 頻段中工作，其傳輸距離增加至當(dāng)前 Wi-Fi 的將近兩倍。但該技術(shù)在吞吐量方面有所妥協(xié)，據(jù)稱與藍(lán)牙 LE 的最大原始數(shù)據(jù)速率 2 Mb/s 大致相當(dāng)。

加快基于 Wi-Fi 的設(shè)計(jì)

從頭開始設(shè)計(jì) Wi-Fi 物聯(lián)網(wǎng)解決方案可降低成本，并提供充分優(yōu)化無線產(chǎn)品性能的機(jī)會(huì)。但是設(shè)計(jì)人員需要擁有相當(dāng)多的千兆赫頻率射頻硬件專業(yè)知識(shí)，熟悉 TCP/IP 協(xié)議，并堅(jiān)持按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)性認(rèn)證規(guī)范開展漫長(zhǎng)的測(cè)試和驗(yàn)證過程。

半導(dǎo)體供應(yīng)商提供的一些有幫助的參考設(shè)計(jì)，可作為加速開發(fā)過程的基礎(chǔ)。然而，此類原理圖只能視為一個(gè)起點(diǎn)；磁性元件、基板、軌道和電路阻抗的微小變化都可能對(duì)性能產(chǎn)生重大影響，并且通常需要進(jìn)行多次設(shè)計(jì)迭代才能解決問題。

實(shí)現(xiàn)令人滿意的設(shè)計(jì)的更快途徑是選擇一個(gè)已完成組裝、測(cè)試、驗(yàn)證和合規(guī)性認(rèn)證的模塊。這些產(chǎn)品可以迅速融入 Wi-Fi 物聯(lián)網(wǎng)解決方案，加快產(chǎn)品上市時(shí)間。

許多芯片供應(yīng)商提供物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用 IEEE 802.11 模塊的所有變體及相關(guān)開發(fā)工具。基本模塊通常會(huì)集成 WLAN 基帶處理器和射頻收發(fā)器、功率放大器 (PA)、時(shí)鐘、射頻開關(guān)、濾波器、無源元件和電源管理。

由于基于 Wi-Fi 的 TCP/IP 協(xié)議棧是一個(gè)難以監(jiān)控的復(fù)雜固件，因此需要能夠支持諸如 Linux 或 Android 等高級(jí)操作系統(tǒng) (OS) 的微處理器資源。管理 Wi-Fi 堆棧的操作系統(tǒng)的常用驅(qū)動(dòng)程序可從硬件提供商處獲得，而其他驅(qū)動(dòng)程序（如 WinCE 和一系列實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)所需的驅(qū)動(dòng)程序）通過第三方提供。

通常，設(shè)計(jì)人員需要尋找合適的微處理器、用于形成匹配電路的無源元件以及 2.4 和/或 5 GHz 天線。然而，一些模塊解決方案包含嵌入式處理器，還有一些則包含完整的有效解決方案。

適用于各種情況的 Wi-Fi 模塊

Silicon Labs 的 Bluegiga 品牌 WF111 就是一個(gè)為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（如銷售點(diǎn)終端、遠(yuǎn)程安全攝像頭和醫(yī)療傳感器）設(shè)計(jì)的低成本 Wi-Fi 模塊的好例子。該設(shè)備通過 Wi-Fi b、g 或 n 版本提供互聯(lián)網(wǎng)連接。該產(chǎn)品僅在 2.4 GHz 下工作，最大數(shù)據(jù)速率為 72 Mb/s，鏈路預(yù)算為 114 dBm（17 dBm 發(fā)射器功率輸出和 -97 dBm 接收器靈敏度）。其電源電壓為 1.7 至 3.6 V，Tx 峰值電流為 192 mA，Rx 峰值電流為 88 mA。

WF111 包含內(nèi)置天線（或用于外接天線的連接器），專門用于與外部主機(jī)微處理器配合使用。該設(shè)備由主機(jī)微處理器使用在 1 位或 4 位模式下操作的安全數(shù)字輸入輸出 (SDIO) 接口進(jìn)行控制。SDIO 接口允許主機(jī)微處理器直接訪問 IEEE 802.11 功能。

由于芯片供應(yīng)商預(yù)計(jì) WF111 將于藍(lán)牙 LE 傳感器的近距離范圍內(nèi)使用，因此該產(chǎn)品內(nèi)置最多六條硬件控制線路以管理無線共存。控制線路確保 Wi-Fi 和藍(lán)牙設(shè)備協(xié)調(diào)通信，以避免 Wi-Fi 與藍(lán)牙 LE 設(shè)備相近時(shí)通常發(fā)生的同步數(shù)據(jù)包傳輸。此類傳輸通常會(huì)降低鏈路性能（圖 3）。

圖 3：Silicon Labs 的 WF111 包含六條控制線路，確保 Wi-Fi 與藍(lán)牙設(shè)備協(xié)調(diào)通信，進(jìn)而改進(jìn)共存。（圖片來源：Silicon Labs）

Texas Instruments (TI) 的 WL1801 通過將 IEEE 802.11 a/b/g/n 和藍(lán)牙/藍(lán)牙 LE 收發(fā)器集成到同一設(shè)備中，進(jìn)一步與藍(lán)牙緊密結(jié)合。由于內(nèi)置了與 Wi-Fi 和藍(lán)牙協(xié)議的互配性，此類模塊是上述物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的理想解決方案。

該設(shè)備可在 2.4 和 5 GHz Wi-Fi 下工作，最大數(shù)據(jù)速率為 54 Mb/s，鏈路預(yù)算為 115 dBm（18.5 dBm 發(fā)射器功率輸出和 -96.5 dBm 接收器靈敏度）。其工作電壓范圍為 2.9 至 4.8 V，Tx 峰值電流為 420 mA，Rx 峰值電流為 85 mA。這些模塊經(jīng)過 FCC、IC、ETSI 和 Telec 認(rèn)證。

WL1801 配有 Wi-Fi 和藍(lán)牙堆棧，但必須與合適的微處理器、32 kHz 晶體和天線配對(duì)使用才能形成完整的解決方案。TI 建議采用其 Sitara 系列的微處理器，例如 AM3351，這是一款能夠支持 Linux、Android 或?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，以及 Wi-Fi 驅(qū)動(dòng)器和 Bluetooth LE 堆棧的 ARM? Cortex?-A8 內(nèi)核設(shè)備。微處理器通過 SDIO 接口驅(qū)動(dòng) Wi-Fi 操作，通過 UART 驅(qū)動(dòng)藍(lán)牙（圖 4）。

圖 4：雖然 TI 推薦 WL1801 使用一款功能強(qiáng)勁的芯片，例如基于 ARM Cortex A8 的 Sitara 系列，但微處理器選擇還是由設(shè)計(jì)人員決定。（圖片來源：Texas Instruments）

Murata 的 LBEE5ZZ1MD 模塊通過內(nèi)置處理器，并預(yù)裝 Wi-Fi 固件堆棧，進(jìn)一步提高了集成度。雖然將處理器與無線電匹配可簡(jiǎn)化流程，但缺點(diǎn)是開發(fā)人員受制于模塊制造商選擇的處理器硬件，并且可能面臨不熟悉的開發(fā)環(huán)境。

Murata 模塊通過 Wi-Fi b、g 或 n 版本提供互聯(lián)網(wǎng)連接。該設(shè)備僅在 2.4 GHz 下工作，最大數(shù)據(jù)速率為 65 Mb/s，鏈路預(yù)算為 100 dBm（2 dBm 發(fā)射器功率輸出和 -98 dBm 接收器靈敏度）。它采用 3.3 V 電源，Tx 峰值電流為 300 mA，Rx 峰值電流為 45 mA。

該模塊將 Wi-Fi MAC/基帶/無線電與 STMicroelectronics 的 STM32F412 ARM Cortex-M4 核心微處理器相配對(duì)。模塊包括板載晶體、匹配電路和 2.4 GHz 天線，可添加外設(shè) 32.786 kHz 晶體。STM32F412 處理器包括 UART、SPI、I2C 和其他接口（圖 5）。

圖 5：Murata 的 LBEE5ZZ1MD Wi-Fi 模塊集成基于 ARM Cortex M4 的微處理器以及晶體、匹配電路和天線。（圖片來源：Murata）

該模塊附帶一個(gè) TCP/IP 協(xié)議棧和一個(gè) Electric Imp 操作系統(tǒng)，用于連接到 Electric Imp 云服務(wù)。這對(duì)于尚不熟悉第三方云服務(wù)提供商以及如何上傳和訪問數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)人員來說非常有用。Electric Imp 開發(fā)中心網(wǎng)站提供開發(fā)指導(dǎo)。

u-blox 的 NINA W132 是一個(gè)模塊化解決方案可以讓設(shè)計(jì)人員走多遠(yuǎn)的例子。該設(shè)備集成了 Wi-Fi 和藍(lán)牙 LE 功能、主機(jī)處理器、電源管理、獨(dú)立 16 Mb 閃存和一個(gè) 40 MHz 晶體。

互聯(lián)網(wǎng)連接通過 Wi-Fi 802.11b、g 或 n 版本實(shí)現(xiàn)。該設(shè)備僅在 2.4 GHz 下工作，最大原始數(shù)據(jù)速率為 54 Mb/s，鏈路預(yù)算為 112 dBm（16 dBm 發(fā)射器功率輸出和 -96 dBm 接收器靈敏度）。它采用 3.3 V 電源，Tx 峰值電流為 320 mA，Rx 峰值電流為 140 mA。

該裝置預(yù)裝應(yīng)用軟件。開發(fā)人員需預(yù)先了解的是，必須使用 u-blox 的 s-center 工具箱軟件進(jìn)行配置（通過 AT 命令）。

NINA-W132 模塊使用 802.11i (WPA2) 標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)安全功能，提供無線鏈路保護(hù)的端到端安全性。

善用開發(fā)套件

雖然模塊將省去大量硬件工作，并且通常提供經(jīng)驗(yàn)證的 Wi-Fi (TCP/IP) 軟件堆棧（通常還包括應(yīng)用示例），但解決方案并不見得已針對(duì)開發(fā)人員的目標(biāo)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。此類優(yōu)化通常可以通過采用模塊制造商的開發(fā)套件來實(shí)現(xiàn)。開發(fā)工具通常以容納模塊的經(jīng)組裝和測(cè)試的開發(fā)板形式呈現(xiàn)。

需配備微處理器的模塊的開發(fā)板通常可連接到基于目標(biāo)微處理器的開發(fā)平臺(tái)。開發(fā)套件旨在為主機(jī)處理器提供應(yīng)用程序編程接口 (API)，并轉(zhuǎn)而提供給 Wi-Fi 堆棧，從而簡(jiǎn)化其他應(yīng)用程序編碼。

例如，Silicon Labs 提供 WF111 開發(fā)套件來評(píng)估上述 WF111 模塊。該開發(fā)套件包含一個(gè)帶有 WF111 模塊的經(jīng)組裝和測(cè)試的印刷電路板。它的形狀適合標(biāo)準(zhǔn) SDIO 卡插槽。安裝后，可使用目標(biāo)微處理器的評(píng)估工具使用和評(píng)估模塊。針座是一種實(shí)用附件，可幫助輕松訪問模塊調(diào)試總線以進(jìn)行 RF 認(rèn)證。

另一個(gè)例子是 TI 的 WL1835 開發(fā)板。這是一塊經(jīng)充分組裝和測(cè)試的印刷電路板，由 WL1801 模塊、所有外圍電路和天線組成。它可以插入 Sitara TMDSICE3359 開發(fā)板，該開發(fā)板采用一個(gè)合適的 Sitara 處理器來驅(qū)動(dòng) WL1801 模塊。此類開發(fā)設(shè)置使開發(fā)人員能夠測(cè)試運(yùn)行中的 Wi-Fi 裝置在其目標(biāo)應(yīng)用中的性能。

總結(jié)

Wi-Fi 不僅能支持高數(shù)據(jù)速率，同時(shí)提供與互聯(lián)網(wǎng)的無縫互配性，因此在物聯(lián)網(wǎng)無線協(xié)議中占據(jù)獨(dú)特地位。但是，與任何 RF 技術(shù)一樣，從零開始設(shè)計(jì) Wi-Fi 很復(fù)雜。

對(duì)于許多設(shè)計(jì)人員來說，尤其是那些面臨較短設(shè)計(jì)周期的設(shè)計(jì)人員，模塊可能是更好的選擇。它可以搭配嵌入式微處理器，也可以結(jié)合設(shè)計(jì)人員偏好的微處理器，從而大大簡(jiǎn)化和加速設(shè)計(jì)及認(rèn)證過程。