物聯網 (IoT) 產品的設計人員目前趨向使用基于 Wi-Fi 的無線連接，因為它部署廣泛且易于理解。但是，任何類型的射頻功能都很復雜，需要進行合規性測試。如果缺乏相應的專業知識，開發速度可能會減慢，特別是如果設計人員選擇從頭開始設計射頻部分的話。

加速設計過程的方法之一，是從許多可用預認證模塊中選擇。為此，本文將在介紹如何使用模塊和相關設計工具設計產品之前，討論 Wi-Fi 在無線應用中的優勢。

為什么選擇 Wi-Fi？

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

與低功耗藍牙（藍牙 LE）和 Zigbee 等技術相比，它相對耗電、昂貴且需要相當多的處理器資源。然而，它的速度也令人驚嘆。從原始數據速率為 11 Mb/s 的最低版本 802.11b 到 n 版本令人印象深刻的 600 Mb/s，沒有其他開放標準 2.4 GHz 技術可與之匹敵。

選擇哪個 Wi-Fi？

Wi-Fi 變體的一個共同之處是所有 Wi-Fi 操作規范均由 Wi-Fi 聯盟制定。作為 Wi-Fi 品牌和規范的管理機構，該聯盟確定 Wi-Fi 局域網 (LAN) 使用的數據結構、加密技術、頻率、數據包配置和子協議。

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，進一步提高吞吐量和減少潛在干擾。缺點是傳輸范圍會縮小，并且障礙穿透性欠佳。（請參見 Digi-Key 文章“比較工業應用中的 2.4 GHz 和 5 GHz 無線局域網”。）

Wi-Fi 協議有好幾種：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頻段內工作。

IEEE 802.11b 于 1999 年采用，提供 5.5 和 11 Mb/s 的數據速率，現在一般只在傳統系統中使用。然而，現代 n 版無線電中內置對 b 版的支持，以便現代系統與傳統系統配合使用。

IEEE 802.11g 于 2003 年采用，使用與原始協議不同的調制技術來實現高達 54 Mb/s 的數據速率。在實際應用中，由于采用前向糾錯算法，可用數據速率通常會減半。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，可對多個同步“空間流”進行編碼，將數據速率提高到 216 Mb/s（假設信道寬度為 20 MHz 且發射器采用三個空間流）。802.11n 還通過連接兩個 20 MHz 通道，指定了一個 40 MHz 的更寬通道，使吞吐量增加到 450 Mb/s。支持三個空間流的設備僅限于較高端的便攜式計算機、平板電腦和接入點 (AP)。支持兩個空間流的設備更多，但仍局限于便攜式計算機、平板電腦和最新一代的智能手機。

除了在 5 GHz 頻段內工作外，IEEE 802.11a 在大多數方面與 g 版相同。最大數據速率同為 54 Mb/s。目前一般認為 802.11a 是傳統協議。

IEEE 802.11ac 于 2013 年采用，提供八個空間流和高達 160 MHz 的信道寬度，進一步提高吞吐量。商用產品剛剛進入市場，仍然很昂貴，至少在最初階段，此技術可能僅用于非常高端的消費性產品。

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

圖 1：2.4 GHz ISM 頻段內的 Wi-Fi 通道分配允許三個不重疊的 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 個通道中的任何一種而導致沖突，制造商通常會將其設備設計為在非重疊通道中進行通信。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，以尋找無干擾的環境。

為了協助頻譜共享，Wi-Fi 包含爭用機制，對使用同一通道的接入點 (AP) 公平分配帶寬。在擁擠的通道上運行的 AP 通信時間受限，可接收或發送數據的時間因而會受影響。

適用于物聯網的 Wi-Fi

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

圖 2：Wi-Fi 定義了協議棧的物理和數據鏈路層。供應商通常會以固件形式將這些層與提供互聯網互配性的完整 TCP/IP 協議棧集成。（圖片來源：國際理論物理中心）

Wi-Fi 作為將智能手機、便攜式計算機和個人電腦連接到互聯網的關鍵技術已經占有一席之地，同時它正在迅速多樣化，成為物聯網的一項基礎技術。

在互聯網互配性和吞吐量比功耗更重要的情況下，Wi-Fi 驅動的物聯網設備為直接從無線傳感器向互聯網傳遞信息提供了令人信服的解決方案。Wi-Fi 物聯網傳感器無需借助 Ipv6 低功耗無線個人局域網 (6LoWPAN) 等其他復雜的網絡層，即可直接連接互聯網。

Wi-Fi 可作為一種具有成本效益的“網關”，其中基于多協議藍牙 LE/zigbee/Wi-Fi 片上系統 (SoC) 的單元匯聚來自多個低功率無線傳感器的數據，并將此信息轉發給云端。

值得注意的是，低功耗形式的 Wi-Fi 正在興起。這種命名為“HaLow”的技術基于 IEEE 802.11ah 標準，它充分利用了其他低功耗無線技術使用的超低占空比，最大程度地降低了功耗，其功耗預計僅為常規 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前 Wi-Fi 的將近兩倍。但該技術在吞吐量方面有所妥協，據稱與藍牙 LE 的最大原始數據速率 2 Mb/s 大致相當。

加快基于 Wi-Fi 的設計

從頭開始設計 Wi-Fi 物聯網解決方案可降低成本，并提供充分優化無線產品性能的機會。但是設計人員需要擁有相當多的千兆赫頻率射頻硬件專業知識，熟悉 TCP/IP 協議，并堅持按照相關標準的合規性認證規范開展漫長的測試和驗證過程。

半導體供應商提供的一些有幫助的參考設計，可作為加速開發過程的基礎。然而，此類原理圖只能視為一個起點；磁性元件、基板、軌道和電路阻抗的微小變化都可能對性能產生重大影響，并且通常需要進行多次設計迭代才能解決問題。

實現令人滿意的設計的更快途徑是選擇一個已完成組裝、測試、驗證和合規性認證的模塊。這些產品可以迅速融入 Wi-Fi 物聯網解決方案，加快產品上市時間。

許多芯片供應商提供物聯網應用 IEEE 802.11 模塊的所有變體及相關開發工具。基本模塊通常會集成 WLAN 基帶處理器和射頻收發器、功率放大器 (PA)、時鐘、射頻開關、濾波器、無源元件和電源管理。

由于基于 Wi-Fi 的 TCP/IP 協議棧是一個難以監控的復雜固件，因此需要能夠支持諸如 Linux 或 Android 等高級操作系統 (OS) 的微處理器資源。管理 Wi-Fi 堆棧的操作系統的常用驅動程序可從硬件提供商處獲得，而其他驅動程序（如 WinCE 和一系列實時操作系統所需的驅動程序）通過第三方提供。

通常，設計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 就是一個為物聯網應用（如銷售點終端、遠程安全攝像頭和醫療傳感器）設計的低成本 Wi-Fi 模塊的好例子。該設備通過 Wi-Fi b、g 或 n 版本提供互聯網連接。該產品僅在 2.4 GHz 下工作，最大數據速率為 72 Mb/s，鏈路預算為 114 dBm（17 dBm 發射器功率輸出和 -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 包含內置天線（或用于外接天線的連接器），專門用于與外部主機微處理器配合使用。該設備由主機微處理器使用在 1 位或 4 位模式下操作的安全數字輸入輸出 (SDIO) 接口進行控制。SDIO 接口允許主機微處理器直接訪問 IEEE 802.11 功能。

由于芯片供應商預計 WF111 將于藍牙 LE 傳感器的近距離范圍內使用，因此該產品內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 和藍牙設備協調通信，以避免 Wi-Fi 與藍牙 LE 設備相近時通常發生的同步數據包傳輸。此類傳輸通常會降低鏈路性能（圖 3）。

圖 3：Silicon Labs 的 WF111 包含六條控制線路，確保 Wi-Fi 與藍牙設備協調通信，進而改進共存。（圖片來源：Silicon Labs）

Texas Instruments (TI) 的 WL1801 通過將 IEEE 802.11 a/b/g/n 和藍牙/藍牙 LE 收發器集成到同一設備中，進一步與藍牙緊密結合。由于內置了與 Wi-Fi 和藍牙協議的互配性，此類模塊是上述物聯網網關設備的理想解決方案。

該設備可在 2.4 和 5 GHz Wi-Fi 下工作，最大數據速率為 54 Mb/s，鏈路預算為 115 dBm（18.5 dBm 發射器功率輸出和 -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。這些模塊經過 FCC、IC、ETSI 和 Telec 認證。

WL1801 配有 Wi-Fi 和藍牙堆棧，但必須與合適的微處理器、32 kHz 晶體和天線配對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 或實時操作系統，以及 Wi-Fi 驅動器和 Bluetooth LE 堆棧的 ARM? Cortex?-A8 內核設備。微處理器通過 SDIO 接口驅動 Wi-Fi 操作，通過 UART 驅動藍牙（圖 4）。

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

Murata 的 LBEE5ZZ1MD 模塊通過內置處理器，并預裝 Wi-Fi 固件堆棧，進一步提高了集成度。雖然將處理器與無線電匹配可簡化流程，但缺點是開發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環境。

Murata 模塊通過 Wi-Fi b、g 或 n 版本提供互聯網連接。該設備僅在 2.4 GHz 下工作，最大數據速率為 65 Mb/s，鏈路預算為 100 dBm（2 dBm 發射器功率輸出和 -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。模塊包括板載晶體、匹配電路和 2.4 GHz 天線，可添加外設 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 TCP/IP 協議棧和一個 Electric Imp 操作系統，用于連接到 Electric Imp 云服務。這對于尚不熟悉第三方云服務提供商以及如何上傳和訪問數據的設計人員來說非常有用。Electric Imp 開發中心網站提供開發指導。

u-blox 的 NINA W132 是一個模塊化解決方案可以讓設計人員走多遠的例子。該設備集成了 Wi-Fi 和藍牙 LE 功能、主機處理器、電源管理、獨立 16 Mb 閃存和一個 40 MHz 晶體。

互聯網連接通過 Wi-Fi 802.11b、g 或 n 版本實現。該設備僅在 2.4 GHz 下工作，最大原始數據速率為 54 Mb/s，鏈路預算為 112 dBm（16 dBm 發射器功率輸出和 -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。

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

NINA-W132 模塊使用 802.11i (WPA2) 標準和企業安全功能，提供無線鏈路保護的端到端安全性。

善用開發套件

雖然模塊將省去大量硬件工作，并且通常提供經驗證的 Wi-Fi (TCP/IP) 軟件堆棧（通常還包括應用示例），但解決方案并不見得已針對開發人員的目標應用進行優化。此類優化通常可以通過采用模塊制造商的開發套件來實現。開發工具通常以容納模塊的經組裝和測試的開發板形式呈現。

需配備微處理器的模塊的開發板通常可連接到基于目標微處理器的開發平臺。開發套件旨在為主機處理器提供應用程序編程接口 (API)，并轉而提供給 Wi-Fi 堆棧，從而簡化其他應用程序編碼。

例如，Silicon Labs 提供 WF111 開發套件來評估上述 WF111 模塊。該開發套件包含一個帶有 WF111 模塊的經組裝和測試的印刷電路板。它的形狀適合標準 SDIO 卡插槽。安裝后，可使用目標微處理器的評估工具使用和評估模塊。針座是一種實用附件，可幫助輕松訪問模塊調試總線以進行 RF 認證。

另一個例子是 TI 的 WL1835 開發板。這是一塊經充分組裝和測試的印刷電路板，由 WL1801 模塊、所有外圍電路和天線組成。它可以插入 Sitara TMDSICE3359 開發板，該開發板采用一個合適的 Sitara 處理器來驅動 WL1801 模塊。此類開發設置使開發人員能夠測試運行中的 Wi-Fi 裝置在其目標應用中的性能。

總結

Wi-Fi 不僅能支持高數據速率，同時提供與互聯網的無縫互配性，因此在物聯網無線協議中占據獨特地位。但是，與任何 RF 技術一樣，從零開始設計 Wi-Fi 很復雜。

對于許多設計人員來說，尤其是那些面臨較短設計周期的設計人員，模塊可能是更好的選擇。它可以搭配嵌入式微處理器，也可以結合設計人員偏好的微處理器，從而大大簡化和加速設計及認證過程。