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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，由于它部署广泛且易于理解但是，任何类型的射频功能都很简单，需要进行合规性测试假如缺乏相应的学问，开发速度可能会减慢，特殊是假如设计人员选择从头开头设计射频部分的话加速设计过程的方法之一，是从很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，争论 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) 免许可频谱安排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，它的速度也令人赞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全部 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 频谱安排，通过避开在拥挤的 2.4 GHz 频带中通信，进一步提高吞吐量和削减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 年采纳，供应 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协作使用IEEE 802.11g 于 2022 年采纳，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，由于采纳前向纠错算法，可用数据速率通常会减半g 版向后兼容 b 版IEEE 802.11n 于 2022 年采纳，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 且放射器采纳三个空间流）。

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 2022 年采纳，供应八个空间流和高达 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，仍旧很昂贵，至少在初阶段，此技术可能仅用于特别高端的消费性产品2.4 GHz 频段允许安排于 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 通道安排允许三个不重叠的 20 MHz 通道（1、6 和 11）图片：Cisco）为了避开相邻 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，以查找无干扰的环境为了帮助频谱共享，Wi-Fi 包含争用机制，对使用同一通道的接入点 (AP) 公正安排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需要留意的是，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掌握 (MAC) 和规律链路掌握 (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供应的软件本文其余部分将争论采纳 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供应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、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，同时它正在快速多样化，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状况下，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供应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) 等其他简单的网络层，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留意的是，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，其功耗估计仅为常规 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 的设计从头开头设计 Wi-Fi 物联网解决方案可降低成本，并供应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学问，熟识 TCP/IP 协议，并坚持根据相关标准的合规性规范开展漫长的测试和验证过程。

半导体供应商供应的一些有关心的参考设计，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足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快速融入 Wi-Fi 物联网解决方案，加快产品上市时间很多芯片供应商供应物联网应用 IEEE 802.11 模块的全部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简单固件，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供应商处获得，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）通过第三方供应通常，设计人员需要查找合适的微处理器、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。

适用于各种状况的 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、远程平安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 版本供应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 放射器功率输出和 -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 mAWF111 包含内置天线（或用于外接天线的连接器），特地用于与外部主机微处理器协作使用该设备由主机微处理器使用在 1 位或 4 位模式下操作的平安数字输入输出 (SDIO) 接口进行掌握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估计 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掌握线路以管理无线共存掌握线路确保 Wi-Fi 和蓝牙设备协调通信，以避开 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 包含六条掌握线路，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抱负解决方案 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 放射器功率输出和 -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，但必需与合适的微处理器、32 kHz 晶体和天线配对使用才能形成完整的解决方案TI 建议采纳其 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 推举 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打算图片：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，并且可能面临不熟识的开发环境 Murata 模块通过 Wi-Fi b、g 或 n 版本供应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 放射器功率输出和 -98 dBm 接收器灵敏度）它采纳 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。