在眾多無線技術(shù)中,Wi-Fi無疑是非常成功的。根據(jù)Strategy Analytics預(yù)測,在2022年至2027年間,全球Wi-Fi系統(tǒng)出貨量將以每年7.5%的速度增長。而且值得注意的是,在所有部署Wi-Fi的設(shè)備中,物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的比例越來越高,這也就意味著除了PC、手機(jī)、平板電腦這些Wi-Fi傳統(tǒng)的優(yōu)勢領(lǐng)域外,其在智能家居、可穿戴、工業(yè)、醫(yī)療等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的應(yīng)用空間也在不斷擴(kuò)展。
物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi的興起
作為Wi-Fi的“重度用戶”,如果讓我們列舉Wi-Fi的優(yōu)勢,大家都能侃侃而談:數(shù)據(jù)吞吐量更高,可以幾乎沒有延遲地傳輸音頻和視頻流;覆蓋范圍足夠大,可以滿足局域網(wǎng)的連接需求;能夠提供持續(xù)的云連接,而無需額外的網(wǎng)關(guān)……不過從這些優(yōu)勢中,我們也可以明顯看出,Wi-Fi從“出身”上來講并不是為物聯(lián)網(wǎng)而設(shè)計的,與其他物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)相比,部署并應(yīng)用數(shù)據(jù)吞吐量更大的Wi-Fi,注定需要更復(fù)雜的協(xié)議、更高的功率,以及更高的成本,這與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的“調(diào)性”顯然是相悖的。
然而,龐大的物聯(lián)網(wǎng)市場實在是太誘人了,坐擁海量用戶的Wi-Fi如果不摻和一下,肯定是心有不甘;而且更重要的是,Wi-Fi雖然有短板,但是人們逐漸發(fā)現(xiàn)其在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域也有獨特的優(yōu)勢。
以我們所熟悉的智能家居應(yīng)用為例,其中很多智能化設(shè)備(如智能鎖、傳感器、智能燈泡、恒溫器和開關(guān)燈等)都是由電池供電的,因此它們大都采用BLE、Zigbee、Z-Wave等低功耗、低吞吐量的無線連接技術(shù),而這些無線協(xié)議并非基于IP,因此無法直接連接到互聯(lián)網(wǎng)以實現(xiàn)云端互聯(lián)或遠(yuǎn)程訪問,這就需要部署一個專門的網(wǎng)關(guān)做協(xié)議的轉(zhuǎn)換處理,相應(yīng)地也就增加了物聯(lián)網(wǎng)部署的成本和復(fù)雜性。
而標(biāo)準(zhǔn)Wi-Fi協(xié)議是基于IP的,因此可以直接連接到家庭無線路由器,并與云端實現(xiàn)互聯(lián),在部署時不會增加額外的集線器或網(wǎng)關(guān)成本。與其他物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)相比,這顯然是一個明顯優(yōu)勢。因此基于標(biāo)準(zhǔn)Wi-Fi協(xié)議,一種中低吞吐量(足夠支持物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸)、功耗更低的物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi也就應(yīng)運而生。這種具有低功耗、低資源使用率、支持遠(yuǎn)程局域連接、具有安全功能且低成本的無線技術(shù),自然是很多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)的理想選擇。
圖1:各種無線技術(shù)性能比較
(圖源:Silicon Labs)
構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi的技術(shù)考量
雖然物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi基于標(biāo)準(zhǔn)Wi-Fi協(xié)議,但是其定位與那些追求更高傳輸速率、更大數(shù)據(jù)吞吐量的傳統(tǒng)Wi-Fi應(yīng)用還是有差異的,因此在構(gòu)建時需要更細(xì)致的技術(shù)考量。
基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的Wi-Fi技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展,歷經(jīng)多次技術(shù)更迭,形成了多種技術(shù)規(guī)格,而其中并非所有的技術(shù)規(guī)格都適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。具體來講,“版本較低”的802.11 b/g/n是當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中使用的主流Wi-Fi規(guī)格,其主要原因也不難理解:一是速率更高的802.11ac (Wi-Fi 5)會帶來更高的協(xié)議復(fù)雜性、更高的功耗和系統(tǒng)成本,在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中并不劃算;二是802.11 b/g/n這幾個Wi-Fi規(guī)格是基于2.4 GHz的(其中802.11 n,即Wi-Fi 4,可同時支持2.4 GHz和5 GHz雙頻段),與5 GHz的802.11ac相比具有更大的傳輸范圍和更強(qiáng)的穿透力,這也是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中一個很關(guān)鍵的性能指標(biāo)。
好消息是,最新的802.11ax(Wi-Fi 6)規(guī)格針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需要,在支持更多數(shù)量的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、低功耗特性等方面做了卓有成效的優(yōu)化,而且由于向后兼容以前Wi-Fi規(guī)格的產(chǎn)品,這對于未來物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi的發(fā)展將是一個有力的推動。
圖2:不同Wi-Fi技術(shù)規(guī)格的特性
(圖源:Silicon Labs)
從元器件層面考慮,物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi芯片級解決方案在鎖定合適的Wi-Fi規(guī)格基礎(chǔ)上,也需要在以下這些方面進(jìn)行特別的優(yōu)化。
低功耗
芯片的設(shè)計需要根據(jù)目標(biāo)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,特別在數(shù)據(jù)吞吐量和功耗之間實現(xiàn)最佳的平衡;同時也需要綜合利用低功耗設(shè)計和工藝技術(shù),滿足這個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的剛需。
多協(xié)議
在越來越多的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景中,需要支持多種無線協(xié)議,比如同時支持Wi-Fi和藍(lán)牙,這有利于將采用非IP無線協(xié)議的設(shè)備輕松配置到Wi-Fi無線路由器中,也可以讓不同的無線技術(shù)互為備份,增強(qiáng)連接的可靠性。
安全性
由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備面臨的安全威脅越來越嚴(yán)峻,因此提供足夠的安全性,也是物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi芯片必須應(yīng)對的挑戰(zhàn)。
足夠的算力
隨著物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備越來越智能,Wi-Fi芯片在性能上除了要運行無線通信協(xié)議外,還要有“余力”運行應(yīng)用程序、支持安全功能,甚至是實現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)和AI應(yīng)用,這就需要可擴(kuò)展的軟硬件架構(gòu)進(jìn)行支撐。
簡化的開發(fā)
簡化物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi應(yīng)用開發(fā)過程非常重要,此舉能夠為開發(fā)者提供更大的增值、無線和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、完備的軟硬件開發(fā)工具、與云服務(wù)平臺的完整連接方案等,這些都是需要考慮整合的資源。
物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi的開發(fā)平臺
了解了上述物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi芯片級解決方案的要求,開發(fā)者在芯片方案的選擇上就可以按圖索驥、有的放矢了。不過在實際的選型開發(fā)中,我們經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)某款產(chǎn)品在某些方面具有很獨特的優(yōu)勢,但是如果想要找到一款在上述各個方面表現(xiàn)都很出色的“全能型”的芯片平臺,卻并不容易。
今天,我們就為大家找到了這樣一款物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi芯片平臺——Silicon Labs的RS9116系列SoC。它有哪些能夠讓人眼前一亮的“芯”技能?我們一起來探究一番。
圖3:RS9116系列SoC
(圖源:Silicon Labs)
低功耗
在低功耗方面,RS9116系列SoC具有多種電源管理模式,包括傳輸、接收和睡眠模式等,可以讓“始終在線”的物聯(lián)網(wǎng)無線連接應(yīng)用實現(xiàn)更低的功耗。從以下這些關(guān)鍵參數(shù)來看,其性能表現(xiàn)十分搶眼,如:Wi-Fi備用關(guān)聯(lián)模式電流50μA(1秒信標(biāo)廣播間隔);Wi-Fi 1 Mbps偵聽電流14mA;Wi-Fi LP鏈Rx電流19mA;深度睡眠電流小于1μA,待機(jī)電流(關(guān)閉模式)小于10μA。
圖4:RS9116系列SoC系統(tǒng)框圖
(圖源:Silicon Labs)
多協(xié)議
支持多協(xié)議也是RS9116系列SoC的一大亮點,在RS9116內(nèi)部,配置有協(xié)議仲裁管理器管理多個無線協(xié)議共存。在Wi-Fi協(xié)議方面,RS9116系列不僅支持主流的802.11 a/b/g/n(2.4GHz和5GHz),還支持802.11j這個針對日本4.9GHz-5GHz頻段的協(xié)議;此外RS9116還支持雙模藍(lán)牙5,以及802.15.4——也就是說在該SoC上能夠運行Thread或Zigbee協(xié)議,這就為探索多協(xié)議無線物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了更大的空間。
圖5:RS9116系列SoC和模塊支持多模無線電,并可擴(kuò)展支持5GHz頻段
(圖源:Silicon Labs)
安全性
為了確保安全性,RS9116系列SoC內(nèi)置了多種安全功能,如AES128/256等加速器、支持WPA/WPA2個人版和企業(yè)版客戶端等。同時,RS9116使用PUF(物理不可克隆功能)進(jìn)行硬件設(shè)備識別和密鑰存儲,以提供更全面的安全保障。
靈活性
RS9116系列SoC可支持托管(n-Link)和嵌入式(WiSeConnect)兩種不同的工作模式,它們分別對應(yīng)著不同的軟件架構(gòu)和主機(jī)接口,以便與不同的處理器系列和操作系統(tǒng)集成,這為開發(fā)帶來了極大的靈活性。
圖6:RS9116系列SoC的兩種工作模式
(圖源:Silicon Labs)
在托管模式中,RS9116可通過SDIO 2.0和USB HS接口與一個32位的MCU主機(jī)連接,Wi-Fi協(xié)議棧、藍(lán)牙以及ZigBee、Thread等無線協(xié)議棧和配置文件以及所有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧都在主機(jī)上運行。而在嵌入式模式下,RS9116通過UART、SPI、SDIO和USB CDC接口與一個主機(jī)連接,這時Wi-Fi協(xié)議棧、TCP/IP協(xié)議棧、IP模塊、藍(lán)牙協(xié)議棧和ZigBee PRO協(xié)議棧都在RS9116W中運行,僅有部分藍(lán)牙配置文件和所有ZigBee配置文件由主機(jī)處理,這時只需一顆8位MCU作為主機(jī)就可勝任。開發(fā)者可以根據(jù)自己的目標(biāo)應(yīng)用,選擇最合適的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作模式。
開發(fā)資源豐富
豐富的配套開發(fā)資源,是RS9116系列一個非常顯著的優(yōu)勢。比如通過Simplicity Studio這個集成各種Silicon Labs技術(shù)、SoC和模塊的統(tǒng)一開發(fā)環(huán)境,用戶可以訪問Web和SDK資源、軟件和硬件配置工具,以優(yōu)化開發(fā)流程,加速項目的實施。
Silicon Labs還為RS9116 SoC和模塊提供配套的開發(fā)套件,如下面這個RS9116 WiSeConnect開發(fā)工具,就可以很方便地用來評估RS9116 SoC和模塊,其可在托管模式和嵌入式模式配置下使用,具有低功耗、多軟件架構(gòu)和不同的主機(jī)接口。該開發(fā)套件的軟件開發(fā)工具包中還提供基于無線簡單API(SAPI)的示例、開源Linux驅(qū)動程序、快速評估所需的演示示例,可以說RS9116系列SoC和模塊評估和開發(fā)所需的資源,已經(jīng)盡在其中。
圖7:RS9116 WiSeConnect開發(fā)工具
(圖源:Silicon Labs)
綜上所述,RS9116系列就是專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的低功耗 Wi-Fi SoC,在提供足夠性能的同時,通過全方位的優(yōu)化顯著降低了功耗、支持多協(xié)議無線應(yīng)用、減少了MIPS要求,并實現(xiàn)了足夠高的安全性,加之豐富易用的開發(fā)資源,為大家提供了一個理想的物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi解決方案。
賦能物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi應(yīng)用
RS9116物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi解決方案的優(yōu)勢特性,使其在很廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中都可以施展拳腳。
比如Kudelski公司基于RS9116無線模塊開發(fā)了一塊新型無線資產(chǎn)跟蹤設(shè)備——RecovR,既能滿足汽車經(jīng)銷商對車輛在展廳、車庫以及室外對車輛進(jìn)行跟蹤的需求,實現(xiàn)輕松高效的批次管理,又能為消費者提供安全的失竊尋回解決方案。在其中,RS9116無線模塊的低成本、多協(xié)議無線通信(藍(lán)牙和Wi-Fi)和低功耗的優(yōu)勢發(fā)揮得淋漓盡致:Wi-Fi + 藍(lán)牙的雙模功能,可以提供高吞吐量和更大的覆蓋范圍,以及更穩(wěn)定的連接;同時,基于BLE藍(lán)牙低功耗技術(shù),RecovR還可提供室內(nèi)定位的功能,作為GPS室外定位功能的延展;整個方案價格適中,采用電池供電并支持?jǐn)?shù)年的續(xù)航。
特別值得一提的是,RS9116物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi產(chǎn)品也已經(jīng)被整合到Silicon Labs完整的Matter開發(fā)解決方案中,與Silicon Labs的2.4 GHz無線MG24 SoC配合使用,可以支持Matter over Wi-Fi 4的開發(fā),并在未來無縫而輕松地過渡到Silicon Labs的Wi-Fi 6單芯片Matter SoC上,徹底解決智能家居領(lǐng)域產(chǎn)品“碎片化”的難題。
圖9:基于RS9116的Matter over Wi-Fi 4解決方案
(圖源:Silicon Labs)
本文小結(jié)
物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用通常受到功率、尺寸和資源的約束,與此同時又會面臨不斷增加的數(shù)據(jù)吞吐量、安全威脅方面的挑戰(zhàn)。在很多應(yīng)用場景中,物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi不失為一種理想的解決方案。
Silicon Labs的RS9116系列產(chǎn)品(包括SoC芯片和模塊)為開發(fā)者提供了一個綜合表現(xiàn)非常出眾的開發(fā)平臺,特別是多電源管理模式帶來的低功耗特性、多協(xié)議無線功能帶來的應(yīng)用擴(kuò)展性、不同工作模式帶來的開發(fā)靈活性,為大家入門低功耗、多模物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi開發(fā),提供了一塊“敲門磚”。相信你一旦用上了它,就會愛不釋手!
RS9116系列產(chǎn)品
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RS9116 WiSeConnect開發(fā)工具,了解詳情>>
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