在眾多無線技術中,Wi-Fi無疑是非常成功的。根據Strategy Analytics預測,在2022年至2027年間,全球Wi-Fi系統出貨量將以每年7.5%的速度增長。而且值得注意的是,在所有部署Wi-Fi的設備中,物聯網設備的比例越來越高,這也就意味著除了PC、手機、平板電腦這些Wi-Fi傳統的優勢領域外,其在智能家居、可穿戴、工業、醫療等物聯網領域中的應用空間也在不斷擴展。
物聯網Wi-Fi的興起
作為Wi-Fi的“重度用戶”,如果讓我們列舉Wi-Fi的優勢,大家都能侃侃而談:數據吞吐量更高,可以幾乎沒有延遲地傳輸音頻和視頻流;覆蓋范圍足夠大,可以滿足局域網的連接需求;能夠提供持續的云連接,而無需額外的網關……不過從這些優勢中,我們也可以明顯看出,Wi-Fi從“出身”上來講并不是為物聯網而設計的,與其他物聯網無線技術相比,部署并應用數據吞吐量更大的Wi-Fi,注定需要更復雜的協議、更高的功率,以及更高的成本,這與物聯網應用的“調性”顯然是相悖的。
然而,龐大的物聯網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,但是人們逐漸發現其在物聯網領域也有獨特的優勢。
以我們所熟悉的智能家居應用為例,其中很多智能化設備(如智能鎖、傳感器、智能燈泡、恒溫器和開關燈等)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,而這些無線協議并非基于IP,因此無法直接連接到互聯網以實現云端互聯或遠程訪問,這就需要部署一個專門的網關做協議的轉換處理,相應地也就增加了物聯網部署的成本和復雜性。
而標準Wi-Fi協議是基于IP的,因此可以直接連接到家庭無線路由器,并與云端實現互聯,在部署時不會增加額外的集線器或網關成本。與其他物聯網無線技術相比,這顯然是一個明顯優勢。因此基于標準Wi-Fi協議,一種中低吞吐量(足夠支持物聯網設備數據傳輸)、功耗更低的物聯網Wi-Fi也就應運而生。這種具有低功耗、低資源使用率、支持遠程局域連接、具有安全功能且低成本的無線技術,自然是很多物聯網設備開發的理想選擇。
圖1:各種無線技術性能比較
(圖源:Silicon Labs)
構建物聯網Wi-Fi的技術考量
雖然物聯網Wi-Fi基于標準Wi-Fi協議,但是其定位與那些追求更高傳輸速率、更大數據吞吐量的傳統Wi-Fi應用還是有差異的,因此在構建時需要更細致的技術考量。
基于IEEE 802.11標準的Wi-Fi技術經過20多年的發展,歷經多次技術更迭,形成了多種技術規格,而其中并非所有的技術規格都適用于物聯網應用。具體來講,“版本較低”的802.11 b/g/n是當下物聯網設備中使用的主流Wi-Fi規格,其主要原因也不難理解:一是速率更高的802.11ac (Wi-Fi 5)會帶來更高的協議復雜性、更高的功耗和系統成本,在物聯網應用中并不劃算;二是802.11 b/g/n這幾個Wi-Fi規格是基于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的穿透力,這也是物聯網應用中一個很關鍵的性能指標。
好消息是,最新的802.11ax(Wi-Fi 6)規格針對物聯網應用的需要,在支持更多數量的設備聯網、低功耗特性等方面做了卓有成效的優化,而且由于向后兼容以前Wi-Fi規格的產品,這對于未來物聯網Wi-Fi的發展將是一個有力的推動。
圖2:不同Wi-Fi技術規格的特性
(圖源:Silicon Labs)
從元器件層面考慮,物聯網Wi-Fi芯片級解決方案在鎖定合適的Wi-Fi規格基礎上,也需要在以下這些方面進行特別的優化。
低功耗
芯片的設計需要根據目標物聯網應用,特別在數據吞吐量和功耗之間實現最佳的平衡;同時也需要綜合利用低功耗設計和工藝技術,滿足這個物聯網應用的剛需。
多協議
在越來越多的物聯網應用場景中,需要支持多種無線協議,比如同時支持Wi-Fi和藍牙,這有利于將采用非IP無線協議的設備輕松配置到Wi-Fi無線路由器中,也可以讓不同的無線技術互為備份,增強連接的可靠性。
安全性
由于物聯網設備面臨的安全威脅越來越嚴峻,因此提供足夠的安全性,也是物聯網Wi-Fi芯片必須應對的挑戰。
足夠的算力
隨著物聯網邊緣設備越來越智能,Wi-Fi芯片在性能上除了要運行無線通信協議外,還要有“余力”運行應用程序、支持安全功能,甚至是實現機器學習和AI應用,這就需要可擴展的軟硬件架構進行支撐。
簡化的開發
簡化物聯網Wi-Fi應用開發過程非常重要,此舉能夠為開發者提供更大的增值、無線和網絡協議棧、完備的軟硬件開發工具、與云服務平臺的完整連接方案等,這些都是需要考慮整合的資源。
物聯網Wi-Fi的開發平臺
了解了上述物聯網Wi-Fi芯片級解決方案的要求,開發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中,我們經常會發現某款產品在某些方面具有很獨特的優勢,但是如果想要找到一款在上述各個方面表現都很出色的“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網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”的物聯網無線連接應用實現更低的功耗。從以下這些關鍵參數來看,其性能表現十分搶眼,如:Wi-Fi備用關聯模式電流50μA(1秒信標廣播間隔);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,待機電流(關閉模式)小于10μA。
圖4:RS9116系列SoC系統框圖
(圖源:Silicon Labs)
多協議
支持多協議也是RS9116系列SoC的一大亮點,在RS9116內部,配置有協議仲裁管理器管理多個無線協議共存。在Wi-Fi協議方面,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頻段的協議;此外RS9116還支持雙模藍牙5,以及802.15.4——也就是說在該SoC上能夠運行Thread或Zigbee協議,這就為探索多協議無線物聯網應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個人版和企業版客戶端等。同時,RS9116使用PUF(物理不可克隆功能)進行硬件設備識別和密鑰存儲,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,它們分別對應著不同的軟件架構和主機接口,以便與不同的處理器系列和操作系統集成,這為開發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主機連接,Wi-Fi協議棧、藍牙以及ZigBee、Thread等無線協議棧和配置文件以及所有網絡協議棧都在主機上運行。而在嵌入式模式下,RS9116通過UART、SPI、SDIO和USB CDC接口與一個主機連接,這時Wi-Fi協議棧、TCP/IP協議棧、IP模塊、藍牙協議棧和ZigBee PRO協議棧都在RS9116W中運行,僅有部分藍牙配置文件和所有ZigBee配置文件由主機處理,這時只需一顆8位MCU作為主機就可勝任。開發者可以根據自己的目標應用,選擇最合適的系統結構和工作模式。
開發資源豐富
豐富的配套開發資源,是RS9116系列一個非常顯著的優勢。比如通過Simplicity Studio這個集成各種Silicon Labs技術、SoC和模塊的統一開發環境,用戶可以訪問Web和SDK資源、軟件和硬件配置工具,以優化開發流程,加速項目的實施。
Silicon Labs還為RS9116 SoC和模塊提供配套的開發套件,如下面這個RS9116 WiSeConnect開發工具,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、多軟件架構和不同的主機接口。該開發套件的軟件開發工具包中還提供基于無線簡單API(SAPI)的示例、開源Linux驅動程序、快速評估所需的演示示例,可以說RS9116系列SoC和模塊評估和開發所需的資源,已經盡在其中。
圖7:RS9116 WiSeConnect開發工具
(圖源:Silicon Labs)
綜上所述,RS9116系列就是專為物聯網設計的低功耗 Wi-Fi SoC,在提供足夠性能的同時,通過全方位的優化顯著降低了功耗、支持多協議無線應用、減少了MIPS要求,并實現了足夠高的安全性,加之豐富易用的開發資源,為大家提供了一個理想的物聯網Wi-Fi解決方案。
賦能物聯網Wi-Fi應用
RS9116物聯網Wi-Fi解決方案的優勢特性,使其在很廣泛的物聯網應用中都可以施展拳腳。
比如Kudelski公司基于RS9116無線模塊開發了一塊新型無線資產跟蹤設備——RecovR,既能滿足汽車經銷商對車輛在展廳、車庫以及室外對車輛進行跟蹤的需求,實現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、多協議無線通信(藍牙和Wi-Fi)和低功耗的優勢發揮得淋漓盡致:Wi-Fi + 藍牙的雙模功能,可以提供高吞吐量和更大的覆蓋范圍,以及更穩定的連接;同時,基于BLE藍牙低功耗技術,RecovR還可提供室內定位的功能,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數年的續航。
特別值得一提的是,RS9116物聯網Wi-Fi產品也已經被整合到Silicon Labs完整的Matter開發解決方案中,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,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域產品“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
物聯網應用通常受到功率、尺寸和資源的約束,與此同時又會面臨不斷增加的數據吞吐量、安全威脅方面的挑戰。在很多應用場景中,物聯網Wi-Fi不失為一種理想的解決方案。
Silicon Labs的RS9116系列產品(包括SoC芯片和模塊)為開發者提供了一個綜合表現非常出眾的開發平臺,特別是多電源管理模式帶來的低功耗特性、多協議無線功能帶來的應用擴展性、不同工作模式帶來的開發靈活性,為大家入門低功耗、多模物聯網Wi-Fi開發,提供了一塊“敲門磚”。相信你一旦用上了它,就會愛不釋手!
RS9116系列產品
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RS9116 WiSeConnect開發工具,了解詳情>>
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原文標題:運用RS9116 Wi-Fi入門套件開發低功耗、多協議物聯網應用
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原文標題:運用RS9116 Wi-Fi入門套件開發低功耗、多協議物聯網應用
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