編者按：本系列文章包括兩部分，第 1 部分討論嵌入式系統設計人員可選擇的各種無線連接，并提供了一些相關示例。本文為第 2 部分，將更詳細地討論無線模塊的特性，并深入了解如何有效地使用這些模塊。

隨著物聯網 （IoT） 和人工智能 （AI） 的快速發展，對系統無線連接的需求不斷增加，因此開發人員必須選擇正確的協議，并實現低成本快速設計。市面上有許多無線模塊可提供幫助，但設計人員需要采取合理的甄選和集成流程，以便確保設計成功。

本文討論了為嵌入式應用選擇和實施適當的無線協議和無線模塊的 4 步式流程。步驟如下：

根據帶寬、范圍和成本要求選擇無線接口和協議

除了實施無線協議外，決定無線模塊是否應包含對嵌入式應用的處理能力

確認對無線模塊或芯片的 I/O 要求

根據前三步中的決策，選擇適當的模塊或芯片

設計無線連接嵌入式系統時可考慮的適用模塊眾多，本文包含對其中六種代表性典型無線模塊的介紹。

步驟 1：選擇無線協議

此平面圖顯示了一些最常見無線協議的帶寬與范圍對比情況（圖 1）。

圖 1：幾種無線協議的范圍（單位：米到千米）與帶寬（單位：比特每秒到兆位每秒）對比的概念圖。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

借助此簡單圖表，只需根據范圍和帶寬要求即可快速進行篩選。左側的協議 — Wi-Fi、藍牙和低功耗藍牙 — 在數十米 （m） 的范圍內提供數百千字節每秒 （Kb/s） 或兆位每秒 （Mb/s） 的傳輸速度。這些協議主要適用于室內網絡。右側的協議提供千米級數據傳輸。這些協議適用于校園或城市內的遠程嵌入式設備。

實施 Wi-Fi、藍牙和低功耗藍牙（或其組合）的模塊通常配有板載天線。例如，內置于 Adafruit 的 3320 Wi-Fi/藍牙/低功耗藍牙模塊的集成天線清晰顯示如下（圖 2），即電路板頂部的鋸齒狀印制線。

由于天線開發的復雜工作已經完成，集成天線大大簡化了無線網絡嵌入式系統的設計。

圖 2：Adafruit 的 3320 Wi-Fi/藍牙/低功耗藍牙模塊的運行速度可達 150 兆位每秒。（圖片來源：Adafruit）

該模塊用于安裝在電路板上，并且需要額外的電路，因此可能不是開始原型開發的最佳位置。該模塊可焊接到小型電路板上以作為開發套件，如圖 3 所示的 Espressif Systems ESP32-DEVKITC。ESP32-DEVKITC 將模塊的所有引腳分接至多個 0.1 英寸針座，包含一個連接 TTL 串行轉接芯片的 USB、多個編程和復位按鈕及一個板載 3.3 V 穩壓器。

圖 3：Espressif Systems 的 ESP32-DEVKITC 將所有 Adafruit 3320 模塊的引腳分接至多個 0.1 英寸針座，包含一個連接 TTL 串行轉接芯片的 USB、多個編程和復位按鈕及一個板載 3.3 V 穩壓器。（圖片來源：Espressif Systems）

遠程無線協議和板載天線不能混用

遠程無線網絡通信需要外接天線及配套的復雜組件。例如，Semtech Corp. 的 SX1276MB1LAS 是一款 LoRa 收發器，它包含兩個用于連接高頻帶和低頻帶天線的 SMA 連接器（圖 4）。

圖 4：Semtech 的 SX1276MB1LAS LoRa 收發器模塊具有兩個用于高頻帶和低頻帶射頻天線的 SMA 連接器。（圖片來源：Semtech Corp.）

模塊需要兩個天線端口，用以分別處理美國境內 LoRa 通信采用的 433 MHz 和 915 MHz 頻帶。該模塊的最大鏈路預算為 168 dB，傳輸范圍可達數公里。但是，模塊與外部天線之間的同軸電纜和 SMA 連接器將消耗部分鏈路預算。

為幫助實現設計，Semtech 還提供基于 SX1276MB1LAS LoRa 收發器模塊的 SX1276DVK1JAS 開發套件。該套件包括兩個 LoRa 收發器、兩個 Eiger 平臺、兩條迷你 USB 電纜、兩支觸摸屏觸控筆以及用于高頻帶和低頻帶的偶極天線。

Digi International 的 XBC-V1-UT-001 Digi Xbee 蜂窩 LTE Cat 1 調制解調器也需要一個外部天線，并采用類似但略有不同的方法來連接天線，如圖 5 所示。

圖 5：Digi International 的 XBC-V1-UT-001 Xbee 蜂窩 LTE Cat 1 調制解調器將一個嵌入式系統放在 Verizon 的蜂窩通信網絡上。（圖片來源：Digi International）

Digi 的調制解調器有兩個 U.FL 超小型射頻連接器，用于連接主 LTE 天線和輔助 LTE 天線。主天線必不可少。輔助天線在某些情況下可提高接收器性能，Digi 推薦使用。天線應盡可能遠離蜂窩調制解調器模塊（和其他金屬物體）。如果主天線和輔助天線均已安裝，應采用相互成直角的定位，以獲得最佳效果。

步驟 2：無線網絡模塊是否需具備應用處理功能？

一些無線網絡模塊配有板載處理器，有些則沒有。如果開發中的嵌入式系統已有處理器，則無線網絡模塊上可能不需要另一個可編程處理器。如果無線模塊必須執行嵌入式系統的應用代碼，則決策過程中需要考慮可用編程工具和模塊的執行能力。使用無線網絡模塊板載智能來執行嵌入式應用肯定會節省電路板空間。此外，它可以簡化硬件設計并降低物料清單 （BOM） 成本。

上文討論的一些模塊實施完整的編程環境。例如 Digi 的 XBC-V1-UT-001 Xbee 蜂窩調制解調器具有一個板載 MicroPython 環境，將調制解調器的內置智能應用于簡單應用。例如，可讀取、處理和傳輸連接到模塊的數字和模擬 I/O 引腳的傳感器，可接收和執行致動器命令。該模塊具有 13 個數字 I/O 引腳和 4 個 10 位模擬輸入引腳。MicroPython 還可以幫助管理基于調制解調器的電池供電型嵌入式系統的電源。

將 XBC-V1-UT-001 插入到 Digi XBIB-U-DEV 接口板中，使用 USB 電纜將 PC 連接到接口板，然后啟動終端程序，即可完成編程。Digi 的 XCTU 配置和測試實用軟件中有一個 MicroPython 終端程序。XBC-V1-UT-001 模塊具有 24 千字節 （Kb） 的 RAM 和 8 Kb 的閃存。

為進一步提升性能，可使用其他無線網絡模塊的板載智能。例如，以上步驟 1 中討論的 Espressif Systems ESP32-DEVKITC 開發套件中的 Wi-Fi/藍牙/低功耗藍牙模塊包含兩個運行頻率為 160 MHz 的 32 位 Xtensa LX6 RISC 處理器內核。按照慣例，其中一個處理器是“協議”處理器，另一個是“應用”處理器。但是，兩個處理器都可以訪問所有板載資源。對于大多數嵌入式應用而言，此類處理能力已經足夠。

步驟 3：識別無線模塊或芯片的 I/O 要求。

無論無線網絡模塊是否在內部運行嵌入式應用，可能都需要連接嵌入式系統中的其他設備。它可能需要連接嵌入式系統中的主機 CPU，或者直接連接傳感器和致動器，也有可能這兩類設備都需要連接。

最簡單的途徑就是即插即用方法。只需插入一個模塊，加載驅動程序即可搞定。Advantech Corp. 的 EWM-W151H01E 802.11b/g/n Mini PCIe 卡插入一個 Mini PCIe 插槽，通過 PCIe 與主機 CPU 通信（圖 6）。

圖 6：Advantech 的 EWM-W151H01E 1T 半尺寸 Mini PCIe 卡采用基于 IEEE 802.11b/g/n 的 Wi-Fi 標準。（圖片來源：Advantech Corp.）

要開始使用 EWM-W151H01E 進行開發，加載 Windows（7、8 或 10）或 Linux 驅動程序，嵌入式系統即能以高達 150 Mb/s 的數據速率連接現有的 Wi-Fi 系統。該卡采用插入式 Mini PCIe 外形尺寸及 Windows 和 Linux 驅動程序，這意味著該卡模塊最適合嵌入式 PC（x86 處理器）設計。

有關 Espressif Systems ESP32-DEVKITC 的討論提到，模塊上的模擬輸入和簡單數字 I/O 引腳可用于連接傳感器和致動器。此外，該模塊還具有更復雜的串行接口，包括三個 UART、兩個 I2C 端口，三個 SPI 端口和兩個 I2S 端口。這些接口可用于連接各種外圍設備，并可用作主機 CPU 的接口。每種接口的部分規格參數如下：

UART 最大傳輸速率為 5 Mb/s

I2C 端口支持 100 Kb/s（標準模式）和 400 Kb/s（快速模式）的傳輸速率

I2S 端口支持40 Mb/s 的傳輸速率

SPI 端口支持 50 Mb/s 的傳輸速率

如果最合適的協議模塊缺乏必要的 I/O 功能，嵌入式系統將需要增加一個 I/O 擴展芯片，這會占用更多電路板空間，導致功耗升高、編程復雜性加大和 BOM 成本增加。如果可能的話，最好是通過一個無線網絡模塊即能實現所有功能。

步驟 4：選擇和實施

在這一步驟中，選擇范圍應縮小到幾個或者僅一個選項。帶寬和范圍要求應將選擇范圍縮小到一個或兩個合適的協議。考慮無線網絡模塊對板載應用處理的需求以及板載處理的量之后，應該能去除更多選項。最后，應考慮 I/O 需求，確定最終的幾個選項。此時，選擇范圍很明顯，或者存在幾個不錯的選項，在這種情況下，可根據熟悉程度或易于實施性再進行選擇。

總結

市場對嵌入式無線連接的需求不斷增加。一些嵌入式設計人員在最開始接觸大量可用的協議時可能會混淆不清，但是每個協議都有不同的范圍/功耗/數據速率，從這個角度看，選擇起來就簡單多了。

本文介紹了從數十種甚至數百種可用無線網絡模塊中進行選擇的四步式流程。

根據帶寬，范圍和成本要求選擇無線協議。

除了實施無線協議外，決定無線模塊是否應包含對嵌入式應用的處理能力。

識別無線模塊或芯片的 I/O 要求。

根據前三步中的決策，選擇適當的模塊或芯片。

一般情況下，無論何種應用，至少有一個標準化無線協議和多個相關模塊可很好地滿足要求。