無處不在的物聯網（IoT）依賴于無線連接，但是有許多無線選項，并非每個設備都是IP可尋址的 - 這是物聯網的必備功能。更重要的是，RF設計本來就很困難。很少有公司具備實施射頻和天線設計的適當技能，即使完成后，保持該設計與最新標準保持同步并通過FCC合規也是非常耗時的。

對于設計師來說，對于無線連接和物聯網，有一個非常可靠且經過驗證的選項。該選項是Wi-Fi和模塊的使用。此功能將解釋為什么，提供一些設計解決方案，討論即將到來的IEEE 802.11協議升級，并展示如何將ZigBee橋接到Wi-Fi以實現本機IP尋址。

有許多無線接口選項，藍牙低功耗（BLE），ZigBee，Z-Wave，Wi-Fi和RFID，每個都有自己獨特的功率，范圍，數據速率，網狀網絡，抗干擾性和易用性平衡。但是，某些接口尚未啟用本機IP，因此無法直接尋址或通過Internet與其他設備和服務器交換數據。這些需要一個單獨的網關，為最終解決方案增加了費用和復雜性。

這就是Wi-Fi引人注目的地方：它基于具有原生IP尋址能力的IEEE 802.11標準，無處不在，易于理解，并且可以在數據速率方面很好地擴展以優化功耗。據Wi-Fi聯盟稱，已安裝超過68億臺支持Wi-Fi的設備，因此可用的本地Wi-Fi接入點的可能性非常高（圖1）。另請注意，802.11標準也符合IPv6標準，因此對唯一地址的數量幾乎沒有限制。

圖1：廣泛的物聯網使用Wi-Fi模塊的應用程序顯示了界面的靈活性和可擴展性，以及它的普遍性。 （來源：Tektronix。）

雖然Wi-Fi廣泛且易于理解，但它仍然是一個無線接口，具有RF所需的所有變幻莫測的設計。了解后續步驟至關重要。

緩解無線開發

為物聯網應用選擇Wi-Fi后，設計人員經常面臨構建自定義RF實施的艱巨挑戰，這需要時間，金錢和專業知識。開發無線設備的設計要求至少包括直接RFIC集成以及指定濾波器，放大器，時鐘，電容器，電感器，晶體振蕩器以及需要在板上的天線等組件的能力。作為他們的位置。還需要網絡匹配電路，以確保無線電和天線匹配良好，以避免信號丟失。其他知識領域包括系統布局，軟件堆棧開發，設備安全性，連接可靠性，信號干擾和降級，以及最后但并非最不重要的FCC認證。

如何在典型的上市時間內完成此任務鑒于RF設計專業知識不是每個電子公司都可以獲得的參數？添加Wi-Fi功能的一種越來越常見的方法是使用預先打包的模塊。這種方法大大簡化了流程。模塊供應商提供的測試，校準和預認證模塊符合要求的標準，因此可以為公司提供快速，便捷的上市途徑，基本上是即插即用的解決方案，減少了對模塊的需求。軟件開發。更重要的是，設計和構建Wi-Fi模塊的制造商可以在設計集成階段成為您的RF顧問。

Wi-Fi模塊通常包含兩個主要部分：Wi-Fi芯片和應用主機處理器。 Wi-Fi子系統包括802.11無線電物理層（PHY），基帶，媒體訪問控制（MAC），以及可能用于快速，安全的互聯網連接的加密引擎。應用程序主機處理器具有內部或外部閃存，ROM和RAM。該模塊通常還帶有用于定時器，串行通信接口，模擬比較器，模數轉換器（ADC），數模轉換器（DAC），晶體振蕩器和調試接口的I/O.

電源管理子系統包括支持各種電源電壓的集成DC-DC轉換器。它支持低功耗模式，例如具有實時時鐘（RTC）模式的休眠模式。模塊可以提供集成天線或為外部天線提供RF連接器。 Wi-Fi模塊附帶的軟件包通常包括設備驅動程序，集成的802.11安全層以及管理和監控實用程序。

在設計Wi-Fi物聯網解決方案時，起點是理解IEEE 802.11代表一系列標準，直到最近才在2.4 GHz（IEEE 802.11b/g/n）和5 GHz（IEEE 802.11a/n/ac）免許可頻段中運行。評估這些協議時需要考慮三個關鍵因素：數據速率，范圍和功率要求。當您比較不同的Wi-Fi協議時，802.11b/g具有與已安裝設備和功率要求兼容的優勢，而802.11n和802.11ac具有更高的數據吞吐量，可用于視頻流等多媒體應用（見表）。

協議

頻率

信號

最高數據速率

傳統802.11

2.4 GHz

FHSS或DSSS

2 Mbps

802.11a

5 GHz

OFDM

54 Mbps

802.11b

2.4 GHz

HR-DSSS

11 Mbps

802.11g

2.4 GHz

OFDM

54 Mbps

802.11n

2.4或5 GHz

OFDM

600 Mbps（理論上）

802.11ac

5 GHz

256-QAM

1.3 Gbps

表：不同Wi-Fi協議和數據速率的摘要顯示了IEEE 802.11的進展它的早期目前是2 Mbps到1.3 Gbps。 （來源：英特爾公司）

然而，在設計物聯網應用時，更高的數據速率協議并不總是更可取。盡管802.11ac可以將其轉換為最高1.3 Gbps，但大多數嵌入式應用程序（例如，機器到機器[M2M]數據和控制設備）都受到功率限制，并且可以以更低的數據速率運行。

選擇Wi-Fi的另一個好理由是，在未來一年左右的時間內，技術升級將使其更加強大。例如，Wi-Fi聯盟最近宣布推出采用IEEE 802.11ah技術的產品的Wi-Fi HaLow（發音為“halo”）。 HaLow將Wi-Fi擴展到900 MHz頻段，并提供了改進的范圍 - 幾乎是當今Wi-Fi的兩倍 - 可擴展的數據速率從150 Kbps到2.1 Mbps; IEEE 802.11ah還承諾提供低功耗特性，其用例主要用于無線傳感器網絡，這是一種經典的物聯網應用。

2月，在2016年國際固態電路會議（ISSCC）上，荷蘭霍爾斯特中心與比利時IMEC研究所合作，展示了一款HaLow發射機在亞GHz頻段上運行Wi-Fi。該團隊表示，當提供0 dBm輸出功率并使用1 V電源供電時，最大功耗為7.1 mW。與最先進的802.11 OFDM收發器相比，功耗降低了10倍。

同樣正在開發的是IEEE 802.11ai，它將提供快速初始鏈路設置（在更少的情況下實現安全鏈路設置）正在開發以提供類似蜂窩的自動網絡發現體驗。

模塊和開發套件

RF工程可能是一項棘手的業務，尤其是100 ms）和IEEE 802.11aq。對于該學科的新手。認識到這一點，RF芯片供應商正在提供模塊，開發套件和參考設計，使產品的無線連接更容易。

例如，Microchip使用由32位控制器驅動的模塊提供物聯網開發套件（DM990001）。它采用兩個Microchip組件，MRF24WG0MA/B預認證Wi-Fi模塊，支持802.11b和802.11g，PIC32MX695F512H微控制器具有128 KB RAM和512 Kbits閃存。 PIC MCU具有80 MHz，105-DMIPS 32位內核，帶有集成PHY的USB 2.0 On-The-Go（OTG）外設，10/100以太網MAC和4個專用直接存儲器訪問（DMA）通道USB OTG和以太網。

入門套件由亞馬遜網絡服務（AWS）提供支持，這是一個托管云平臺，可讓連接的設備與云應用程序安全地交互。使用AWS IoT應用程序可以隨時跟蹤所有聯網設備并與之通信，即使它們未連接也是如此。

亞馬遜為其AWS IoT組建了Quickstart參考部署，其設計目的是展示該平臺的一些功能。如果您計劃將Amazon用作托管服務提供商，則AWS IoT會特別有用。它支持HTTP，Web瀏覽器和Web服務器的WebSockets，以及MQ遙測傳輸（MQTT），這是一種輕型通信協議，適用于小型傳感器和移動設備，專門用于容忍間歇性連接，最大限度地減少設備上的代碼占用空間，并降低網絡帶寬要求。

德州儀器的CC3100MOD Wi-Fi模塊是一個完整的平臺解決方案，包括各種工具和軟件，示例應用程序，用戶和編程指南以及參考設計（圖2）。它主要由公司的CC3100R11MRGC Wi-Fi網絡處理器和電源管理子系統組成。作為公司SimpleLink Wi-Fi系列的一部分，CC3100MOD集成了Wi-Fi和Internet的所有協議，降低了主機MCU軟件的要求。它還包括所有必需的時鐘，SPI閃存，RF濾波器，晶體和無源器件。

圖2：TI的CC3100MOD旨在簡化互聯網的實施連接。它集成了Wi-Fi和互聯網的所有協議，大大降低了主機MCU軟件的要求。

CC3100MOD Wi-Fi網絡處理器子系統包含802.11 b/g/n無線電，基帶和MAC有一個256位加密引擎，用于安全的Internet連接。它還包含一個專用的ARM MCU，可完全卸載主機MCU。電源管理子系統包括一個集成的DC-DC轉換器，支持各種電源電壓。它支持低功耗模式，例如采用RTC模式的休眠模式，僅需要大約7μA的電流。

在軟件方面，該模塊包括嵌入式TCP/IP和TLS/SSL安全堆棧，HTTP服務器和多個Internet協議。對于TCP客戶端應用程序，設備驅動程序將主機內存占用要求保持在小于7千字節的代碼和700字節的RAM中。 CC3100MOD物聯網模塊解決方案還通過了FCC，IC，CE和Wi-Fi認證。

STMicroelectronics的SPWF01S Wi-Fi模塊是一種即插即用的802.11b/g/n解決方案（圖3）。它的一側有一個串行接口，允許與供應商的STM32和STM8等MCU進行通信。另一方面是Wi-Fi收發器。該模塊還包含定時時鐘和穩壓器。它可以配置嵌入式微型2.45 GHz ISM波段天線（SPWF01SA），也可以配置U.FL同軸連接器用于外部天線連接（SPWF01SC），因此集成無需RF知識。

圖3：ST SPWF01S串口到Wi-Fi b/g/n模塊的框圖。它具有低功耗和小外形尺寸，可用于固定和移動無線應用。

SPWF01S具有CE，FCC和IC認證，符合工業溫度范圍要求。

雖然我們專注于Wi-Fi，但ZigBee無線標準是廣泛應用的流行選擇，這些應用需要相對容易安裝，配置和維護的低功耗，中等范圍和靈活的網絡。然而，ZigBee對物聯網應用缺乏關鍵要求：本地IP連接。 Digi International的XBee ? Wi-Fi模塊填補了這一空白。為了幫助您入門，該公司的XBee Wi-Fi云套件（xka2B-wft-0）包括XBee Wi-Fi（S6B）模塊，帶面包板的XBee USB開發板，組件包（電阻器，繼電器，按鈕，LED） ，訪問Digi的基于云的應用程序以及所有必需的天線，電源和電纜。 Digi的XBee Wi-Fi模塊與其他XBee模塊共享占用空間，允許不同的XBee技術相互替代。

IoT應用依賴于無線連接，但有許多無線協議選項。射頻設計本身也很困難，很少有公司具備實施射頻和天線設計的適當技能。即使可以獲得專業知識，使設計保持最新的最新標準并通過FCC合規也很費時間。本文展示了Wi-Fi模塊及其相關套件和參考設計如何能夠顯著簡化新物聯網設備設計人員面臨的實施挑戰。