Wi-Fi комуникационни модули за микроконтролерни системи

Стефан Куцаров

Бързо развиващо се направление на безжичните комуникации са локалните безжични мрежи (Wireless Local Area Network, Wireless LAN) WLAN, които напоследък се важен елемент от т. нар. Интернет на нещата (IoT) и съответно облачните технологии.

Те позволяват практически произволни устройства да бъдат управлявани дистанционно от свързани към Интернет прибори. Съществуват немалко стандарти за осъществяване на тези връзки (Zigbee на основата на IEEE 802.15.4, Bluetooth Low Energy, Z-Wave), като настоящата статия е посветена на модули, ползващи основните разновидности на стандарта IEEE 802.11 (първата е от 1987 г.), който след създаването през 1999 г. на Wi-Fi Alliance става популярен като Wi-Fi Technology.

Към първоначалните масови приложения на модулите за вграждане в преносими компютри и съответно реализацията на безжични компютърни мрежи се прибавиха смартфоните и таблетите, осигуряването на връзки в индустрията (безжично управление, сензорни мрежи, М2М комуникации), енергиен контрол (Energy Management) и "интелигентна" енергетика (Smart Energy), осветителни системи, контрол на достъпа, автомобили, медицински приложения и т. н.

Стандартите IEEE 802.11
Наричат се още интерфейси и съществуват 34 техни разновидности, в които след IEEE 802.11 има една от буквите на английската азбука без z или една от двойките ас, ad, ah, ai, ag, ax и ay.

Ползват се честотните обхвати 2,4 GHz и 5 GHz, като първият е изцяло нелицензиран и включва канали 1-11, но в някои Wi-Fi комуникационни модули той е разширен с канали 12 и 13. За да няма смущения между модули, работещи на различни канали, е необходимо техните честотни ленти да не се припокриват (Non-Overlapping Channels), поради което реално се ползват само канали 1, 6 и 11 с широчина на честотната лента 20 MHz. Максималната разрешена мощност на предавателите в този обхват е 100 mW, т. е. +20 dBm.

Обхватът 5 GHz е между 5150 и 5850 MHz и е разделен на 3 подобхвата, първият от които (Band A) е 5150-5350 MHz и в него без припокриване могат да се разположат 8 канала с широчина 20 MHz.

Той е нелицензиран, ползва се само за връзки в сгради и предавателите му могат да са до 200 mW (+23 dBm). Също нелицензиран е подобхватът 5470-5725 MHz (Band B) с 11 канала без припокриване и максимална мощност 1 W (+30 dBm), ползван за връзки в сгради и извън тях.

Третият подобхват (Band C) 5725-5825 MHz е лицензиран, има 4 канала без припокриване, максимална мощност 4 W (+36 dBm) и се ползва за връзки между неподвижни обекти (Fixed Wireless Access, FWA) извън сгради.

Основната принципна разлика между двата обхвата, дължаща се на честотите им, е по-голямото покритие и по-малката скорост на обмен на данни на 2,4 GHz-овия.

Освен наличните 23 канала с широчина 20 MHz в обхвата 5 GHz той допълнително позволява ползването на такива с широчина 40, 80 и 160 MHz (последните само в подобхвати А и В).

Към това предимство се прибавят по-малката опасност от взаимни смущения между каналите и възможностите за наличие в модулите на динамичен избор на каналите (Dynamic Frequency Selection, DFS) и управление на изходната мощност (Transmitting Power Control, TPC).

Най-важните параметри на масово използваните стандарти са обобщени в табл. 1, като популярните наименования Wireless-G, Wireless-N и Wireless-AC се отнасят съответно за тези с букви g, n и ac.

Дадените гранични честоти на обхватите са за Европа и повечето страни на света, а специфичната разновидност IEEE 802.11p за автомобили е с обхват 5,85-5,925 GHz. Полезно е да се има предвид, че 5 GHz-овият обхват се ползва по различен начин по света и често при ползването на двата нелицензирани негови подобхвата производителите наричат устройствата трилентови (Tri-Band Wi-Fi).

По принцип максималното разстояние за установяване на връзка се оценява чрез радиуса около предавателя, но не се дава в стандартите, тъй като зависи от параметрите на установяващите връзката устройства и средата между тях (например директна видимост между антените или наличие на предмети или сгради между тях). Като ориентир то е до около 25 m при 802.11g и достига 150 m при 802.11ас.

Осигуряваната от стандартите връзка е двупосочна, а възможността за работа с ad-hoc technology позволява всеки възел в мрежата да работи като точка за достъп (Access Point) AP или потребител (Wi-Fi Client). Това определя термина Wi-Fi Direct (Peer-to-Peer), тъй като две устройства могат да се свържат непосредствено, без едното от тях да трябва да е АР.

За защита на обменяните чрез модулите данни се ползват няколко начина – алгоритъмът за кодиране WEP, разработен специално за 802.11, защитите Wi-Fi Protected Access (WPA) и Wi-Fi Protected Setup (WPS) от нерегламентиран достъп до Wi-Fi мрежи и подобрените разновидности WPA2, WPA2-PSK и 802.11 Security.

Същност на модулите
Най-масово разпространени са универсалните модули с основни блокове микроконтролер за обмен на данните с проводников интерфейс и осигуряване на управлението, и приемо-предавател (RF Transceiver) за безжичната двупосочна връзка.

Принципът на действието им се изяснява чрез структурата на едноканален модул на фиг.1.

Входно-изходният блок I/O има две групи изводи, едната от които е за обменяните данни (Data) от проводникови интерфейси с модула. В зависимост от производителя те могат да са за два или повече от интерфейсите SPI, HSPI, I2C, I2S, UART, USB (реално USB 2.0 със скорост 480 Mbps), PCI Express, Ethernet, JTAG и SDIO, както и такива с общо предназначение (GPIO), понякога над 10.

Начинът на ползване на последните зависи от устройството, в което се вгражда модулът например за индикаторни LED, свързване на бутони или на някои от интерфейсите. Не трябва да се забравя, че често GPIO са няколко групи, всяка захранвана с различно постоянно напрежение.

Не са рядкост модулите с две или три групи входове за един или няколко от интерфейсите, например 3xSPI и 2xI2C. Втората група изводи са за управляване работата на модула като вход за начално установяване (Reset), изход за съобщаване на осъществяване на прекъсване (Interrupt), вход за дистанционно управление чрез инфрачервен лъч (IR Remote Control) от разстояние обикновено до няколко метра.

Предлаганите в някои модули от 1 до 3 изхода PWM (наричани и PWM Output Interface) осигуряват импулси с широчинноимпулсна модулация с честота няколко стотици Hz, например за регулиране на интензитета на светлината на индикаторни LED.

Микроконтролерът uC обикновено е 16- или 32-разреден и освен все по-мощен процесор с тактова честота между 20 и 160 MHz съдържа и други класически блокове, като обикновено не е разработен специално за модула, а е такъв от други приложения.

В него данните за изпращане обикновено се кодират, например чрез AES или WEP Data Encription. Работата на uC изисква ползването на схема за фазова донастройка на честотата (PLL), която може да е и за предавателя RFTx и приемника RFRx или те да са със самостоятелна, като и в двата случая се ползва един кварцов генератор ХО с типична честота няколко десетки MHz.

Голямо е разнообразието във вида и обема (достигащ няколко МВ) на паметта Memory - ROM, SRAM, Flash, EEPROM.

Ключът SW за избор на режим предаване или приемане и трансформаторът Balun са класически блокове на приемо-предаватели, но в някои модули SW съдържа малошумящ предусилвател (Low Noise Amplifier) LNA.

Антената Ant може да е вградена в модула с разновидности печатна (PCB Antenna) като пътечка с подходяща форма върху неговата платка или познатата от други преносими безжични прибори керамична (Ceramic Chip Antenna) както и да е външна, като значителен брой модули имат вградена с възможност за допълнително свързване на външна.

Последната може да има няколко разновидности, например диполна или гъвкава (FlexPiFa Antenna), свързвана към модула чрез куплунг. За простота на фиг. 1 не е означено постояннотоковото захранване (Power Management Unit, PMU), което може да е от един или повече блокове, всеки с едно или повече напрежения.

Полезно е също да се има предвид, че обикновено работещите с USB модули се захранват през неговия куплунг, който осигурява и обмена на данни.

Модулите за едновременна работа в 2,4 и 5 GHz-овия обхвати (Dual Band Wi-Fi Module, Wi-Fi 2.4/5GHz Embedded Module) са значително по-малко поради по-късното и все още не в такава степен усвояване на последния обхват.

Относителният им дял постепенно нараства, а тяхната структура се различава от фиг. 1 главно по блоковете RFRx, RFTx, SW и Balun, идея за чието свързване е фиг. 2. Виждат се отделните ключове SW за всеки от обхватите, които също могат да съдържат LNA, а лентовият филтър BPF е за избягване на нежеланото прехвърляне на сигнали между тях. Чрез превключвателя Diplexer се избира към кой от каналите да се свърже Ant.

Съществен фактор за многобройните и продължаващи да се разрастват приложения на Wi-Fi модулите е увеличаващият се брой на тези с намалена постояннотокова консумация (Low Power Wi-Fi Module), както и наличието в почти всички на работни режими със силно намалена консумация (Standby, Sleep).

Освен това за улесняване на реализацията на мрежи с определен тип модул производителите обикновено предлагат към него необходимия кит.

Основни схеми на свързване
При разработката на Wi-Fi модули производителите се стремят да осигурят повече техни приложения чрез различни схеми на свързване, които съответно фигурират в някои от подробните каталози. По принцип това се постига с помощта на няколко входно-изходни блока, позволяващи ползването им по различни начини.

На фиг. 3 е дадена същността на основните схеми при наличие на два блока (LAN1 и LAN2) за проводникови връзки, един (WLAN) за безжична връзка и един (WAN) с възможност за установяване и на двата вида връзки. Работата на модула като клиент (Client, Station) е дадена на фиг. 3а – чрез WLAN се осъществява неговата връзка с безжична мрежа и същевременно блокът има проводникови връзки с останалите три.

Работата като точка за достъп (Access Point) AP на проводникова мрежа е на фиг. 3б – свързването на три от РС е както на фиг. 3а, докато четвъртият има безжична връзка чрез WLAN. Едновременното действие на модул като клиент и АР е на фиг.

3в – блокът WLAN осигурява връзката с безжична мрежа, такава с един от РС и проводникова с останалите. На фиг. 3г е действието на модул като рутер (Router, Gateway) – блокът WAN осъществява безжичната му връзка с други мрежи и едновременно с това проводниковите с останалите блокове, като един от РС чрез WLAN също е свързан безжично.

Универсални модули
Наричат се универсални или автономни (IoT Standalone), тъй като съдържат uC и Wi-Fi приемо-предавател, които са отделни ИС и може да не са от производителя на самия модул.

Съществуват серии от няколко модула (броят им е в колона 2 на табл. 2) с различни възможности на част от блоковете, което улеснява избора на подходящия за дадено устройство.

Специфична и съществена особеност е, че нормалното функциониране на модулите зависи и от мястото на монтирането им върху печатната платка на прибора. Част от производителите дават необходимите съвети – на фиг. 4а са показани най-доброто и най-неподходящото монтиране на модула на ред 6 от табл. 2, като се вижда и неговата печатна антена.

Модули с обхват 2,4 GHz (ISM Band). Те са с най-голям относителен дял, структурата им съответства на фиг. 1, а в зависимост от модела някои от техните блокове се свързват външно към модула. Например за този на ред 6 от табл. 2 външни са трансформаторът и кварцът ХО, а даденият на ред 7 освен ХО има Flash памет и няколко елемента на вградения ключов стабилизатор.

Споменатата табл. 2 включва основните параметри на характерни модули, като честотният обхват представлява стойностите на носещата честота на каналите в двата му края, а в някои каталози се дават само наименованието на обхвата и евентуално броят на каналите, например този на ред 2 в табл. 2 е с обхват 2412-2472 MHz.

С fch е означена широчината на каналите, VDD е захранващото напрежение, ITx и IRx са консумираният от модулите ток съответно в режим на предаване и приемане, чувствителността е на приемника (Rx Sensitivity) и Pout представлява изходната мощност на предавателя (Tx Power).

Последната и особено чувствителността са в широки граници, тъй като се отнасят за различни режими на работа и може да са различни за всеки от стандартите. Съкращението 1xSISO (Single Input Single Output), означавано още като Single Stream и 1T1R, показва възможността в даден момент от време да се обменят данни само между един от интерфейсите и един от RF каналите на модула, докато 2xMIMO (Multiple Input Multiple Output) означава едновременен обмен по две двойки интерфейс - RF канал.

В таблицата не е отбелязано, че някои модули имат вграден АЦП, един или повече таймери, може да съдържат Parallel Camera Port, нито се дава максималният брой гарантираните им работни часове, например за този на ред 11 те са 17 500.

Типичен външен вид на модул за 2,4GHz е даден на фиг. 4б (този на ред 8 от табл. 2), а характерно разположение на елементите е на фиг. 4в (модулът на ред 12). Често даден модул има разновидности с еднакви параметри, но различни възможности за свързване – фиг. 4г е за този на ред 2.

Модули с обхвати 2,4 GHz и 5 GHz (наричат се още Low Band и High Band). Спомената вече не особено голяма разлика в структурата на модулите за 2,4 GHz и 2,4/5 GHz е причина за съществуването на серии, съдържащи двата типа модули – от такива са дадените на редове 2 и 3 от табл. 3.

За осигуряване на добро покритие и в двата обхвата понякога се използва по една външна антена за всеки от тях, какъвто е модулът на ред 3.

Приемо-предаватели
Освен логичните термини Wi-Fi Transceiver и IEEE 802.11 Transceiver се ползват още IoT Link Controller и (макар и неправилно) 802.11 Wireless Module. Няма принципни ограничения за обхватите им, но засега има приемо-предаватели само за 2,4 GHz.

В сравнение с фиг.1 те не съдържат uC, някои модели са без памет, а в други тя е с малък обем, докато блокът I/O ползва един или повече от интерфейсите в универсалните модули.

Необходимият за работата им външен микроконтролер не е специализиран и обикновено може да е евтин и маломощен, като в документацията на приемо-предавателите се отбелязват препоръчваните модели. Идея за структурата на приемо-предавател се добива от фиг. 5, която е на двете разновидности от ред 2 на табл. 4 с разлика между тях наличието на печатна антена в едната и извод за външна в другата.

Виждат се съществуващата памет, единственият интерфейс SPI, входът Hibernate за привеждане в чакащ режим и изходът за индикация на режим прекъсване.

Приемо-предавателите се ползват за обмен на неголямо количество данни, например такива за индустриални и дистанционни управления, от сензори, в енергетиката, за битови и медицински прибори, а съществуването им се оправдава от по-малките постояннотокова консумация и цена и евентуално намалени размери в сравнение с универсалните модули.

Комбинирани модули
Те ползват Wi-Fi и класическата система Bluetooth, към която често се прибавя разновидността с намалена постояннотокова консумация Bluetooth Low Energy (BLE) и по-рядко друг стандарт.

Класическата Bluetooth се основава на стандарта IEEE 802.15.1 и с изключение на Франция, Испания и Япония ползва обхвата 2400-2483.5 MHz, разделен на 79 канала с носещи честоти през 1 MHz (трите страни имат 23 канала в горната му част), като максималната Pout в трите й класа е 0 dBm, +4 dBm и +20 dBm.

За разлика от Wi-Fi системата е предвидена за връзки на по-малки разстояния и съответно изграждане на лични комуникационни мрежи (Wireless Personal Area Network) WPAN. Разновидността BLE има варианти Bluetooth 4.0 и Bluetooth 4.1 е за връзки на още по-малко разстояние, основно между два прибора с батерийно захранване.

Отново се използва обхватът 2,4 GHz с начало 2402 MHz, разделен на 40 канала с носеща честота през 2 MHz, а максималната Pout е +10 dBm. Тези различия на двете разновидности от Wi-Fi показват, че за реализацията на комбинираните модули може да се използва структурата на фиг.1 чрез подходящи добавки, но не принципни видоизменения на блокове I/O и uC, например последният трябва да може да сменя каналите в съответствие с различните им от Wi-Fi носещи честоти.

Същото се отнася и за по-редкия случай на допълнително прибавяне на работа и с ZigBee (стандарт IEEE 802.15.4). Потвърждение на казаното е структурата на модула от ред 4 на табл. 5, дадена на фиг. 6.

В него като общ блок са обединени I/O и uC от фиг. 1 и чрез куплунга J4 по 6-проводна връзка се обменят данните на интерфейса SDIO на Wi-Fi, по 5-проводна тези на UART за Bluetooth, по двупроводна на интерфейса I2С с вградената EEPROM, подава се разрешение за работа на модула по един от стандартите (входове WLAN-En и BT-En) и на вградения осцилатор (LPO-In).

Блокът Tx/Rx-switch&PA включва RFTx и RFRx заедно с необходимия високочестотен усилвател на мощност и след него към антената са отделните нискочестотни филтри за Wi-Fi и Bluetooth и превключвателят.

Връзките 5G-Tx и 5G-Rx са на предавателя и приемника за 5 GHz на Wi-Fi, на тези за 2,4 GHz са 2G4-Tx и 2,4G-Rx, на Bluetooth e BT-Tx/Rx и управленията са съответно Tx/Rx-SW за превключване предаване-приемане, 5G-PAE за включване на на усилвателя на мощност за 5 GHz и 2G4-PAE на този за 2,4 GHz.

При ползване на табл. 5 трябва да се има предвид, че са дадени само част от стойностите на токовете ITx и IRx и на чувствителността, която зависи от конкретния стандарт 802.11 и от скоростта на обмен на данни. Освен това за BLE вместо ITx/IRx се дава консумираният ток IVDD от VDD при определен интервал от време между две предавания на данни.

Специфична особеност на модула на ред 3 е работата и със стандарта ZigBee при голямата чувствителност от -102 dBm – нормално приемане с минимална мощност на входния сигнал 6,31.10-14 W, което при входно съпротивление 50 ома означава при напрежение 1,78 mV.

Други модули
Ползваните за свързване на компютърни и телекомуникационни мрежи мостове имат като своя разновидност модули с наименование безжични мостове (Wireless Bridge, Wi-Fi Bridge) съответно за безжични LAN с логично съществуващите възможности за връзка точка до точка (Point-to-Point) и точка до много точки (Point-to-Multipoint).

Освен като модули те се оформят и като част от такива често и с други функции, и в зависимост от начина на действие съществуват няколко техни разновидности. Първата (Wi-Fi Bridge Mode) определя точно работата им като мост и осигурява свързване на две или повече АР помежду им както и с проводникови мрежи обикновено Ethernet - за последното терминът е Wi-Fi to Ethernet и необходимите за реализацията блокове са вградени в АР.

Пример за такъв модул, предназначен за работа с един АР, е WF121, за който производителят Silicon Labs предлага подходящи приложения. Той работи със стандартите 802.11b/g/n и Bluetooth 4.0 и с интерфейсите Ethernet, I2C, SPI, UART и USB, захранва се с две напрежения 2,3-3,6 V и 2,7-4,8 V и има размери 26,2x15,4x2 mm.

Разширяването на обхвата на безжични мрежи се прави чрез модули от типа Wi-Fi Hotspot, като някои модели имат и Ethernet. Съществуват и модули Bluetooth to Wi-Fi Bridge за връзка между Wi-Fi мрежа и битови прибори с Bluetooth, пример за каквито е WB50NBT на Laird Technologies, работещ с 802.11a/b/g/n и Bluetooth 4.0, и с габарити 47x37x4,9 mm.