运用RS9116 Wi-Fi入门套件开发低功耗、多协议物联网应用

在众多无线技术中,wi-fi无疑是非常成功的。根据strategy analytics预测,在2022年至2027年间,全球wi-fi系统出货量将以每年7.5%的速度增长。而且值得注意的是,在所有部署wi-fi的设备中,物联网设备的比例越来越高,这也就意味着除了pc、手机、平板电脑这些wi-fi传统的优势领域外,其在智能家居、可穿戴、工业、医疗等物联网领域中的应用空间也在不断扩展。
物联网wi-fi的兴起
作为wi-fi的“重度用户”,如果让我们列举wi-fi的优势,大家都能侃侃而谈:数据吞吐量更高,可以几乎没有延迟地传输音频和视频流;覆盖范围足够大,可以满足局域网的连接需求;能够提供持续的云连接,而无需额外的网关……不过从这些优势中,我们也可以明显看出,wi-fi从“出身”上来讲并不是为物联网而设计的,与其他物联网无线技术相比,部署并应用数据吞吐量更大的wi-fi,注定需要更复杂的协议、更高的功率,以及更高的成本,这与物联网应用的“调性”显然是相悖的。
然而,庞大的物联网市场实在是太诱人了,坐拥海量用户的wi-fi如果不掺和一下,肯定是心有不甘;而且更重要的是,wi-fi虽然有短板,但是人们逐渐发现其在物联网领域也有独特的优势。
以我们所熟悉的智能家居应用为例,其中很多智能化设备(如智能锁、传感器、智能灯泡、恒温器和开关灯等)都是由电池供电的,因此它们大都采用ble、zigbee、z-wave等低功耗、低吞吐量的无线连接技术,而这些无线协议并非基于ip,因此无法直接连接到互联网以实现云端互联或远程访问,这就需要部署一个专门的网关做协议的转换处理,相应地也就增加了物联网部署的成本和复杂性。
而标准wi-fi协议是基于ip的,因此可以直接连接到家庭无线路由器,并与云端实现互联,在部署时不会增加额外的集线器或网关成本。与其他物联网无线技术相比,这显然是一个明显优势。因此基于标准wi-fi协议,一种中低吞吐量(足够支持物联网设备数据传输)、功耗更低的物联网wi-fi也就应运而生。这种具有低功耗、低资源使用率、支持远程局域连接、具有安全功能且低成本的无线技术,自然是很多物联网设备开发的理想选择。
图1:各种无线技术性能比较
(图源:silicon labs)
构建物联网wi-fi的技术考量
虽然物联网wi-fi基于标准wi-fi协议,但是其定位与那些追求更高传输速率、更大数据吞吐量的传统wi-fi应用还是有差异的,因此在构建时需要更细致的技术考量。
基于ieee 802.11标准的wi-fi技术经过20多年的发展,历经多次技术更迭,形成了多种技术规格,而其中并非所有的技术规格都适用于物联网应用。具体来讲,“版本较低”的802.11 b/g/n是当下物联网设备中使用的主流wi-fi规格,其主要原因也不难理解:一是速率更高的802.11ac (wi-fi 5)会带来更高的协议复杂性、更高的功耗和系统成本,在物联网应用中并不划算;二是802.11 b/g/n这几个wi-fi规格是基于2.4 ghz的(其中802.11 n,即wi-fi 4,可同时支持2.4 ghz和5 ghz双频段),与5 ghz的802.11ac相比具有更大的传输范围和更强的穿透力,这也是物联网应用中一个很关键的性能指标。
好消息是,最新的802.11ax(wi-fi 6)规格针对物联网应用的需要,在支持更多数量的设备联网、低功耗特性等方面做了卓有成效的优化,而且由于向后兼容以前wi-fi规格的产品,这对于未来物联网wi-fi的发展将是一个有力的推动。
图2:不同wi-fi技术规格的特性
(图源:silicon labs)
从元器件层面考虑,物联网wi-fi芯片级解决方案在锁定合适的wi-fi规格基础上,也需要在以下这些方面进行特别的优化。
  低功耗
芯片的设计需要根据目标物联网应用,特别在数据吞吐量和功耗之间实现最佳的平衡;同时也需要综合利用低功耗设计和工艺技术,满足这个物联网应用的刚需。
  多协议
在越来越多的物联网应用场景中,需要支持多种无线协议,比如同时支持wi-fi和蓝牙,这有利于将采用非ip无线协议的设备轻松配置到wi-fi无线路由器中,也可以让不同的无线技术互为备份,增强连接的可靠性。
  安全性
由于物联网设备面临的安全威胁越来越严峻,因此提供足够的安全性,也是物联网wi-fi芯片必须应对的挑战。
  足够的算力
随着物联网边缘设备越来越智能,wi-fi芯片在性能上除了要运行无线通信协议外,还要有“余力”运行应用程序、支持安全功能,甚至是实现机器学习和ai应用,这就需要可扩展的软硬件架构进行支撑。
  简化的开发
简化物联网wi-fi应用开发过程非常重要,此举能够为开发者提供更大的增值、无线和网络协议栈、完备的软硬件开发工具、与云服务平台的完整连接方案等,这些都是需要考虑整合的资源。
物联网wi-fi的开发平台
了解了上述物联网wi-fi芯片级解决方案的要求,开发者在芯片方案的选择上就可以按图索骥、有的放矢了。不过在实际的选型开发中,我们经常会发现某款产品在某些方面具有很独特的优势,但是如果想要找到一款在上述各个方面表现都很出色的“全能型”的芯片平台,却并不容易。
今天,我们就为大家找到了这样一款物联网wi-fi芯片平台——silicon labs的rs9116系列soc。它有哪些能够让人眼前一亮的“芯”技能?我们一起来探究一番。
图3:rs9116系列soc
(图源:silicon labs)
  低功耗
在低功耗方面,rs9116系列soc具有多种电源管理模式,包括传输、接收和睡眠模式等,可以让“始终在线”的物联网无线连接应用实现更低的功耗。从以下这些关键参数来看,其性能表现十分抢眼,如:wi-fi备用关联模式电流50μa(1秒信标广播间隔);wi-fi 1 mbps侦听电流14ma;wi-fi lp链rx电流19ma;深度睡眠电流小于1μa,待机电流(关闭模式)小于10μa。
图4:rs9116系列soc系统框图
(图源:silicon labs)
多协议
支持多协议也是rs9116系列soc的一大亮点,在rs9116内部,配置有协议仲裁管理器管理多个无线协议共存。在wi-fi协议方面,rs9116系列不仅支持主流的802.11 a/b/g/n(2.4ghz和5ghz),还支持802.11j这个针对日本4.9ghz-5ghz频段的协议;此外rs9116还支持双模蓝牙5,以及802.15.4——也就是说在该soc上能够运行thread或zigbee协议,这就为探索多协议无线物联网应用提供了更大的空间。
图5:rs9116系列soc和模块支持多模无线电,并可扩展支持5ghz频段
(图源:silicon labs)
安全性
为了确保安全性,rs9116系列soc内置了多种安全功能,如aes128/256等加速器、支持wpa/wpa2个人版和企业版客户端等。同时,rs9116使用puf(物理不可克隆功能)进行硬件设备识别和密钥存储,以提供更全面的安全保障。
灵活性
rs9116系列soc可支持托管(n-link)和嵌入式(wiseconnect)两种不同的工作模式,它们分别对应着不同的软件架构和主机接口,以便与不同的处理器系列和操作系统集成,这为开发带来了极大的灵活性。
图6:rs9116系列soc的两种工作模式
(图源:silicon labs)
在托管模式中,rs9116可通过sdio 2.0和usb hs接口与一个32位的mcu主机连接,wi-fi协议栈、蓝牙以及zigbee、thread等无线协议栈和配置文件以及所有网络协议栈都在主机上运行。而在嵌入式模式下,rs9116通过uart、spi、sdio和usb cdc接口与一个主机连接,这时wi-fi协议栈、tcp/ip协议栈、ip模块、蓝牙协议栈和zigbee pro协议栈都在rs9116w中运行,仅有部分蓝牙配置文件和所有zigbee配置文件由主机处理,这时只需一颗8位mcu作为主机就可胜任。开发者可以根据自己的目标应用,选择最合适的系统结构和工作模式。
开发资源丰富
丰富的配套开发资源,是rs9116系列一个非常显著的优势。比如通过simplicity studio这个集成各种silicon labs技术、soc和模块的统一开发环境,用户可以访问web和sdk资源、软件和硬件配置工具,以优化开发流程,加速项目的实施。
silicon labs还为rs9116 soc和模块提供配套的开发套件,如下面这个rs9116 wiseconnect开发工具,就可以很方便地用来评估rs9116 soc和模块,其可在托管模式和嵌入式模式配置下使用,具有低功耗、多软件架构和不同的主机接口。该开发套件的软件开发工具包中还提供基于无线简单api(sapi)的示例、开源linux驱动程序、快速评估所需的演示示例,可以说rs9116系列soc和模块评估和开发所需的资源,已经尽在其中。
图7:rs9116 wiseconnect开发工具
(图源:silicon labs)
综上所述,rs9116系列就是专为物联网设计的低功耗 wi-fi soc,在提供足够性能的同时,通过全方位的优化显著降低了功耗、支持多协议无线应用、减少了mips要求,并实现了足够高的安全性,加之丰富易用的开发资源,为大家提供了一个理想的物联网wi-fi解决方案。
赋能物联网wi-fi应用
rs9116物联网wi-fi解决方案的优势特性,使其在很广泛的物联网应用中都可以施展拳脚。
比如kudelski公司基于rs9116无线模块开发了一块新型无线资产跟踪设备——recovr,既能满足汽车经销商对车辆在展厅、车库以及室外对车辆进行跟踪的需求,实现轻松高效的批次管理,又能为消费者提供安全的失窃寻回解决方案。在其中,rs9116无线模块的低成本、多协议无线通信(蓝牙和wi-fi)和低功耗的优势发挥得淋漓尽致:wi-fi + 蓝牙的双模功能,可以提供高吞吐量和更大的覆盖范围,以及更稳定的连接;同时,基于ble蓝牙低功耗技术,recovr还可提供室内定位的功能,作为gps室外定位功能的延展;整个方案价格适中,采用电池供电并支持数年的续航。
特别值得一提的是,rs9116物联网wi-fi产品也已经被整合到silicon labs完整的matter开发解决方案中,与silicon labs的2.4 ghz无线mg24 soc配合使用,可以支持matter over wi-fi 4的开发,并在未来无缝而轻松地过渡到silicon labs的wi-fi 6单芯片matter soc上,彻底解决智能家居领域产品“碎片化”的难题。
图9:基于rs9116的matter over wi-fi 4解决方案
(图源:silicon labs)
本文小结
物联网应用通常受到功率、尺寸和资源的约束,与此同时又会面临不断增加的数据吞吐量、安全威胁方面的挑战。在很多应用场景中,物联网wi-fi不失为一种理想的解决方案。
silicon labs的rs9116系列产品(包括soc芯片和模块)为开发者提供了一个综合表现非常出众的开发平台,特别是多电源管理模式带来的低功耗特性、多协议无线功能带来的应用扩展性、不同工作模式带来的开发灵活性,为大家入门低功耗、多模物联网wi-fi开发,提供了一块“敲门砖”。相信你一旦用上了它,就会爱不释手!
rs9116系列产品 
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