【WiFi】Wi-Fi HaLow技术

目录

1.10大Wi-Fi物联网芯片

2.面向物联网的无线通信技术对比

3.Wi-Fi HaLow值得期待

4.选择IoT Wi-Fi芯片和模块时需要考虑哪些因素?

5.Wi-Fi 6 IoT芯片

5.1.乐鑫科技ESP32-C6

5.2.高通Immersive Home 318平台

6.WiFi + BLE IoT芯片

6.1.博流智能 BL602/BL604

6.2.博通集成 BK7231U Wi-Fi SOC芯片

7.智能灯具

7.1.Silicon Labs WGM160 Wi-Fi模块

7.2.NXP 88MW320/322 Wi-Fi SoC

8.智能家居

8.1.紫光展锐V5663

8.2.联盛德W800

8.3.亮牛半导体LN882X

8.4.南方硅谷M169


【WiFi】Wi-Fi HaLow技术_第1张图片

1.10大Wi-Fi物联网芯片

        在向大家我们精心挑选的10家公司及其物联网Wi-Fi芯片/模块之前,先简要介绍一下面向物联网应用的无线通信技术、Wi-Fi联盟专门针对物联网而制定的Wi-Fi HaLow标准,以及在为物联网应用设计选择Wi-Fi芯片和模块时应考虑哪些因素。

2.面向物联网的无线通信技术对比

        随着智能家居、智能表计、智能交通、智能安防,以及工业物联网的发展,针对物联网应用的无线通信技术也得到了快速发展。适合物联网的无线通信技术主要有两类:一是Wi-Fi、ZigBee和蓝牙等短距离通信;另一类是低功耗广域网(LPWAN)通信技术,LPWAN又可细分为两类:工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术;以及工作于授权频谱下,3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术,比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。

【WiFi】Wi-Fi HaLow技术_第2张图片 物联网无线通信技术对比

        不同的无线技术在组网、功耗、通讯距离、传输速度和安全性等方面各有优缺点,因此各有不同的适用场景。例如,Sub-1GHz技术适用于传输距离远、电池供电的应用环境;蓝牙适合高速、传输更多信息及通过手机操控的场景。

3.Wi-Fi HaLow值得期待

        Wi-Fi在物联网应用中也比较普遍,但连接不稳、效率不高和时断时续等一直是WiFi技术让人头疼的问题。为了让Wi-Fi在万物互联的时代更加普及和持续为社会和人们创造价值,Wi-Fi联盟专门制定了IoT Wi-Fi标准 —— WiFi HaLow,其IEEE代号是802.11ah。这一新的Wi-Fi标准的优势在于功耗低,传输距离长,特别适合小尺寸、电池供电的可穿戴设备,以及工业互联网部署。

【WiFi】Wi-Fi HaLow技术_第3张图片 WiFi HaLow的特性和优势

         Wi-Fi HaLow(包含IEEE 802.11ah技术的产品名称)通过在低于1 GHz的频谱下运行来增强Wi-Fi功能,以提供更大的传输范围和更低的功耗。Wi-Fi HaLow可满足物联网(IoT)的独特要求,适合工业、农业、智能建筑和智慧城市环境中的各种应用。Wi-Fi HaLow可实现传感器网络和可穿戴设备等应用所需的低功耗连接,其有效传输范围比许多其他物联网技术更长,并且在干扰严重的恶劣环境下仍可提供稳定的连接,其中穿透墙壁或其他障碍的能力是一个特别的优点。

【WiFi】Wi-Fi HaLow技术_第4张图片 Wi-Fi联盟制定的最新技术标准HaLow及其它WiFi标准组合

        作为Wi-Fi标准组合的一部分,Wi-Fi HaLow实现了WiFi通信更全面的无线连接。Wi-Fi HaLow可以提供用户期望从Wi-Fi获得的许多好处,比如多供应商互操作性,易于设置且不会破坏现有Wi-Fi网络,以及最新的Wi-Fi安全性。

【WiFi】Wi-Fi HaLow技术_第5张图片

        HaLow运行在900MHz频段上,而非现在流行的2.4GHz和5GHz频段,这一频段更适合小量数据负荷以及低功耗设备,尤其适合智能手表和智能家居设备。美国使用902MHz至928MHz的免许可频段,其它国家也使用1GHz以下的类似频段。虽然大多数Wi-Fi设备在理想条件下最大只能达到100m的覆盖范围,但HaLow在使用合适天线的前提下可以远达1km,信号更强,且不容易被干扰。HaLow号称传输距离是标准2.4GHz Wi-Fi的两倍,而且穿墙能力更强。 

4.选择IoT Wi-Fi芯片和模块时需要考虑哪些因素?

        Wi-Fi芯片厂商和模块开发商通常会按各种参数列出模块产品组合,包括RF频段、数据速率、传输范围和认证等。因此,需要根据满足所需应用规范的参数来过滤WiFi模块。

在为设计项目选择最佳的IoT Wi-Fi模块时,需要考虑以下一些最重要的因素。

  • 物联网架构:首先要做出的重要决定是 “单芯片”解决方案,还是“主处理器 + Wi-Fi模块”解决方案。IoT MCU在一个芯片中运行Wi-Fi堆栈和主机应用程序,这是一种“单芯片”解决方案。这种配置非常适合对尺寸要求比较严格的嵌入式设备,因为可以减少器件数量,有助于简化PCB布线和布局。在软件方面,这种配置非常适合中小型RF协议栈,可在物理层和顶层应用之间平均分配内存。一些Wi-Fi模块(例如乐鑫ESP32,TI CC3200和Microchip SAMW25)非常适合此类IoT架构。基于这种架构构建的一些物联网应用包括远程监控和智能安全系统、资产跟踪和可穿戴式设备监控等。

“主处理器 + Wi-Fi模块”解决方案是包含Wi​​Fi堆栈,并且有单独的处理器运行主机应用程序。这种架构非常适合定义明确且不经常更改的Wi-Fi技术。开发人员可以依赖打包的Wi-Fi堆栈,因此它可将MCU上的Wi-Fi开销降至最低,从而简化代码开发工作。Wi-Fi堆栈和应用程序层的分离使得MCU可以在IoT应用上投入最大的硬件资源和带宽。家庭自动化、智能电器、智能电表等物联网应用就是使用这种架构的一些示例。

  • Wi-Fi协议支持:IEEE 802.11有一系列无线LAN标准,包括802.11 a / b / g / j / n / p / ac / ad / ah,并且每个标准都有不同的规格要求。选择这些协议时,需要权衡三个关键因素:数据速率、传输范围和功率要求。例如,802.11n、802.11ac和802.11ah协议具有IoT多媒体应用所需更得高数据速率优势,而像802.11b / g这样的协议在功耗要求方面具有优势。因此,根据项目要求,最适合的IoT Wi-Fi芯片和模块取决于IoT应用的需求和用途。
  • 工作频率:IEEE 802.11标准在不同的指定频率范围内工作,并分为多个通道。各国有自己的规则来确定在这些频带内使用的允许信道、用户和最大功率水平。现在,许多WiFi模块都在5GHz和2.4GHz上提供双频支持,并为部署和管理移动IoT设备提供了很大灵活性。
  • Wi-Fi安全性:在允许物联网设备使用Wi-Fi连接到互联网之前,确保Wi-Fi支持所需的安全标准非常重要。所有主流的IoT Wi-Fi模块至少支持多种WiFi安全标准之一,例如WPA、WPA2、WPA3、WPS等。每个安全标准都有其优点和缺点,因此选择最适合的安全需求很重要。
  • 硬件接口:通常,WiFi模块与许多I / O和外围接口支持捆绑在一起,以适应不同的需求。首选USB、SPI或SDIO、PCIe接口来支持高数据吞吐量应用。典型的接口还有UART、I2C、I2S和其他接口。
  • 认证:各个国家/地区都有自己的无线通信法规认证,要使IoT设备进入这些市场就需要合规认证。因此,对于商业应用,必须选择具有RF认证屏蔽功能的WiFi模块(例如FCC)。

本文从众多国际和本土厂商中挑选10家面向物联网应用的Wi-Fi芯片/模块,并按照Wi-Fi 6、WiFi+BLE、智能家居、白色家电和智能灯具等细分类别进行了划分,供工程师做IoT应用设计时参考。

5.Wi-Fi 6 IoT芯片

5.1.乐鑫科技ESP32-C6

        ESP32-C6 是乐鑫科技首款集成 Wi-Fi 6 + Bluetooth 5 (LE) 的 32 位 RISC-V SoC,具有极低功耗和高性价比,能够大幅提升物联网设备的 Wi-Fi 传输效率,提供安全可靠的连接性能。目前,ESP32-C6 已通过 Wi-Fi 联盟认证。ESP32-C6搭载 RISC-V 32 位单核处理器,时钟频率高达 160 MHz,内置 400 KB SRAM,384 KB ROM,并支持多个外部 SPI、Dual SPI、Quad SPI、QPI flash。ESP32-C6 具有 22 个可编程 GPIO 管脚,支持 ADC、SPI、UART、I2C、I2S、RMT、TWAI 和 PWM。

【WiFi】Wi-Fi HaLow技术_第6张图片 ESP32-C6 功能框图

        ESP32-C6 的独特之处在于提供了对 2.4 GHz Wi-Fi 6 协议 (802.11ax) 的支持,并向下兼容 802.11 b/g/n。为优化和提升物联网设备性能,ESP32-C6 支持 802.11ax 的仅 20 MHz 信道带宽工作模式,以及 802.11b/g/n 协议的 20/40 MHz 带宽。此外,802.11ax 还支持 Station 工作模式,为设备提供更高的传输速率和更低的功耗。Bluetooth 5 (LE) 可基于广播扩展 (Advertising Extensions) 和 Coded PHY 实现远距离通信。它还支持 2 Mbps PHY,用于提高传输速率和数据吞吐量。

        ESP32-C6 支持上行、下行正交频分多址 (OFDMA) 接入和下行多用户多输出多输入 (MU-MIMO) 接入机制,均能实现在拥堵的无线网络环境中,进行高效率、低延迟的工作。802.11ax 协议的另一个重要功能是目标唤醒时间 (Target Wake Time, TWT),使设备在支持 802.11ax 的 Wi-Fi 接入点协助下延长睡眠时间。这一特性将允许 ESP32-C6 用户构建由电池供电的物联网设备,设备可以基于电池电量使用数年,并始终保持连接状态。

        ESP32-C6 支持基于 RSA-3072 算法的安全启动、基于AES-128-XTS 算法的 flash 加密、用于保护设备身份安全的数字签名和 HMAC 模块,以及用于提高性能的加密加速器。这些安全机制确保了由 ESP32-C6 构建的设备具有高标准的安全级别。

        ESP32-C6 依旧沿用乐鑫的物联网开发框架 ESP-IDF,ESP 用户可以基于熟悉的开发平台,轻松构建 ESP32-C6 应用。用户如果想将 ESP32-C6 用作外部主机的协处理器,可选择乐鑫 ESP-Hosted 和 ESP-AT 固件。

5.2.高通Immersive Home 318平台

        Home 318是一个8流Wi-Fi 6E网络平台,支持高通Tri-Band Wi-Fi 6,同时支持在2.4和5GHz频带上的差异化Wi-Fi 6功能组合,其中多达4个专用于支持6GHz频带的流,160MHz信道可用于提供角落到角落的千兆级连接。Home 318平台采用4x4 Wi-Fi 6E配置,可提供更高的性能,范围和/或客户数量,通过支持将性能限制回程流量迁移至Tri-Band Wi-Fi 6E,为应用提供了极大的灵活性。

        其功能特性如下:在2.4、5和6GHz频段(包括160MHz信道)之间提供同步操作;可将网状Wi-Fi节点之间的流量迁移到6GHz频段;多用户流量管理提供了先进的调度算法和缓冲,并具有通用的上行链路数据支持;安全套件提供最全面的WPA3支持,以及先进的嵌入式加密加速器;带有开放API移植的电信级增强功能,可用于多源开发;Mesh Wi-Fi选项包括Wi-Fi SON,Wi-Fi Alliance的Wi-Fi CERTIFIED EasyMesh标准以及OpenSync开源软件;使用双核A53处理器和网络加速器以支持高性能本地计算。

6.WiFi + BLE IoT芯片

6.1.博流智能 BL602/BL604

        BL602/BL604芯片的无线子系统包含2.4G无线电、Wi-Fi 802.11b / g / n和Bluetooth LE 5.0基带/MAC设计。其微控制器子系统包含低功耗32位RISC-V CPU、高速缓存和存储器。电源管理单元可控制低功耗模式。其外围接口包括SDIO,SPI,UART,I2C,IR远程,PWM,ADC,DAC,ACOMP,PIR等,支持灵活的GPIO配置。 BL602共有16个GPIO,而BL604共有23个GPIO。

        该系列芯片的无线功能包括:Wi-Fi 802.11 b / g / n;低功耗蓝牙5.0,具有BLE协助的Wi-Fi快速连接,Wi-Fi和BLE共存;Wi-Fi安全WPS / WEP / WPA / WPA2 / WPA3;STA,SoftAP和嗅探模式;多云连接;2.4 GHz射频收发器;集成射频巴伦,PA / LNA。

        其安全功能包括:安全启动;安全调试;XIP QSPI即时AES解密(OTFAD);AES 128/192/256;SHA-1 / 224/256;TRNG(真随机数生成器);PKA(公钥加速器)。

        应用领域:低功耗物联网应用、Wi-Fi连接、BLE连接、家用电子产品、遥控器等。

6.2.博通集成 BK7231U Wi-Fi SOC芯片

        符合802.11b/g/n 1x1协议 2. 17dBm 输出功率;支持20/40 MHz带宽和STBC;支持Wi-Fi STA、AP、Direct模式;支持蓝牙5.1协议,-90dB灵敏度和20dBm输出功率 ;片内MCU;最高频率120MHz;片内256Kbyte数据RAM;内置2MB FLASH,支持透明下载 ; 6路32位 PWM;多路程序下载与JTAG接口;全速USB主机和设备; 50MHz SDIO和SPI接口,并支持主从模式;支持两路I2C接口;支持两路高速UART;6路32位PWM;麦克风信号放大;内置多通道ADC;支持8位DVP 图像传感器;32字节eFUSE。

7.智能灯具

7.1.Silicon Labs WGM160 Wi-Fi模块

        关键 RF 特性:1x1 802.11n,具有全面的 802.11 b/g 兼容性,72.2 Mbps;Greenfield Tx/Rx 实现最优 802.11n 性能;Short Guard Interval (SGI) 实现 802.11n 最优吞吐量;A-MPDU Rx 和 Tx 实现高 MAC 吞吐量;面向多个帧的块确认;Rx 碎片整理;支持漫游;支持客户端、SoftAP 模式;支持同时 AP + STA;TX 功耗:+16 dBm;RX 灵敏度:-95.5 dBm;2 块 2.4 GHz 天线板,实现全面天线多样性支持;2.4 GHz 共存性;2、3 和 4 线 PTA 支持;

        认证:FCC、CE、ISED/IC、KCC 和 MIC/TELEC 认证。

        MCU 功能和主机接口:72 MHz 的 ARM Cortex-M4;板载闪存:2048 kB;板载 RAM:512kB;超低能耗操作;80 μA/MHz(能耗模式 0 (EM0));2.1 μA EM2 深度睡眠电流(RTCC 运行及状态和 RAM 保留);硬件加密引擎支持 AES、ECC、SHA 和 TRNG;UART 和 USB 串行接口。

7.2.NXP 88MW320/322 Wi-Fi SoC

        88MW320/322 Wi-Fi片上系统(SoC)是内置Arm Cortex-M4F内核和802.11 b / g / n Wi-Fi功能的微控制器芯片。该SoC专为家庭、企业和工业自动化的智能设备以及智能配件而设计,具有以下优化特性:支持Amazon Alexa语音服务(AVS);高度集成的SoC,只需很少的外部组件即可实现完整的系统运行;多种低功耗模式和快速唤醒时间;单流802.11n / g / b WLAN;低功耗(10 dB)模式的高效功率放大器;Cortex-M4F内核,集成了512KB SRAM和128KB掩码ROM;具有嵌入式32 KB SRAM缓存的闪存控制器,可支持来自外部SPI闪存的XIP;安全启动;独特的硬件位可通过芯片组对SDK进行身份验证;全套数字和模拟I / O接口。

8.智能家居

8.1.紫光展锐V5663

        V5663是支持Wi-Fi 5+蓝牙 5+MCU的 AIoT解决方案,具有技术领先、算力强大、安全可靠、应用丰富、易于开发五大特性,可广泛应用于智能家居、医疗、儿童教育、美容保健、仓储物流等多个应用场景。

        功能特性如下:支持PSA-M安全认证;采用RTOS完成双麦VAD/语音唤醒打断音频处理功能;支持Wi-Fi 5 / 蓝牙5.0 / MCU高集成单芯片;支持ARM CM33 Combo连接芯片,采用ARM Cortex M33 ARMv8-M架构,支持TrustZone;外围接口包括USB2.0/3.0,eMMC, PWM, PDM, IIS等接口;Wi-Fi 2.4/5G双频,MU-MIMO;支持蓝牙AOA AOD+Wi-Fi RTT融合定位;BT5.0: 双模,长距离,Mesh,AoD;支持802.11ac 1X1 2X2等丰富的产品组合。

8.2.联盛德W800

        联盛德W800 芯片是一款安全 IoT Wi-Fi/蓝牙双模 SoC 芯片。支持 2.4G IEEE802.11b/g/n Wi-Fi 通讯协议;支持 BT/BLE 双模工作模式,支持 BT/BLE4.2 协议。该芯片集成 32 位 CPU 处理器,内置 UART、GPIO、SPI、I2C、I2S、7816 等数字接口;支持TEE安全引擎,支持多种硬件加解密算法,内置 DSP、浮点运算单元,支持代码安全权限设置,内置 2MBFlash 存储器,支持固件加密存储、固件签名、安全调试、安全升级等多项安全措施,保证产品安全特性。适用于智能家电、智能家居、智能玩具、无线音视频、工业控制、医疗监护等广泛的物联网领域。

8.3.亮牛半导体LN882X

        LN882X芯片是亮牛半导体推出的新一代超高集成度Wi-Fi芯片,集成了​片上匹配网络、WIFI射频、CMOS PA、LNA、基带、电源管理模块,以及主控MCU ARM Cortex-M4F,极大降低外围电路的复杂度和成本,具有极低的功耗和优秀的射频性能。

        功能特性如下:支持Wi-Fi 2.4GHz 802.11 b/g/n,支持STA/AP/STA+AP操作模式,支持WPA/WPA2;支持宽电压供电;SPI/SDIO/UART接口;主SPI/I2C;I2S, PWM和GPIO;多通道ADC;QSPI FLASH带高速缓存;MCU时钟速率80/160MHz;用户代码可用空间高达4MB Flash;开放灵活的SWD调试接口。

8.4.南方硅谷M169

        M169模组是南方硅谷与AliOS Things 联合开发的高性价比板载天线嵌入式WIFI模组。该模组硬件上集成了WLAN MAC、Baseband、RF,最高主频160MHz,内置192KB SRAM,2MB flash。整个模组用3.3V单电源供电,采用邮票孔SMT安装方式。

        这一IoT Wi-Fi方案已经通过AliOS Things认证,支持终端设备连接到阿里云,具有超低功耗和超低内存的特点,适用于各种小型IoT设备,可广泛应用在智能家居、智能城市、新出行等领域。

        其Wi-Fi 相关特性包括:支持802.11 b/g/n 无线标准;支持WEP、WPA/WPA2 安全模式;支持Station 模式。该模组处理器采用Andes N10 处理器,128K ROM 和192KB SRAM,集成16Mbit SPI flash。可提供的外设端口包括:2X UART、5XPWM、4X ADC、1XI2C、1XSPI_M、14XGPIO(复用UART,PWM,ADC,I2C,SPI_M)。

        该WIFI模组已经获得的认证:WI-FI 联盟、FCC、CE和SRRC。其适用产品和应用场景包括:智能插座、智能灯控、智能交通、智能家电、智能安防、工业自动化等。

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