Nowe moduły Wi-Fi z procesorem aplikacyjnym do aplikacji IoT i M2M

Środa, 26 kwietnia 2017 | Technika

Wiele czołowych producentów półprzewodników ma w swoich ofertach układy komunikacyjne realizujące warstwę sprzętową dla Blutetooth, Wi-Fi lub innych standardów komunikacyjnych. Niemniej coraz częściej oprócz chipów dostępne są gotowe moduły na nich bazujące. To dlatego, że w aplikacjach mało- i średnioseryjnych są one korzystniejsze - gotowe do użycia, certyfikowane (FCC/CE/IC) i wyposażone w rozbudowane oprogramowanie.

Nowe moduły Wi-Fi z procesorem aplikacyjnym do aplikacji IoT i M2M

Rys. 1. Moduł Wi-Fi w wersji ze zintegrowaną anteną firmy Antenova, obok wersja z gniazdem UFL

W ofercie STMicroelectronics dostępne są cztery takie moduły realizujące komunikację Wi-Fi (802.11 b/g/n - 2,4 GHz), które są kierowane do aplikacji IoT i M2M. Producent reklamuje je jako rozwiązania plug & play i umożliwiające współpracę z chmurą. Moduły mają zaimplementowany stos TCP/IP oraz łatwe w użyciu funkcje na poziomie aplikacyjnym (jak Serial-to-Wi-Fi b/g/n).

Są sterowane za pomocą komend AT, pozwalają na umieszczenie w pamięci zintegrowanego mikrokontrolera własnej aplikacji stworzonej w środowisku MicroPython i mają komplet niezbędnych certyfikatów niezbędnych do działania zgodnie z wymaganiami prawnymi na całym świecie.

Rys. 2. Pola lutownicze na dolnej stronie modułu pozwalają na prosty montaż na bazowej PCB w technologii SMT

Od strony sprzętowej poza chipem komunikacyjnym zawierają one wzmacniacz mocy w.cz., a także mikrokontroler STM32 z rdzeniem Cortex-M4, układy zegarowe i stabilizatory napięcia. Całość umieszczona jest na małej płytce drukowanej (27×15 mm), łatwej do zamontowania na większej płycie bazowej stanowiącej podstawę konstrukcyjną urządzenia, gdyż pola lutownicze są rozmieszczone na jej obwodzie i mogą być wykorzystane przy montażu SMT i lutowaniu rozpływowym.

W zależności od wersji są wyposażone we wbudowaną antenę (wersje z sufiksem SA w oznaczeniu) lub mają standardowe gniazdo UFL pozwalające na podłączenie anteny zewnętrznej (sufiks SC). Atutem modułów jest mały pobór mocy, pozwalający na wykorzystanie w urządzeniach zasilanych z baterii.

Wybrane parametry SPWF04

wbudowany transceiver 2,4 GHz IEEE 802.11 b/g/n,
wydajny mikrokontroler STM32F439 ARM Cortex-M4 z 256 KB SRAM i 2 MB szybkiej pamięci Flash,
1 MB pamięci Flash do aplikacji i plików użytkownika z możliwością poszerzenia za pomocą karty SD/MMC
zintegrowany stos protokołu TCP/IP
obsługa 8 jednoczesnych połączeń TCP lub UDP i 2 socket servers (każdy obsługuje do 8 klientów)
bezpieczna komunikacja dzięki HTTPS wsparciu dla TLS 1.2, w tym AES (klucz 128, 256 bitów), hash (MD5, SHA-1, SHA-256) i RSA (1024, 2048)
wbudowany web serwer z SSI
tor radiowy zabezpieczony przez WEP, WPA2 PSK, WPA2 Enterprise z funkcją WPS
tryby pracy: station, IBSS i miniAP (obsługujący do 5 użytkowników z SSID i PWD)
bezpieczna aktualizacja oprogramowania i dostęp do plików drogą radiową (OTA)
maksymalna moc nadawania 18,3 dBm @ 1 Mbps DSSS i 13,7 dBm @ 54 Mbps OFDM
bps DSSS i -74,5 dBm @ 54 Mbps OFDM
19 dostępnych dla użytkownika linii GPIO, a także interfejsy UART I²C i SPI
pobór mocy: standby z RTC: 43 µA, sleep = 3 mA, Idle połączony (DTIM=1) = 5 mA, RX traffic 105 mA, TX 260 mA @ 10 dBm
zakres temperatur pracy -40...+85°C
niewielkie wymiary 26,92×15,24×2,35 mm
zasilanie jednym napięciem 3,3 V

Rys. 3. Schemat blokowy modułu SPWF04SA

Wersje SPWF04Sx mają zaimplementowany stos TCP/IP o rozbudowanej funkcjonalności z serwerem web i REST API (REpresentational State Transfer) pozwalającym na dostęp do plików na serwerze znajdującym się w chmurze obliczeniowej, a także z funkcjami SSI umożliwiającymi tworzenie stron internetowych o zmiennej treści. Stos obsługuje wszystkie popularne protokoły jak HTTP, MQTT, SMTP i Websocket, wspiera IPv6, TFTP i mDNS.

Dostęp do parametrów konfiguracyjnych modułu, a także wymienionych funkcji, odbywa się za pomocą komend AT i po użyciu interfejsu SPI. Oprócz tego dla użytkownika dostępny jest interpreter skryptów MicroPhyton (1.6), co pozwala na szybkie stworzenie aplikacji użytkownika korzystającej z zasobów wbudowanego w moduł mikrokontrolera.

Możliwy jest też dostęp z zewnątrz za pomocą MicroPython API. Moduł zawiera 1 MB pamięci Flash przeznaczonej na aplikacje i pliki użytkownika, ale w razie potrzeby, za pośrednictwem wyprowadzonych linii SPI/SDIO (Serial Flash/SD Card), można znacznie rozbudować zasoby pamięciowe.

Tabela. Dostępne moduły Wi-Fi firmy STMicroelectronics

Komunikacja bezprzewodowa jest szyfrowana za pomocą WPA-2, WPA2-Enterprise oraz WPS (Wi-Fi protected setup). Przesyłane dane są szyfrowane za pomocą dostępnej w oprogramowaniu modułu jednostki SSL/TLS. Producent przewidział też możliwość uaktualnienia oprogramowania przez UART, a także drogą radiową (FOTA).

Część radiowa omawianych modułów bazuje na modemie radiowym CW1100 opracowanym jeszcze w 2009 roku we współpracy z firmą Ericsson i dostępnym jako system-na-krzemie (SoC). Jest to jednoukładowe rozwiązanie pracujące w standardzie 802.11b/g/j/n WLAN przeznaczone do aplikacji mobilnych.

Na tle innych produktów tego typu wyróżnia się przede wszystkim małym poborem prądu, co osiągnięto przez wyłączenie pakietowania danych i nadawania beacona z wbudowanego procesora aplikacyjnego do oddzielnych bloków sprzętowych. CW1100 umieszczono w obudowie (WLCSP) o wymiarach 3,9×3,84×0,6 mm.