面向物聯(lián)網(wǎng)的無線通信技術(shù)對比

隨著智能家居、智能表計、智能交通、智能安防，以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無線通信技術(shù)也得到了快速發(fā)展。適合物聯(lián)網(wǎng)的無線通信技術(shù)主要有兩類：一是WiFi、ZigBee和藍(lán)牙等短距離通信；另一類是低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）通信技術(shù)，LPWAN又可細(xì)分為兩類：工作于未授權(quán)頻譜的LoRa、SigFox等技術(shù)；以及工作于授權(quán)頻譜下，3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術(shù)，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。

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物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)對比。（來源：EDN）

不同的無線技術(shù)在組網(wǎng)、功耗、通訊距離、傳輸速度和安全性等方面各有優(yōu)缺點，因此各有不同的適用場景。例如，Sub-1GHz技術(shù)適用于傳輸距離遠(yuǎn)、電池供電的應(yīng)用環(huán)境；藍(lán)牙適合高速、傳輸更多信息及通過手機操控的場景。

WiFi HaLow值得期待

WiFi在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中也比較普遍，但連接不穩(wěn)、效率不高和時斷時續(xù)等一直是WiFi技術(shù)讓人頭疼的問題。為了讓W(xué)iFi在萬物互聯(lián)的時代更加普及和持續(xù)為社會和人們創(chuàng)造價值，WiFi聯(lián)盟專門制定了IoT WiFi標(biāo)準(zhǔn) – WiFi HaLow，其IEEE代號是802.11ah。這一新的WiFi標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢在于功耗低，傳輸距離長，特別適合小尺寸、電池供電的可穿戴設(shè)備，以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)部署。

WiFi HaLow的特性和優(yōu)勢。（來源：WiFi聯(lián)盟）

Wi-Fi HaLow（包含IEEE 802.11ah技術(shù)的產(chǎn)品名稱）通過在低于1 GHz的頻譜下運行來增強Wi-Fi功能，以提供更大的傳輸范圍和更低的功耗。Wi-Fi HaLow可滿足物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的獨特要求，適合工業(yè)、農(nóng)業(yè)、智能建筑和智慧城市環(huán)境中的各種應(yīng)用。Wi-Fi HaLow可實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和可穿戴設(shè)備等應(yīng)用所需的低功耗連接，其有效傳輸范圍比許多其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更長，并且在干擾嚴(yán)重的惡劣環(huán)境下仍可提供穩(wěn)定的連接，其中穿透墻壁或其他障礙的能力是一個特別的優(yōu)點。

Wi-Fi聯(lián)盟制定的最新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)HaLow及其它WiFi標(biāo)準(zhǔn)組合。（來源：WiF聯(lián)盟）

作為Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)組合的一部分，Wi-Fi HaLow實現(xiàn)了WiFi通信更全面的無線連接。Wi-Fi HaLow可以提供用戶期望從Wi-Fi獲得的許多好處，比如多供應(yīng)商互操作性，易于設(shè)置且不會破壞現(xiàn)有Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，以及最新的Wi-Fi安全性。

HaLow運行在900MHz頻段上，而非現(xiàn)在流行的2.4GHz和5GHz頻段，這一頻段更適合小量數(shù)據(jù)負(fù)荷以及低功耗設(shè)備，尤其適合智能手表和智能家居設(shè)備。美國使用902MHz至928MHz的免許可頻段，其它國家也使用1GHz以下的類似頻段。雖然大多數(shù)WiFi設(shè)備在理想條件下最大只能達(dá)到100m的覆蓋范圍，但HaLow在使用合適天線的前提下可以遠(yuǎn)達(dá)1km，信號更強，且不容易被干擾。HaLow號稱傳輸距離是標(biāo)準(zhǔn)2.4GHz WiFi的兩倍，而且穿墻能力更強。

選擇IoT WiFi芯片和模塊時需要考慮哪些因素？

WiFi芯片廠商和模塊開發(fā)商通常會按各種參數(shù)列出模塊產(chǎn)品組合，包括RF頻段、數(shù)據(jù)速率、傳輸范圍和認(rèn)證等。因此，需要根據(jù)滿足所需應(yīng)用規(guī)范的參數(shù)來過濾WiFi模塊。

在為設(shè)計項目選擇最佳的IoT WiFi模塊時，需要考慮以下一些最重要的因素。

• 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)：首先要做出的重要決定是 “單芯片”解決方案，還是“主處理器+ WiFi模塊”解決方案。IoT MCU在一個芯片中運行WiFi堆棧和主機應(yīng)用程序，這是一種“單芯片”解決方案。這種配置非常適合對尺寸要求比較嚴(yán)格的嵌入式設(shè)備，因為可以減少器件數(shù)量，有助于簡化PCB布線和布局。在軟件方面，這種配置非常適合中小型RF協(xié)議棧，可在物理層和頂層應(yīng)用之間平均分配內(nèi)存。一些WiFi模塊（例如樂鑫ESP32，TI CC3200和Microchip SAMW25）非常適合此類IoT架構(gòu)。基于這種架構(gòu)構(gòu)建的一些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用包括遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能安全系統(tǒng)、資產(chǎn)跟蹤和可穿戴式設(shè)備監(jiān)控等。

“主處理器+ WiFi模塊”解決方案是包含Wi??Fi堆棧，并且有單獨的處理器運行主機應(yīng)用程序。這種架構(gòu)非常適合定義明確且不經(jīng)常更改的WiFi技術(shù)。開發(fā)人員可以依賴打包的WiFi堆棧，因此它可將MCU上的WiFi開銷降至最低，從而簡化代碼開發(fā)工作。WiFi堆棧和應(yīng)用程序?qū)拥姆蛛x使得MCU可以在IoT應(yīng)用上投入最大的硬件資源和帶寬。家庭自動化、智能電器、智能電表等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用就是使用這種架構(gòu)的一些示例。

• WiFi協(xié)議支持：IEEE 802.11有一系列無線LAN標(biāo)準(zhǔn)，包括802.11 a / b / g / j / n / p / ac / ad / ah，并且每個標(biāo)準(zhǔn)都有不同的規(guī)格要求。選擇這些協(xié)議時，需要權(quán)衡三個關(guān)鍵因素：數(shù)據(jù)速率、傳輸范圍和功率要求。例如，802.11n、802.11ac和802.11ah協(xié)議具有IoT多媒體應(yīng)用所需更得高數(shù)據(jù)速率優(yōu)勢，而像802.11b / g這樣的協(xié)議在功耗要求方面具有優(yōu)勢。因此，根據(jù)項目要求，最適合的IoT WiFi芯片和模塊取決于IoT應(yīng)用的需求和用途。
• 工作頻率：IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)在不同的指定頻率范圍內(nèi)工作，并分為多個通道。各國有自己的規(guī)則來確定在這些頻帶內(nèi)使用的允許信道、用戶和最大功率水平。現(xiàn)在，許多WiFi模塊都在5GHz和2.4GHz上提供雙頻支持，并為部署和管理移動IoT設(shè)備提供了很大靈活性。
• WiFi安全性：在允許物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用WiFi連接到互聯(lián)網(wǎng)之前，確保WiFi支持所需的安全標(biāo)準(zhǔn)非常重要。所有主流的IoT WiFi模塊至少支持多種WiFi安全標(biāo)準(zhǔn)之一，例如WPA、WPA2、WPA3、WPS等。每個安全標(biāo)準(zhǔn)都有其優(yōu)點和缺點，因此選擇最適合的安全需求很重要。
• 硬件接口：通常，WiFi模塊與許多I / O和外圍接口支持捆綁在一起，以適應(yīng)不同的需求。首選USB、SPI或SDIO接口來支持高數(shù)據(jù)吞吐量應(yīng)用。典型的接口還有UART、I2C、I2S和其他接口。
• 認(rèn)證：各個國家/地區(qū)都有自己的無線通信法規(guī)認(rèn)證，要使IoT設(shè)備進入這些市場就需要合規(guī)認(rèn)證。因此，對于商業(yè)應(yīng)用，必須選擇具有RF認(rèn)證屏蔽功能的WiFi模塊（例如FCC）。

ASPENCORE《電子工程專輯》分析師團隊從眾多國際和本土廠商中挑選10家面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的WiFi芯片/模塊，并按照WiFi 6、WiFi+BLE、智能家居、白色家電和智能燈具等細(xì)分類別進行了劃分，供工程師做IoT應(yīng)用設(shè)計時參考。請在文末對這10家廠商的WiFi芯片進行投票評選。

WiFi 6 IoT芯片

• 樂鑫科技ESP32-C6

ESP32-C6 是樂鑫科技首款集成 Wi-Fi 6 + Bluetooth 5 (LE) 的 32 位 RISC-V SoC，具有極低功耗和高性價比，能夠大幅提升物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的 Wi-Fi 傳輸效率，提供安全可靠的連接性能。目前，ESP32-C6 已通過 Wi-Fi 聯(lián)盟認(rèn)證。ESP32-C6搭載 RISC-V 32 位單核處理器，時鐘頻率高達(dá) 160 MHz，內(nèi)置 400 KB SRAM，384 KB ROM，并支持多個外部 SPI、Dual SPI、Quad SPI、QPI flash。ESP32-C6 具有 22 個可編程 GPIO 管腳，支持 ADC、SPI、UART、I2C、I2S、RMT、TWAI 和 PWM。

ESP32-C6 功能框圖。（來源：樂鑫科技）

ESP32-C6 的獨特之處在于提供了對 2.4 GHz Wi-Fi 6 協(xié)議 (802.11ax) 的支持，并向下兼容 802.11 b/g/n。為優(yōu)化和提升物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備性能，ESP32-C6 支持 802.11ax 的僅 20 MHz 信道帶寬工作模式，以及 802.11b/g/n 協(xié)議的 20/40 MHz 帶寬。此外，802.11ax 還支持 Station 工作模式，為設(shè)備提供更高的傳輸速率和更低的功耗。Bluetooth 5 (LE) 可基于廣播擴展 (Advertising Extensions) 和 Coded PHY 實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。它還支持 2 Mbps PHY，用于提高傳輸速率和數(shù)據(jù)吞吐量。

ESP32-C6 支持上行、下行正交頻分多址 (OFDMA) 接入和下行多用戶多輸出多輸入 (MU-MIMO) 接入機制，均能實現(xiàn)在擁堵的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，進行高效率、低延遲的工作。802.11ax 協(xié)議的另一個重要功能是目標(biāo)喚醒時間 (Target Wake Time, TWT)，使設(shè)備在支持 802.11ax 的 Wi-Fi 接入點協(xié)助下延長睡眠時間。這一特性將允許 ESP32-C6 用戶構(gòu)建由電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，設(shè)備可以基于電池電量使用數(shù)年，并始終保持連接狀態(tài)。

ESP32-C6 支持基于 RSA-3072 算法的安全啟動、基于AES-128-XTS 算法的 flash 加密、用于保護設(shè)備身份安全的數(shù)字簽名和 HMAC 模塊，以及用于提高性能的加密加速器。這些安全機制確保了由 ESP32-C6 構(gòu)建的設(shè)備具有高標(biāo)準(zhǔn)的安全級別。

ESP32-C6 依舊沿用樂鑫的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)框架 ESP-IDF，ESP 用戶可以基于熟悉的開發(fā)平臺，輕松構(gòu)建 ESP32-C6 應(yīng)用。用戶如果想將 ESP32-C6 用作外部主機的協(xié)處理器，可選擇樂鑫 ESP-Hosted 和 ESP-AT 固件。

• 高通Immersive Home 318平臺

Home 318是一個8流Wi-Fi 6E網(wǎng)絡(luò)平臺，支持高通Tri-Band Wi-Fi 6，同時支持在2.4和5GHz頻帶上的差異化Wi-Fi 6功能組合，其中多達(dá)4個專用于支持6GHz頻帶的流，160MHz信道可用于提供角落到角落的千兆級連接。Home 318平臺采用4x4 Wi-Fi 6E配置，可提供更高的性能，范圍和/或客戶數(shù)量，通過支持將性能限制回程流量遷移至Tri-Band Wi-Fi 6E，為應(yīng)用提供了極大的靈活性。

其功能特性如下：在2.4、5和6GHz頻段（包括160MHz信道）之間提供同步操作；可將網(wǎng)狀Wi-Fi節(jié)點之間的流量遷移到6GHz頻段；多用戶流量管理提供了先進的調(diào)度算法和緩沖，并具有通用的上行鏈路數(shù)據(jù)支持；安全套件提供最全面的WPA3支持，以及先進的嵌入式加密加速器；帶有開放API移植的電信級增強功能，可用于多源開發(fā)；Mesh Wi-Fi選項包括Wi-Fi SON，Wi-Fi Alliance的Wi-Fi CERTIFIED EasyMesh標(biāo)準(zhǔn)以及OpenSync開源軟件；使用雙核A53處理器和網(wǎng)絡(luò)加速器以支持高性能本地計算。

WiFi + BLE IoT芯片

• 博流智能 BL602/BL604

BL602/BL604芯片的無線子系統(tǒng)包含2.4G無線電、Wi-Fi 802.11b / g / n和Bluetooth LE 5.0基帶/MAC設(shè)計。其微控制器子系統(tǒng)包含低功耗32位RISC-V CPU、高速緩存和存儲器。電源管理單元可控制低功耗模式。其外圍接口包括SDIO，SPI，UART，I2C，IR遠(yuǎn)程，PWM，ADC，DAC，ACOMP，PIR等，支持靈活的GPIO配置。 BL602共有16個GPIO，而BL604共有23個GPIO。

該系列芯片的無線功能包括：Wi-Fi 802.11 b / g / n；低功耗藍(lán)牙5.0，具有BLE協(xié)助的Wi-Fi快速連接，Wi-Fi和BLE共存；Wi-Fi安全WPS / WEP / WPA / WPA2 / WPA3；STA，SoftAP和嗅探模式；多云連接；2.4 GHz射頻收發(fā)器；集成射頻巴倫，PA / LNA。

其安全功能包括：安全啟動；安全調(diào)試；XIP QSPI即時AES解密（OTFAD）；AES 128/192/256；SHA-1 / 224/256；TRNG（真隨機數(shù)生成器）；PKA（公鑰加速器）。

應(yīng)用領(lǐng)域：低功耗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、Wi-Fi連接、BLE連接、家用電子產(chǎn)品、遙控器等。

• 博通集成 BK7231U Wi-Fi SOC芯片

符合802.11b/g/n 1x1協(xié)議? 2. 17dBm 輸出功率；支持20/40 MHz帶寬和STBC；支持Wi-Fi STA、AP、Direct模式；支持藍(lán)牙5.1協(xié)議，-90dB靈敏度和20dBm輸出功率? ；片內(nèi)MCU；最高頻率120MHz；片內(nèi)256Kbyte數(shù)據(jù)RAM；內(nèi)置2MB FLASH，支持透明下載 ； 6路32位 PWM；多路程序下載與JTAG接口；全速USB主機和設(shè)備； 50MHz SDIO和SPI接口，并支持主從模式；支持兩路I2C接口；支持兩路高速UART；6路32位PWM；麥克風(fēng)信號放大；內(nèi)置多通道ADC；支持8位DVP 圖像傳感器；32字節(jié)eFUSE。

智能燈具

• Silicon Labs WGM160 WiFi模塊

關(guān)鍵 RF 特性：1x1 802.11n，具有全面的 802.11 b/g 兼容性，72.2 Mbps；Greenfield Tx/Rx 實現(xiàn)最優(yōu) 802.11n 性能；Short Guard Interval (SGI) 實現(xiàn) 802.11n 最優(yōu)吞吐量；A-MPDU Rx 和 Tx 實現(xiàn)高 MAC 吞吐量；面向多個幀的塊確認(rèn)；Rx 碎片整理；支持漫游；支持客戶端、SoftAP 模式；支持同時 AP + STA；TX 功耗：+16 dBm；RX 靈敏度：-95.5 dBm；2 塊 2.4 GHz 天線板，實現(xiàn)全面天線多樣性支持；2.4 GHz 共存性；2、3 和 4 線 PTA 支持；

認(rèn)證：FCC、CE、ISED/IC、KCC 和 MIC/TELEC 認(rèn)證。

MCU 功能和主機接口：72 MHz 的 ARM Cortex-M4；板載閃存：2048 kB；板載 RAM：512kB；超低能耗操作；80 μA/MHz（能耗模式 0 (EM0)）；2.1 μA EM2 深度睡眠電流（RTCC 運行及狀態(tài)和 RAM 保留）；硬件加密引擎支持 AES、ECC、SHA 和 TRNG；UART 和 USB 串行接口。

• NXP 88MW320/322 Wi-Fi SoC

88MW320/322 Wi-Fi片上系統(tǒng)（SoC）是內(nèi)置Arm Cortex-M4F內(nèi)核和802.11 b / g / n Wi-Fi功能的微控制器芯片。該SoC專為家庭、企業(yè)和工業(yè)自動化的智能設(shè)備以及智能配件而設(shè)計，具有以下優(yōu)化特性：支持Amazon Alexa語音服務(wù)（AVS）；高度集成的SoC，只需很少的外部組件即可實現(xiàn)完整的系統(tǒng)運行；多種低功耗模式和快速喚醒時間；單流802.11n / g / b WLAN；低功耗（10 dB）模式的高效功率放大器；Cortex-M4F內(nèi)核，集成了512KB SRAM和128KB掩碼ROM；具有嵌入式32 KB SRAM緩存的閃存控制器，可支持來自外部SPI閃存的XIP；安全啟動；獨特的硬件位可通過芯片組對SDK進行身份驗證；全套數(shù)字和模擬I / O接口。

智能家居

• 紫光展銳V5663

V5663是支持Wi-Fi 5+藍(lán)牙 5+MCU的 AIoT解決方案，具有技術(shù)領(lǐng)先、算力強大、安全可靠、應(yīng)用豐富、易于開發(fā)五大特性，可廣泛應(yīng)用于智能家居、醫(yī)療、兒童教育、美容保健、倉儲物流等多個應(yīng)用場景。

功能特性如下：支持PSA-M安全認(rèn)證；采用RTOS完成雙麥VAD/語音喚醒打斷音頻處理功能；支持Wi-Fi 5 / 藍(lán)牙5.0 / MCU高集成單芯片；支持ARM CM33 Combo連接芯片，采用ARM Cortex M33 ARMv8-M架構(gòu)，支持TrustZone；外圍接口包括USB2.0/3.0，eMMC, PWM, PDM, IIS等接口；Wi-Fi 2.4/5G雙頻，MU-MIMO；支持藍(lán)牙AOA AOD+Wi-Fi RTT融合定位；BT5.0: 雙模，長距離，Mesh，AoD；支持802.11ac 1X1 2X2等豐富的產(chǎn)品組合。

• 聯(lián)盛德W800

聯(lián)盛德W800 芯片是一款安全 IoT Wi-Fi/藍(lán)牙雙模 SoC 芯片。支持 2.4G IEEE802.11b/g/n Wi-Fi 通訊協(xié)議；支持 BT/BLE 雙模工作模式，支持 BT/BLE4.2 協(xié)議。該芯片集成 32 位 CPU 處理器，內(nèi)置 UART、GPIO、SPI、I2C、I2S、7816 等數(shù)字接口；支持TEE安全引擎，支持多種硬件加解密算法，內(nèi)置 DSP、浮點運算單元，支持代碼安全權(quán)限設(shè)置，內(nèi)置 2MBFlash 存儲器，支持固件加密存儲、固件簽名、安全調(diào)試、安全升級等多項安全措施，保證產(chǎn)品安全特性。適用于智能家電、智能家居、智能玩具、無線音視頻、工業(yè)控制、醫(yī)療監(jiān)護等廣泛的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。

• 亮牛半導(dǎo)體LN882X

LN882X芯片是亮牛半導(dǎo)體推出的新一代超高集成度WIFI芯片，集成了?片上匹配網(wǎng)絡(luò)、WIFI射頻、CMOS PA、LNA、基帶、電源管理模塊，以及主控MCU ARM Cortex-M4F，極大降低外圍電路的復(fù)雜度和成本，具有極低的功耗和優(yōu)秀的射頻性能。

功能特性如下：支持WiFi 2.4GHz 802.11 b/g/n，支持STA/AP/STA+AP操作模式，支持WPA/WPA2；支持寬電壓供電；SPI/SDIO/UART接口；主SPI/I2C；I2S, PWM和GPIO；多通道ADC；QSPI FLASH帶高速緩存；MCU時鐘速率80/160MHz；用戶代碼可用空間高達(dá)4MB Flash；開放靈活的SWD調(diào)試接口。

• 南方硅谷M169

M169模組是南方硅谷與AliOS Things 聯(lián)合開發(fā)的高性價比板載天線嵌入式WIFI模組。該模組硬件上集成了WLAN MAC、Baseband、RF，最高主頻160MHz,內(nèi)置192KB SRAM，2MB flash。整個模組用3.3V單電源供電，采用郵票孔SMT安裝方式。

這一IoT WIFI方案已經(jīng)通過AliOS Things認(rèn)證，支持終端設(shè)備連接到阿里云，具有超低功耗和超低內(nèi)存的特點，適用于各種小型IoT設(shè)備，可廣泛應(yīng)用在智能家居、智能城市、新出行等領(lǐng)域。

其WI-FI 相關(guān)特性包括：支持802.11 b/g/n 無線標(biāo)準(zhǔn)；支持WEP、WPA/WPA2 安全模式；支持Station 模式。該模組處理器采用Andes N10 處理器，128K ROM 和192KB SRAM，集成16Mbit SPI flash。可提供的外設(shè)端口包括：2X UART、5XPWM、4X ADC、1XI2C、1XSPI_M、14XGPIO(復(fù)用UART,PWM,ADC,I2C,SPI_M)。

該WIFI模組已經(jīng)獲得的認(rèn)證：WI-FI 聯(lián)盟、FCC、CE和SRRC。其適用產(chǎn)品和應(yīng)用場景包括：智能插座、智能燈控、智能交通、智能家電、智能安防、工業(yè)自動化等。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的中国工程师最喜欢的10大WiFi物联网芯片的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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