Подписка на новости

Опрос

Нужно ли ввести комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

2013 №4

Осваиваем Wi-Fi-модуль WF121

Стукало Сергей


Модуль WF121 производства финской компании Bluegiga представляет собой законченное Wi-Fi аппаратно-программное решение, поддерживающее встречную работу с изделиями стандартов 802.11 b, g, n на частотах диапазона 2,4 ГГц. Статья познакомит читателя с технологиями применения этого модуля.

Модуль WF121 (рис. 1) производства финской компании Bluegiga представляет собой законченное Wi-Fi аппаратно-программное решение, поддерживающее встречную работу с изделиями стандартов 802.11 b, g, n на частотах диапазона 2,4 ГГц. Выбор режима работы реализуется с помощью программного обеспечения. Модуль может работать с использованием 13 каналов в диапазоне частот 2402-2480 МГц. В самом общем случае, в режиме, использующем стандарт 802.11b, модуль работает на центральной частоте 2,4 ГГц с максимальной скоростью до 22 Мбит/с.

Внешний вид модуля WF121

Рис. 1. Внешний вид модуля WF121

Начало работы

Для изучения модуля WF121 и начала работы с ним производитель рекомендует использовать отладочное средство DKWF121 (рис. 2). В его комплект входят:

  • отладочная плата DKWF121 с модулем WF121;
  • отдельный модуль WF121;
  • краткое руководство по началу работы DKWF121 Wi-Fi Module Development Kit. Quick Start Guide;
  • программатор PICkit 3 с соединительным кабелем;
  • SPI-отладчик;
  • кабель USM — microUSB.
Внешний вид отладочного средства DKWF121

Рис. 2. Внешний вид отладочного средства DKWF121

Всю доступную документацию по модулю WF121 и необходимое для работы с ним программное обеспечение можно найти на сайтах производителя и его официального дистрибьютора в России, компании «МТ-Систем».

Программа Wi-Fi GUI для общего ознакомления с работой модуля и его основными характеристиками находится в архиве с софтом и прошивками для работы с WF121. Ее можно скачать на странице продукта, воспользовавшись активной ссылкой «Программное обеспечение для платы DKWF121».

Перед началом работы необходимо перевести джамперы и переключатели в следующие положения:

  • UART1 и UART2 в положение «ON»;
  • VDD_PA — в положение 3V3;
  • CURR_MEAS — в положение пинов 3 и 4.

Подключение отладочной платы DKWF121 к компьютеру:

  • Подсоединить кабель USB-microUSB к порту USB to UART CONVERTER платы DKWF121 и к USB-порту компьютера.
  • Переключатель Board power перевести в положение «ON».
  • Убедиться, что загорелся зеленый светодиод.
  • Операционная система должна распознать FTDI-преобразователь и автоматически установить драйверы. В диспетчере устройств Windows должны появиться два новых виртуальных COM-порта (рис. 3).
Окно диспетчера устройств Windows

Рис. 3. Окно диспетчера устройств Windows

В случае если драйвер FTDI FT232-HL не установится самостоятельно, его следует скачать с сайта FTDI: www.ftdichip.com/FTDrivers.htm и установить вручную.

Технология Wi-Fi была предложена в 1991 г. корпорацией NCR Corporation/AT&T. В основу технологии легла методика передачи данных по радиоканалу с использованием сложных методов модуляции и кодирования излучаемого сигнала, позволяющих получить высокие скорости передачи в достаточно узких частотных полосах. Высокая скорость передачи и сейчас является главным преимуществом Wi-Fi перед другими технологиями, использующими те же или близкие диапазоны частот (Bluetooth, ZigBee). Wi-Fi-устройства используют метод расширения спектра радиосигнала DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) — расширение спектра посредством наложения прямой последовательности.

Технология Wi-Fi используется для организации высокоскоростных беспроводных локальных сетей, работающих в диапазонах частот 2,4 и 5 ГГц (ISM). Области применения технологии связаны с сетями доступа в Интернет (домашние сети, сети в кафе, ресторанах, гостиницах), беспроводной передачей высокоскоростного трафика (IP-телефония, видеоинформация, промышленная телеметрия). Широко применяется Wi-Fi в беспроводных телеметрических системах на транспорте. Практически все беспроводные видеокамеры и регистраторы скорости, установленные на автомагистралях, используют Wi-Fi. Эта технология широко используется для организации локальных сетей в офисах, выполнения беспроводных врезок между зданиями и промышленными объектами (технология последней мили).

Начало работы с Wi-Fi GUI

Для работы с Wi-Fi GUI не требуется изучать команды управления. Взаимодействие с модулем сводится к нажатию виртуальных кнопок и заполнению полей в графическом интерфейсе программы. В то же время программа отображает отправляемые на модуль данные в виде API-функций бинарного интерфейса Bluegiga BGAPI binary command.

Для запуска программы необходимо зайти в папку bin и запустить файл wifigui.exe. В окне программы перейти на вкладку (страницу) Device. Выбрать младший из двух виртуальных COM-портов (UART2) (на рис. 4 это COM9), и выставить скорость 115200. Нажать кнопку Attach для открытия порта.

Окно Device программы Wi-Fi GUI

Рис. 4. Окно Device программы Wi-Fi GUI

Если соединение с портом прошло успешно, то в верхней части окна появится надпись «USB Serial Port (COM**): 115200» и кнопка Retrieve info. Но успешное соединение означает только то, что компьютер соединился с преобразователем USB to UART. Для проверки установления соединения с модулем и получения параметров его настройки необходимо нажать кнопку Retrieve info; при успешном выполнении команды в нижней части окна программ в окне log появятся сообщения с настройками модуля (рис. 5). Если этого не произошло, то в модуле, скорее всего, отсутствует прошивка или она неверна и не удается сделать запись в модуль с помощью файла прошивки ***.dfu и ПО Wi-Fi GUI. В этом случае предлагается следовать Инструкции по перепрошивке модуля WF121 и Примечанию 1 (см. далее).

Программа Wi-Fi GUI. Окно выбора параметров соединения с модулем

Рис. 5. Программа Wi-Fi GUI. Окно выбора параметров соединения с модулем

Если все прошло успешно, то модуль (в нашем случае это отладочная плата DKWF121 с напаянным на нее модулем) и ПО Wi-Fi GUI готовы к дальнейшей работе.

Примечание 1

Модуль на плате DKWF121 может быть не прошит или содержать неработоспособную прошивку (из-за некорректно закончившейся операции изменения программного обеспечения). Для первичной прошивки flash необходимо воспользоваться программатором PICkit 3 от Microchip из комплекта отладки. При этом действовать необходимо строго по инструкции REFLASHING DKWF121 WITH PICKIT 3 APPLICATION NOTE [10].

Инструкция по перепрошивке модуля WF121

  • Необходимо скачать программу PICkit 3 Stand Alone Programmer for Windows, ее можно найти на сайте «МТ-Систем». Разархивировать и установить программу.
  • Подключить программатор к компьютеру при помощи USB-кабеля. Подключить плату DKWF121 к компьютеру и включить.
  • Соединить программатор и плату, используя для этого разъем J11.
  • Запустить программу PICkit 3.
  • В окне программы выбрать устройство (Device) PIC32MX695F512H из выпадающего меню (рис. 6).
    Окно программы PICkit 3.

    Рис. 6. Окно программы PICkit 3. Перепрошивка модуля WF121
  • Нажать кнопку Erase, после успешного завершения операции в меню File→Import выбрать файл с расширением ***.hex из папки \wifi\fw (предпочтительнее WF121.hex) или \wifi\example. Если выбрана прошивка WF121.hex, то будет доступен UART2 (младший из двух виртуальных USB-портов) на скорости 115200.
  • Нажать кнопку Write. Дождаться успешного завершения операции. Закрыть программу, отключить программатор от платы. Перезапустить отладочную плату.
  • После данной операции будет стерт MAC-адрес модуля. Для его установки необходимо выполнить по пунктам шаги из «Начало работы с Wi-Fi GUI» (см. выше).
  • После выполнения предыдущего пункта перейти во вкладку Network программы Wi-Fi GUI. Нажать кнопку Turn Wi-Fi on, дождаться, пока она станет постоянно синей; внизу окна в логах появится информация об изменениях состояния модуля (рис. 7).
    Окно вкладки Network программы Wi-Fi GUI

    Рис. 7. Окно вкладки Network программы Wi-Fi GUI
  • Ввести MAC-адрес (для примера 00:07:80:00:00:01) в соответствующую строку. В нижней части страницы в окне log появится информация об установке MAC-адреса (рис. 8).
    Программа Wi-Fi GUI. Установка МАС-адреса

    Рис. 8. Программа Wi-Fi GUI. Установка МАС-адреса

Дальнейшую работу с отладкой вести согласно Руководству пользователя WF121 GUI SOFTWARE User Guide, которое также можно найти на сайте «МТ-Систем».

В пунктах 3.1-3.4 Руководства показаны работа ПО Wi-Fi GUI и отладки DKWF121.

В пункте 3.5 приведена инструкция по смене прошивки при помощи Wi-Fi GUI файлами ***.dfu При таком способе перепрошивки модуля его MAC-адрес не стирается.

В пункте 4 Руководства приведены примеры работы Wi-Fi GUI с отладкой DKWF121.

Отладочное средство DKWF121

На плате DKWF121 имеется хорошо продуманное монтажное поле, на котором разработчик может распаять управляющий микроконтроллер и/или внешние аппаратные узлы разрабатываемого устройства. Тем самым может быть значительно сокращено время на этапе его макетирования и функциональной отладки. Для работы модуля в минимальной конфигурации достаточно подать на него питание и подключить линии UART.

Особенностью Wi-Fi-модуля WF121-A является возможность загрузки в него простых скриптов, позволяющих создавать законченное беспроводное решение даже без использования внешнего микроконтроллера. Использование модуля WF121-A не требует знаний Wi-Fi-протокола. Встроенный в модуль TCP/IP-стек (протоколы IP, UDP, TCP, ICMP, DHCP) делает возможным подключение к имеющейся Wi-Fi-сети любого устройства, построенного даже на базе маломощного 8-битного микроконтроллера.

Взаимодействие с модулем происходит через скоростной UART-интерфейс (до 20 Мбит/c). Для упрощения работы с командным интерфейсом Bluegiga предоставляет разработчику Си-библиотеку Bluegiga BGLib ANSI C Library, включающую функции выполнения типовых операций и парсер протокола Bluegiga BGAPI binary command.

Практические аспекты использования модулей WF121

Использование модулей WF121 в конкретных пользовательских приложениях иллюстрирует рис. 9. Модули обеспечивают функционирование высокоскоростного радиоинтефейса, обеспечивая связность в сети передачи данных. При этом в качестве шлюза, через который ведется обмен, может выступать такой же модуль, устанавливаемый на стороне управляющего сервера и поддерживающий режимы функционирования Wi-Fi Router или AP. С использованием Wi-Fi-модулей наиболее часто реализовываются следующие решения:

  • Системы мониторинга транспорта типа off-line. Перенос информации с объектов наблюдения на компьютер диспетчера осуществляется по прибытии транспортного средства на базу через радиоинтерфейс Wi-Fi.
  • Системы промышленного мониторинга онлайнового типа. Модули Wi-Fi с поддержкой стека сетевых протоколов TCP/IP являются наиболее логичной заменой модулей GSM/GPRS в тех ситуациях, когда мониторинг ведется на ограниченной территории, а объем данных значителен и имеет стабильный характер.
Использование модулей WF121

Рис. 9. Использование модулей WF121

Основные радиочастотные параметры модуля WF121 при его работе с использованием стандарта IEEE 802.11b приведены в таблице 1. Стандарт 802.11b предназначен для устройств, работающих на частотах диапазона 2,4 ГГц с максимальной скоростью до 11 Мбит/с (диапазон доступных скоростей представлен значениями 1, 2, 5,5 и 11 Мбит/с).

Таблица 1. Характеристики радиоканала модуля WF121 при его работе в режиме поддержки протоколов стандарта IEEE 802.11b

Наименование параметра Значение параметра Используемый метод модуляции
Диапазон частот, МГц 2402-2480  
Метод расширения спектра DSSS  
Частотный план 2412+5(n–1), где n = 1, 2...13  
Скорость передачи данных по радиоканалу, Мбит/с1 DBPSK
2 DBPSK
5,5 CCK
11 CCK
22 PBCC
Максимальная излучаемая мощность, дБм 17  

Стандарт 802.11g предназначен для устройств, работающих на частотах диапазона 2,4 ГГц с максимальной скоростью до 54 Мбит/с (диапазон доступных скоростей представлен значениями 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 и 54 Мбит/с). Этот стандарт задумывался как универсальный. Поэтому в нем допускаются методы расширения спектра, использующиеся в предыдущих версиях, а именно DSSS, OFDM, PBCC. Основные радиочастотные параметры модуля WF121 при его работе с использованием стандарта IEEE 802.11g приведены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики радиоканала модуля WF121 при его работе в режиме поддержки протоколов стандарта IEEE 802.11g

Наименование параметра Значение параметра Используемый метод модуляции
Диапазон частот, МГц 2400-2483,5  
Методы расширения спектра DSSS, OFDM, PBCC, DSSS-OFDM  
Частотный план 2412+5(n–1), где n = 1, 2...13  
Скорость передачи данных по радиоканалу, Мбит/с1 DBPSK
2 DQPSK
5,5 и 11 CCK, PBCC
12 и 18 QPSK
24 и 36 16QAM
48, 54 и 108 64QAM
22 и 33 PBCC
Максимальная излучаемая мощность, дБм 15  

Выделенная для использования технологий стандарта 802.11g полоса частот в РФ составляет 2400-2483,5 МГц. Частотный план (Frequency Assignment Plan) рассчитывается по формуле, приведенной в таблице 2. Стандарт 802.11g полностью совместим с 802.11b. Основное отличие заключается в допустимых методах доступа к среде и используемых способах модуляции. В стандарте 802.11g используются рассмотренные выше технологии DSSS, PBCC, которые взяты из 802.11b (и тем самым обеспечивают совместимость с ним). Метод OFDM перенесен в него из стандарта 802.11a. Методы модуляции DBPSK, DBPSK, CCK, CCK, PBCC также заимствованы из стандартов 802.11a и 802.11b.

Стандарт 802.11n разработан для оборудования, функционирующего на центральных частотах диапазонов 2,4 ГГц и 5 ГГц с максимально возможной скоростью, вплоть до 600 Мбит/с. Для модуля WF121 диапазон доступных для использования скоростей в стандарте 802.11n представлен значениями 6,5; 7,2; 13; 14,4; 19,5; 21,7; 26; 28,9; 39; 43,3; 52; 57,8; 58,5; 65; 72,2 Мбит/с.

В модуле WF121 реализован только один частотный диапазон 2,4 ГГц. Стандарт основан на технологии OFDM-MIMO. В стандарте IEEE 802.11n максимальная скорость передачи данных в несколько раз больше по сравнению с предыдущими стандартами. Это достигается благодаря удвоению ширины канала с 20 до 40 МГц, а также за счет реализации технологии MIMO с использованием группы пространственно разнесенных антенн.

В основу технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output) положена идея применения раздельно нескольких передающих и приемных антенн, каждая из которых передает и получает свою копию сигнала, не коррелируемую в части помеховых и интерференционных потерь. В модуле WF121 нет полной поддержки MIMO, так как его работа обеспечивается только одной антенной. Поэтому максимально возможная скорость передачи для модуля WF121 ограничена 72,2 Мбит/с. Достигается она в режиме 802.11n при использовании метода модуляции 64QAM. Основные радиочастотные параметры модуля WF121 при его работе с использованием стандарта IEEE 802.11n приведены в таблице 3.

Таблица 3. Характеристики радиоканала модуля WF121 при его работе в режиме поддержки протоколов стандарта IEEE 802.11n

Наименование параметра Значение параметра
Диапазон частот, МГц 2400–2483,5
Методы доступа к среде Множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий
Число потоков MIMO, не менее Для базовых станций — 2, для абонентских — 1
Число потоков MIMO, не более 4
Метод расширения спектра OFDM
Частотный разнос между каналами, МГц 20 и/или 40
Количество поднесущих в канале 56 (при ширине канала 20 МГц)
Максимальная излучаемая мощность, дБм 15

Для работы устройств стандарта 802.11n в РФ выделена одна полоса в диапазоне частот 2,4 ГГц и две полосы в диапазоне частот 5 ГГц:

  • 2400-2483,5 МГц;
  • 5150-5350 МГц;
  • 5650-6425 МГц.

Количество поднесущих в канале определено равным 56 при ширине канала 20 МГц и равным 114 при ширине канала 40 МГц. Частотный разнос частотных каналов может быть как 20, так и 40 МГц. Оборудование Wi-Fi в стандарте 802.11n может работать в трех режимах:

  • режим предыдущих версий (Legacy), в котором обеспечивается поддержка всех предыдущих версий стандарта 802.11b, g (нет поддержки 802.11n);
  • смешанный режим (Mixed), в котором обеспечивается поддержка всех предыдущих версий стандарта 802.11b, g и частичная поддержка 802.11n;
  • высокоскоростной режим (High Throughput, HT), в котором обеспечивается только полная поддержка 802.11n, но не поддерживаются предыдущие версии стандартов.

В модуле WF121 реализованы только первые два режима. Режим High Throughput не поддерживается.

Модуль содержит аппаратную часть, встроенное программное обеспечение, микроконтроллер, встроенные TCP/IP-стеки (802.11 MAC) и изготовлен на базе чипа Cambridge Silicon Radio CSR6031 UniFi. В WF121 используется 32-разрядный микроконтроллер PIC32MX695H, имеющий следующие характеристики: MIPS-архитектура, 80 МГц, 128 кбайт RAM и 512 кбайт Flash. Чувствительность приемника составляет -97 дБм (опорный уровень относительно 1 мВт). Максимальная мощность передатчика +17 дБм. Питание модуля 3,3 В постоянного стабилизированного напряжения. Максимальное пиковое значение тока потребления составляет 400 мА. В режиме передачи модуль расходует 300 мА. В режиме приема ток потребления составляет 120 мА. Модуль выполнен в форм-факторе для печатного монтажа. На его корпусе имеются 13 контактных площадок для постоянных сигналов: питание, земля, антенна, USB VBUS INPUT, Reset и др. Кроме того, имеются 38 конфигурируемых вводов/выводов.

Встроенные стеки TCP/IP и 802.11 MAC позволяют поддерживать протоколы: IP, TCP, UDP, DHCP, DNS, Bluegiga BGAPI, Bluegiga BGscript. Диапазон рабочих температур -40...+85 °С. Габаритные размеры модуля 15,4×26,2×2,1 мм. Модуль соответствует всем международным стандартам и имеет сертификаты CE, FCC, IC, Telec.

Летом 2013 г. компания Bluegiga выпустила новую аппаратную и программную ревизию модуля WF121. Цель проведенной ревизии — повышение устойчивости работы модуля при его практическом использовании в пользовательских решениях.

Литература

  1. www.bluegiga.com
  2. WF121 Wi-Fi Module. Datasheet. May, 2012. V. 1.0.
  3. Министерство связи и массовых коммуникаций. Приказ от 14 сентября 2010 г. № 124 «Об утверждении Правил применения оборудования радиодоступа. Часть I. Правила применения оборудования радиодоступа для беспроводной передачи данных в диапазоне от 30 МГц до 66 ГГц» (зарегистрировано в Минюсте РФ 12.10.2010 № 18695).
  4. DKWF121 — WF121-A 802.11 B/G/N Module Evaluation Board. Datasheet. August, 2012. V. 0.5.
  5. Алексеев В. Интеллектуальные Wi-Fi-модули производства Bluegiga // Беспроводные технологии. 2012. № 3.
  6. http://mt-system.ru/sites/default/files/docs/wlan/Bluegiga/Wi-Fi_BGScript_reference_v01.pdf
  7. http://mt-system.ru/catalog/besprovodnye-reshenija/wlan/bluegiga/wf121/
  8. http://mt-system.ru/sites/default/files/docs/wlan/Bluegiga/wifi-0.3.0-25.zip
  9. http://mt-system.ru/sites/default/files/docs/wlan/Bluegiga/wi-fi_gui_user_guide_v1.1.pdf
  10. http://mt-system.ru/sites/default/files/docs/wlan/Bluegiga/reflashing_dkwf121_with_pickit_3_v0.2.pdf
  11. http://mt-system.ru/sites/default/files/docs/wlan/Bluegiga/pickit_3_programmer_1_0_setup_a.zip
  12. www.ftdichip.com/FTDrivers.htm

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке