Обзор возможностей нового WiFi модуля W24 компании Motorola

Введение

Все большую часть рынка коммуникаций занимают устройства для передачи данных без проводов. Беспроводные решения широко применяются как в сетях передачи данных, так и в отдельных системах: для передачи данных в измерительных и управляющих системах, аудио- и видеоинформации в системах защиты и безопасности, кодов в системах навигации, а также для выполнения многочисленных задач M2M (machine-to-machine) автоматизации. Использование технологии WiFi (Wireless Fidelity) также является одним из популярных решенийдля организации беспроводного доступа в Интернет. Ширина полосы частот стандарта WiFi составляет 2400–2483,5 МГц. WiFi модуль W24 (рис. 1) поддерживает две модификации WiFi стандарта — IEEE 802.11b и IEEE 802.11g. Мощность передатчика составляет 17 дБм (50 мВт) и 15 дБм (32 мВт) соответственно. Выбор режима работы WiFi модуля выполняется при подключении автоматически.

Стандарт IEEE 802.11 описывает общий протокол управления доступом к передающей среде (Media Access Control, MAC) и несколько физических уровней беспроводных локальных сетей. На MAC-уровне решаются задачи по определению занятости радиоканала и управлению физическим уровнем для осуществления передачи фреймов с данными. Рассмотрим отличие стандартов IEEE 802.11b и IEEE 802.11g на физическом уровне. В первом случае в WiFi модуле W24 реализованы следующие схемы модуляции: BPSK, QPSK, CCK, DSSS. Во втором — BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM, OFDM [1].

BPSK (Binary Phase Shift Keying) — двоичная фазовая манипуляция, один из основополагающих методов беспроводной передачи данных, основанный на изменении фазы высокой несущей частоты в зависимости от значений двоичных разрядов передаваемого сигнала.

QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) — квадратурная фазовая манипуляция, она отличается от BPSK использованием 4 возможных сдвигов фазы для каждой пары двоичных разрядов.

CCK (Complementary Code Keying) — кодирование с использованием комплементарных последовательностей, предназначено для увеличения скорости передачи данных и помехоустойчивости.

QAM (Quadrature Amplitude Modulation) — квадратурная амплитудная модуляция. Биты данных представляются путем изменения центральной частоты передачи данных, а также изменения амплитуды сигналов в дополнение к сдвигам фазы. Применяется для повышения скорости передачи данных. В частности, в 64-QAM используются 64 комбинации фазы и амплитуды для кодирования одного символа разрядностью 6 бит.

DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) — расширение спектра методом прямой последовательности, применяется с целью уменьшения как внутренних, так и внешних помех. Несущая частота модулируется цифровым кодом со скоростью передачи битов намного большей, чем полоса частот информационного сигнала.

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) — мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам, заключается в распределении модулированного сигнала по нескольким несущим частотам. Вследствие этого удается увеличить скорость передачи данных и снизить влияние помех, связанных с многолучевым распространением [2].

Рассмотрим некоторые функции, реализованные на MAC-уровне. Сканирование — процесс поиска точки доступа. При пассивном сканировании производится анализ уровня сигнала по каждому из доступных каналов с целью выбора соединения с наилучшим качеством сигнала. Данная информация поступает от одной или нескольких точек доступа, которые посылают в широковещательном режиме пакет-маяк (beacon). Пакет-маяк содержит информацию о точке доступа, включая идентификатор зоны обслуживания (SSID — Service Set Identifier) и поддерживаемую скорость передачи данных. В случае активного сканирования новая точка сети посылает широковещательный запрос и получает немедленный ответ в виде beacon-пакета.

В WiFi модуле W24 предусмотрено 3 различных конфигурации каналов: Европа — 13 каналов, США — 11 каналов, Япония — 14 каналов. W24 может работать в двух режимах: Infrastructure Station Mode (рассмотренный выше) и Ad-Hoc Station Mode (режим неплановой сети — Independent Basic Service Set, IBSS). Во втором случае ответственность по распределению beacon-пакетов распределяется между всеми точками.

W24 поддерживает два режима аутентификации: стандартный, основанный на проверке WEP-ключа (Wired Equivalent Privacy), и продвинутый — WPA2 (WiFi Protected Access), основанный на применении симметричного алгоритма блочного шифрования AES (Advanced Encryption Standard). Аутентификация — одна из основополагающих категорий информационной безопасности, гарантирующая обеспечение подлинности путем проверки соответствия субъекта и того, за кого он себя выдает. В WiFi модуле W24 предусмотрены также механизмы защиты данных с использованием алгоритмов SHA (Secure Hash Algorithm, основная задача хеширования состоит в достижении наибольшего изменения выходного значения хеш-функции при незначительном изменении исходных данных) и 3DES (Data Encryption Standard, тройное применение стандартного алгоритма DES для увеличения длины ключа с 56 до 168 бит).

Открытость стандарта WiFi позволяет различным пользователям, применяющим разные платформы, работать в одной и той же беспроводной локальной сети, что является довольно существенным фактором для беспроводных локальных сетей общего доступа. Благодаря этому, модули WiFi обладают преимуществом по сравнению с модулями, использующими другие технологии беспроводной передачи данных. Разрабатывая систему на базе WiFi модуля W24, нет необходимости создавать специальное устройство для сопряжения с персональным компьютером (ПК) или другим стандартным мобильным устройством (карманный ПК, коммуникатор, мобильный телефон).

Сетевые сервисы WiFi модуля W24

Модуль W24 включает web-сервер, который предназначен для взаимодействия по протоколу HTTP 1.0/1.1 независимо от основного процессора. Это позволяет системным разработчикам создавать web-приложения, в которых задачи взаимодействия, конфигурации и управления системой могут выполняться через Интернет сиспользованием стандартного web-интерфейса.

Разработчики компании Motorola реализовали возможность хранения в памяти чипа двух web сайтов. Первый сайт прозрачен для W24, так как служит для его конфигурации и обслуживания. Второй сайт загружается в WiFi модуль для непосредственного использования. Сайт может содержать html-страницы с перекрестными ссылками, ссылки на внешние страницы, а также рисунки, диаграммы, Java-апплеты и т. п. Специальные средства дают возможность разработчику осуществлять доступ к внутренним переменным приложения непосредственно из web-страниц.

W24 позволяет организовать ограничение доступа для просмотра и изменения конфигурационных параметров с помощью запроса пароля. Для этого используется команда AT+iRPG (Remote Parameter Group/Password). Паролем можно защитить возможность обновления программного обеспечения WiFi модуля, а также доступ к web-сайту.

Существует возможность организации режима SerialNET, который расширяет локальное асинхронное последовательное соединение путем организации TCP/UDP-канала для передачи данных по беспроводной локальной сети или Интернет. Основная цель — предоставить устройствам, которые обычно используют последовательный интерфейс, доступ по сети без изменений протокола транзакций. В соответствии с данным требованием режим SerialNET определяет набор служебных параметров, задающих природу устанавливаемого сетевого соединения. Таким образом, WiFi модуль W24 служит маршрутизатором (router) между последовательным портом устройства и сетью. При этом обеспечивается режим полнодуплексной связи. Переход в режим SerialNET осуществляется с помощью команды AT+iSNMD. Предварительно следует задать параметры последовательного соединения: скорость передачи данных, количество бит данных в пакете, паритет, количество стоповых битов, тип управления потоком.

W24 поддерживает протоколы ftp, telnet, SSL3/TSL1, а также управление с использованием удаленного доступа. Подробная информация содержится в [3].

Режимы работы W24

Разнообразие устройств различных производителей ставит перед современным разработчиком непростую задачу. Необходимо выбрать оптимальное решение, отвечающее требованиям по скорости обмена и потреблению энергии. Потребление тока в выключенном режиме (off mode) составляет 0,1 мА. Рассмотрим способы включения и режимы энергосбережения WiFi модуля W24.

Напряжение питания WiFi модуля W24 составляет 3,3–4,2 В. При подаче напряжения на модуль W24 начинает работать схема управления питанием. Анализируются линии IGN (контакт 51) и ON_N (контакт 53) [4]. Максимальное напряжение на линии «зажигания» (ignition) составляет 16 В, как и у GSM модулей G24 [5]. Таким образом, управление включением модуля может осуществляться напрямую при включении автомобиля. Другой способ — управление внешним микроконтроллером или кнопкой. Для этого используется линия ON_N. Она предназначена для управления сигналами, не превышающими 3,6 В. Переход в режим off mode из активного состояния может быть выполнен и программным способом, командой AT+iMRST, по аналогии с командой для модема G24 [6].

Sleep (рис. 2а) — режим, в котором отключены прикладные интерфейсы, но продолжает функционировать WiFi. Потребление тока — 9–12 мА. Для перехода W24 в различные режимы энергосбережения служит команда AT+iPSE.

Deep Sleep (рис. 2б) — отключение радиочастотного интерфейса и отсутствие анализа WiFi сети. Переход в данный режим осуществляется, если не найдена точка доступа WiFi. W24 периодически активизируется для повторного поиска и выполнения регистрации. В случае обнаружения точки доступа W24 выходит из режима Deep Sleep. Потребление тока — 4–6 мА.

Airplane (рис. 2в) — интерфейсы W24 активизированы, но радиочастотный блок отключен с целью исключения влияния дополнительных помех на системы связи управления воздушным судном. Потребление тока — 45–60 мА.

Idle (рис. 2г) — включены все интерфейсы и радиочастотный блок, функционирует WiFi, но нет активной передачи данных. Данный режим устанавливается по умолчанию после включения WiFi модуля в рабочее состояние и успешного обнаружения точки доступа. Потребление тока — 125–150 мА.

Tx (режим беспроводной передачи данных) — данный режим можно назвать активным, поскольку именно в нем потребляется наибольшее количество энергии. По окончании передачи данных WiFi модуль возвращается в предыдущий режим (Sleep или Idle). Потребление тока — 190–250 мА. В случае совместного использования модулей W24 и G24 потребление тока может возрастать до 900 мА, пиковое значение тока в этом случае может достигать 2 А, например при подключении модема G24 к GSM-сети.

Архитектура и интерфейс WiFi модуля W24

Модуль W24 построен на базе чипсета беспроводной сети WiFi Marvell 88W8686 802.11b/g. Цифровой блок WiFi модуля W24 (рис. 2) содержит: микроконтроллер, интерфейсы USB/UART, 1 Мбайт флэш-памяти и цифровые линии ввода/вывода. Цифровые линии служат, в частности, для индикации обнаружения коллизий с Bluetooth. Тактирование микроконтроллера выполняется с помощью кварцевого резонатора частотой 12 МГц. Радиочастотный блок тактируется кварцевым резонатором частотой 25 МГц и включает следующие компоненты: усилитель высокочастотного аналогового сигнала, приемопередатчик, схему управления, антенный разъем, согласующий преобразователь, а также MAC процессор и энергонезависимую память.

В состав W24 входит 8-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), анализирующий напряжение на аналоговом входе. Реализован следующий принцип срабатывания: при повышении/понижении заранее заданных уровней происходит индикация с помощью линий GPIO. Задаются значения параметров ADCL (Low) и ADCD (Delta). Если текущее значение напряжения превышает сумму ADCL+ADCD, то сигнал на цифровой линии, указываемой в параметре ADCP, принимает значение 1. Если измеряемое значение ниже ADCL, то сигнал устанавливается равным 0. Параметр ADCT (Time) задает интервал срабатывания выходного сигнала АЦП. С помощью команды AT+iRP19 имеется возможность немедленного считывания результата преобразования.

Модуль W24 может использоваться отдельно или совместно с GSM/GPRS-модемом G24(J) в виде компактной сборки — стековая конфигурация (рис. 3). Для соединения с хост-платой применяется 70-контактный разъем [7], расположенный в нижней части WiFi модуля. Второй 70-контактный разъем расположен в верхней части модуля W24, он аналогичен разъему на хост-плате и необходим для соединения с модемом. Размер WiFi модуля: 45,2×24,4×7,25 мм.

W24 содержит 3 независимых интерфейса: UART1, UART2, USB 2.0. Первичный последовательный порт UART1 имеет 8 линий и предназначен для передачи команд AT+i и WiFi данных, а также для связи с модулем G24 и обновления программного обеспечения. Данный порт поддерживает стандартные значения настроек скорости передачи данных от 2400 до 230 400 бит/с, а также высокоскоростные — 1; 1,5 и 3 Мбит/с.

Пропускная способность WiFi модуля W24 зависит от типа используемого интерфейса и ограничений, которые накладывают механизмы защиты. При организации обмена данными по интерфейсу UART скорость обмена данными при отключенной защите составляет 400 кбит/с (upload) и 1000 кбит/с (download), при включенной защите — 100 и 300 кбит/с. W24 также имеет интерфейс USB 2.0 Full Speed без поддержки функций HOST/HUB, который может быть использован для связи с ПК. В стековой конфигурации данный интерфейс может быть задействован для обмена данными между W24 и G24. Для этой цели предусмотрена команда AT+iHIF.

Использование интерфейса USB и отключение защиты обеспечит одинаковую скорость приема/отправки беспроводных данных, равную 800 кбит/с. Включение механизмов защиты приводит к скоростям, которые аналогичны при использовании порта UART.

Вывод

В статье рассмотрены основные технические характеристики и конструктивные особенности WiFi модуля W24. Уделено внимание набору web-сервисов. Отмечены возможности совместного использования WiFi модулей W24 c GSM/GPRS-модемами G24. Наличие различных режимов энергосбережения в модуле W24 позволяет минимизировать потребление энергии. С другой стороны, сравнительно высокая скорость передачи данных по WiFi интерфейсу обеспечивает возможность использования модуля в приложениях для передачи изображений, а также аудио и видео в режиме реального времени. Поддержка современных протоколов защиты информации со стороны W24 обеспечивает безопасность передаваемых данных. WiFi модуль W24 компании Motorola рекомендуется применять как в совместных решениях c GSM/GPRS-модемами G24, так и отдельно под управлением стандартных AT+i команд, а также совместно с модемом G24-J под управлением Java. Тестирование модулей W24 и G24 удобно производить с помощью отладочного средства «W24 Developer Kit», которое разработано специально для поддержки совместного использования W24 и G24 [9].