Перспективные модули Wi-Fi для IoT от компании Telit

Год назад компания Telit приобрела GainSpan — известного американского производителя встраиваемых модулей Wi-Fi [1]. За это время была произведена обширная работа по интеграции продукции GainSpan в линейку Telit, а также проявились основные тенденции по развитию Wi-Fi в объединенной компании. Для Telit является традицией при приобретении нового бизнеса не снимать старую линейку с производства, а выпускать ее достаточно долгое время, при этом проводя разработки по интеграции вновь полученных технологий в стандартный модельный ряд. Так происходит и в этом случае.

Основным продуктом GainSpan является система на кристалле (System on Chip, SoC) GS2000. Архитектура GS2000 показана на рис. 1. Микросхема имеет два вычислительных ядра Cortex M3 с частотой 20–120 МГц, одно из которых обеспечивает работу стека протоколов 802.11 b/g/n, а второе может использоваться для пользовательских приложений. На борту имеется по 1 Мбайт ПЗУ и ОЗУ, предусмотрено подключение до 16 Мбайт внешней flash-памяти. Также GS2000 содержит большое количество внешних интерфейсов: высокоскоростной SDIO (до 40 Мбит/с), три SPI (до 30 Мбит/с), три UART, I²C, I²S, 38 портов ввода/вывода, 16-битные и 12-битные АЦП, ЦАП и ШИМ.

Рис. 1. Структурная схема GS2000

Чип обеспечивает поддержку 802.11 b/g/n на скорости до 72 Мбит/с. Также имеется аппаратная поддержка 802.15.4, но она пока не реализована на уровне прошивки. GS2000 имеет в своем составе криптомодуль, поддерживающий алгоритмы WPA2, TLS 1.2, ECC и RCA. GS2000 существует в двух модификациях — в 124-выводном корпусе QFN габаритами 9×9 мм и в 68-выводном QFN 8×8 мм. 68-выводный вариант имеет несколько сокращенный вариант набора интерфейсов. А 124-выводная модификация имеет механизмы расширенного управления энергопотреблением. Благодаря этому модули на базе GS2000 обладают примечательными характеристиками в своем классе:

• в спящем режиме потребление составляет 0,26–8,4 мкА;
• выход из спящего режима по таймерам, внешним событиям или команде из сети;
• в активном режиме модуль потребляет 95–270 мА;
• среднее потребление тока за длительный период 10–18 мкА (режим клиента точки доступа).

Таким образом, изделие на основе GS2000 может работать от одной батарейки до нескольких лет и при этом передавать данные по Wi-Fi.

Рис. 2. Использование GS2101 в Apple HomeKit

На базе GS2000 разработаны два модуля: GS2101 [2] и GS2200 [3] (табл. 1). GS2101 построен на базе 68-выводного варианта чипа, поэтому стоит дешевле, но он не поддерживает расширенные режимы энергосбережения и поэтому рекомендуется для применений с внешним питанием. В качестве простого примера применения GS2101 рассмотрим экосистему Apple HomeKit (рис. 2). Модули Telit интегрируются в различные устройства «умного дома», контролировать и управлять которыми возможно удаленно, при помощи устройств Apple. Как показывают приведенные в табл. 1 данные, протокол Apple HomeKit поддерживается модулями Telit, поэтому интеграция модулей Wi-Fi будет существенно упрощена.

GS2200 создан на базе 128-выводного GS2000 и поэтому способен полностью раскрыть потенциал чипсета. На рис. 3 показана структура веб-камеры с передачей данных по Wi-Fi, ядром которой как раз является GS2200. Быстродействие модуля GS2200 позволяет обрабатывать и отправлять видеопоток с разрешением 1080p, а режимы энергосбережения — питать все изделие от одной батареи емкостью 2000 мА/ч.

Рис. 3. Модуль Telit GS2200 в системе видеонаблюдения

И GS2101, и GS2200 имеют модификации как со встроенной антенной, так и с разъемом под внешнюю антенну, благодаря чему расстояние, на которое могут передаваться данные, может достигать 180 и более метров (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость уровня сигнала и скорости передачи данных от расстояния

Несмотря на выдающиеся характеристики модулей серии GS2000, их формфактор сильно отличается от стандартных форматов модулей Telit. Поэтому было принято решение продолжать производство GS2200 и GS2101, но при этом новые Wi-Fi-модули будут разрабатываться в широко известном формате xE866 [4]. Один из таких модулей уже выпускается — WE866A1 [5] (см. табл. 1). Это так называемый модуль-компаньон, который предназначен для совместного использования с модулями сотовой связи Telit [4].

На рис. 5 показана типичная схема соединения WE866A1. Ведущим в связке является модуль сотовой связи (любой модуль Telit c поддержкой AppZone), в него загружается специальное приложение для работы с WE866A1. Передача данных идет по интерфейсу SPI, плюс используется несколько линий ввода/вывода для управления взаимодействием. При этом используются сетевые стеки, имеющиеся уже в модуле сотовой связи, WE866A1 выступает в роли трансивера и поддерживает нижние уровни 802.11 b/g/n. На верхних уровнях модуль может выступать как точкой доступа (с ограничением до четырех клиентов), так и клиентом (обеспечивая экономию трафика сотовой связи при наличии Wi-Fi).

Рис. 5. Модуль-компаньон WE866A1

Еще один аналогичный модуль-компаньон WE866C3 находится в стадии разработки. Его отличием от предшественника будет поддержка высокоскоростного протокола 802.11 ac, причем в двух диапазонах — 2,4 и 5 ГГц. Поскольку SPI недостаточно для обеспечения высоких скоростей передачи данных, для обмена данными с внешним процессором будет использован SDIO 3.0. Также WE866C3 поддерживает Bluetooth версии 4.2, причем передача данных по Bluetooth идет по UART.

Еще два разрабатываемых модуля в формате WE866 — это WE866E2 и WE866E4. Это тоже двухдиапазонные 2,4/5-ГГц модули, но их архитектура позволит загружать приложения пользователя, по аналогии с GS2000. WE866E4 также будет поддерживать и Bluetooth 5.0. Набор сетевых протоколов обоих модулей идентичен набору, использующемуся в GS2000, на основании чего можно предположить, что Telit планирует использовать программные наработки GainSpan, сделанные ранее. В табл. 2 показаны типы микроконтроллеров, для которых Telit предоставляет драйверы или исходные коды для работы с модулями Wi-Fi. Перечень довольно обширный, и он постоянно дополняется с тем, чтобы максимально удовлетворить все запросы потребителей.