Обзор модулей WLAN

Рис. 1. Внешний вид модуля HW86050

Продолжая тему отсутствия конкуренции, я бы хотел уточнить, что речь идет о конкуренции между различными технологиями, предназначенными для решения одного и того же круга задач, т. е. относящихся к одной и той же категории. Собственно сейчас к каждой категории относится практически одна-две технологии, не считая баталий развивающихся в области сверхширокополосной беспроводной связи. Итак, если говорить о наиболее перспективных и динамичных категорий, то мне бы хотелось выделить ZigBee (стандарт IEEE 802.15.4) как представителя категории низкоскоростной беспроводной передачи данных на малых расстояниях (до 240 кбит/с), Bluetooth (стандарт IEEE 802.15.1) как технологию передачи данных со средними скоростями (до 3 Мбит/с) на малые и средние дистанции, а также технологию беспроводных локальных сетей WiFi (стандарт IEEE 802.11a/b/g/n), которая представляет собой технологию, обеспечивающую беспроводной обмен данными с большой скоростью (108 Мбит/с и больше при использовании специализированных методик повышения скорости) на средних расстояниях. В этой статье я хочу познакомить вас с некоторыми наиболее интересными российскому разработчику модулей Wireless LAN, WLAN.

Рис. 2. Структурная схема модуля HW86050

WLAN является во многих отношениях удобной, поскольку подразумевает организацию привычных всем локальных сетей, и без труда позволяет абстрагироваться от физического уровня, делая прозрачным администрирование сети. С другой стороны, существует огромное количество (и надо признаться, их большинство) приложений в промышленной автоматизации, которые не требуют передачи таких больших объемов данных: в таких приложениях достаточно пропускной способности на уровне десятков и сотен килобит в секунду. Поэтому в приложениях промышленной автоматизации больше востребованы технологии с малыми скоростями, такие как ZigBee, а также различные виды радиомодемов ISM-диапазона. Тем не менее дальнейший технологический прогресс во всех областях приводит к существенному росту объемов передаваемых данных и одна из таких областей — охранные системы. Для передачи видео- и аудиоинформации требуется высокая пропускная способность, и для таких систем, пожалуй, единственным выходом может служить использование технологии WLAN. Крайне удобным для охранных систем также является возможность простого объединения возможностей WLAN и VoIP для организации точек «тревожной связи», телефонного сообщения с диспетчерскими и наблюдательными пунктами. Именно поэтому сегодня я хочу сконцентрироваться на обсуждении аппаратной базы WLAN для таких приложений. При этом речь пойдет не только о модулях, но и о терминалах и корпусированных модулях WLAN (с фланцевыми креплениями и для монтажа на DIN-рейку).

Рис. 3. Внешний вид модуля OWLAN211b

Начну свой обзор я с устройства компании Hoft&Wessel — модуля стандарта IEEE 802.11b с наименованием HW86050 (рис. 1). Он представляет собой простое решение для широкого круга самых различных приложений. Он может легко интегрироваться в ваше устройство без необходимости использования дорогостоящих разъемов, достаточно просто управлять его параметрами без необходимости использования драйверов протоколов во встраиваемых приложениях. Модуль HW86050, как говорилось выше, выполнен в соответствии со стандартом IEEE 802.11b (скорость передачи данных до 11 Мбит/с), который на данный момент является наиболее употребительным в приложениях промышленной автоматизации и охранных системах. Структурная схема модуля приведена на рис. 2. Отмечу также малые габариты модуля, а также то, что для управления и обработки данных используется 16-битный RISC-процессор. Пожалуй, одним из основных преимуществ модуля HW86050 является наличие двух последовательных интерфейсов — UART и SPI — при отсутствии необходимости в реализации каких-либо протоколов в вашем приложении. Достаточно подключить питание и передать команду и данные по последовательному интерфейсу. Этот факт позволяет существенно сократить время разработки конечного приложения, а также упростить и ускорить этап отладки и ремонта изделия. Модуль имеет встроенный TCP/IP-стек, очень малые габаритные размеры, экономичен, может осуществлять как одноранговые соединения с другими WLAN-клиентами напрямую, так и работать в составе сети, управляемой точкой доступа. Важно отметить также, что модуль поддерживает не только протокол WEP128, но и WPA. Среди других отличительных особенностей модуля назову легкое обновление микропрограммного обеспечения, наличие аналогового аудио-интерфейса для голосовых приложений и совместимость с другими модулями компании.

Рис. 4. Структура программного обеспечения модуля OWLAN211b

Интересный WLAN-модуль OWLAN211b (рис. 3) предлагает компания ConnectBlue. Его размеры всего 23×36 мм, что почти вдвое меньше, чем у ранее рассмотренного, он выполнен в соответствии стандарту IEEE 802.11b. Основным назначением модуля, по мнению его разработчика, являются всевозможные приложения промышленной автоматизации, охранные системы, где требуется малая потребляемая мощность. Модуль не обеспечивает прозрачную передачу данных, но, тем не менее, разработчики сделали все, чтобы упростить использование этого модуля. Программный драйвер работает как интерфейс между стеком TCP/IP в устройстве и самим модулем (рис. 4). За счет этого работа по реализации совместимости со стандартом WLAN сводится к минимуму. Драйвера доступны для операционных систем Linux и Windows CE и могут быть портированы на любой микроконтроллер. Отмечу еще одну интересную особенность модуля OWLAN211b: по габаритам он полностью совместим с аналогичными модулями Bluetooth этой компании. Это большой плюс, если вы проектируете универсальное устройство, которое поддерживает два варианта исполнения: WLAN или Bluetooth. Модуль прошел тестирование радиоинтерфейса для Европы, сертифицирован по уровню EMI. Рабочий диапазон температур составляет –30…+85 °С, поддерживаются такие протоколы безопасности, как WEP64/128, WPA, WPA2 (TKIP/PSK). Модуль имеет встроенную антенну, кроме того, имеется возможность подключения двух внешних антенн.

Рис. 5. Внешний вид модуля OWSPA311g

Рис. 6. Внешний вид модуля XG-880M

Другой интересный модуль компании ConnectBlue — OWSPA311g — представляет собой последовательный модуль WLAN (рис. 5). Как и предыдущий, он имеет малые габариты, небольшое энергопотребление. Конструкция его специально разрабатывалась с учетом применения модуля в устройствах, эксплуатируемых в сложных условиях. Модуль обеспечивает прозрачную передачу данных, поэтому не требуется никаких внешних драйверов. Как и предыдущий модуль, OWSPA311g может легко быть использован в универсальных устройствах с опциями Bluetooth/WLAN. Функционировать модуль может в диапазоне температур –30…+85 °С, а храниться при –40…+85 °С.

Модуль XG-880M компании ZComax настолько миниатюрен, насколько это вообще возможно — его габаритные размеры составляют всего 23×20 мм (рис. 6, 7). Модуль совместим со стандартом IEEE 802.11g, поддерживает скорость обмена данными до 54 Мбит/с. Благодаря своей миниатюрной конструкции модуль может быть без труда интегрирован практически в любое устройство. Его размеры позволяют без труда использовать его в картах CompactFlash. Модуль представляет собой надежное устройство, поддерживается операционными системами Windows CE, PPC2003 и Linux. Основа модуля — радиоинтерфейс Marvel 88W8010, что обеспечивает отличные характеристики устройства. Для ознакомления с возможностями модуля и отладки ваших приложений производитель предлагает два адаптера, через которые можно подключить модуль к персональному компьютеру: CompactFlash (рис. 8) и SDIO (рис. 9).

Рис. 7. Габаритные и присоединительные размеры модуля XG-880M

Рис. 8. Внешний вид модуля XG-880M с адаптером CompactFlash

Рис. 9. Внешний вид модуля XG-880M с адаптером SDIO

Рис. 10. Внешний вид WLAN-модулей компании SND формата miniPCI

Рис. 11. Внешний вид модуля EZWFM05-01

На этом модуле мне бы хотелось закончить обзор модулей и перейти к рассмотрению предлагаемых решений WLAN в формате miniPCI, которые могут с успехом использоваться во встраиваемых промышленных системах. Несколько таких решений предлагает компания Smart Network Devices (SND) (рис. 10). Они имеют 32-битную шину PCI (шины данных и адреса мультиплексированы). Одновременно может работать до 4 таких модулей. Модули компании SND соответствуют стандартам IEEE 802.11b (частота 2,4 ГГц, скорость до 11 Мбит/с), IEEE 802.11g (2,4 ГГц, скорость до 54 Мбит/с) и IEEE 802.11.a (частота 5 ГГц, скорость до 54 Мбит/с). Режимы функционирования: одноранговое соединение, либо сеть на основе точки доступа.

Компания Eazix производит целый ряд WLAN модулей формата miniPCI. Рассмотрим наиболее интересные из них. Модуль EZWFM05-01 (рис. 11) выполнен в соответствии со стандартом 801.11g и поддерживает скорости обмена данными до 54 Мбит/с. Модуль очень удобен для использования во встраиваемых системах, имеет малые габариты 59,75×50,95×3,2 мм и способен работать в широком диапазоне температур от 0 до +55 °С, а храниться при температуре от –20 до +65 °С. Структурная схема модуля приведена на рис. 12.

Рис. 12. Структурная схема модуля EZWFM05-01

Модуль EZWFM06 (рис. 13) представляет собой недорое встраиваемое решение с интерфейсом miniPCI, совместимое со стандартами IEEE 802.11a/b/g, при этом поддерживаются скорости передачи данных 54, 48, 36, 24, 18, 12, 9 и 6 Мбит/с в обоих частотных диапазонах — 5 ГГц и 2,4 ГГц. Отмечу, что этот модуль выполнен на чипсете Conexant PRISM World Radio. Дальность связи на открытой местности составляет 100 м, модуль поддерживает возможности шифрования 64 и 128 бит WEP и способен работать в широком диапазоне температур от –20 до +70 °С. Модуль EZWFM11 с прозрачной передачей данных, строго говоря, не относится к рассматриваемой категории модулей с интерфейсом miniPCI, однако за счет повторного использования наработок инженеров, его характеристики во многом схожи с аналогичными miniPCI-модулями этой компании. Этот модуль соответствует требованиям стандарта IEEE 802.11g и обеспечивает прозрачную транспортировку данных между беспроводной сетью WLAN и последовательным интерфейсом UART. Структурная схема устройства приведена на рис. 14. Модуль поддерживает скорость обмена данными до 54 Мбит/с, работает в диапазоне частот 2,4 ГГц и обеспечивает дальность связи до 100 м на открытой местности. При этом он довольно миниатюрен: его габаритные размеры составляют 55×49×7,5 мм. Внешний вид модуля EZWFM09-02 показан на рис. 15. Это модуль точки доступа WiFi, соответствующей стандарту IEEE 802.11g. Фактически он представляет собой полностью законченную точку доступа, готовую к использованию. Структурная схема модуля приведена на рис. 16. Модуль имеет интерфейс MII и снабжен обычным для встраиваемых приложений разъемом 2×20. Скорость обмена данными, поддерживаемая точкой доступа, — до 54 Мбит/с. Отмечу также, что модуль выполнен на базе чипсета Conexant PRISM APDK.

Рис. 13. Внешний вид модуля EZWFM06

Рис. 14. Структурная схема модуля EZWFM11

Рис. 15. Внешний вид модуля EZWFM09-02

Рис. 16. Структурная схема модуля EZWFM09-02

Рис. 17. Внешний вид WLAN-модуля компании MicroSens для монтажа на DIN-рейку

В заключительной части небольшого обзора мне бы хотелось познакомить вас с еще одним классом устройств, которые не являются встраиваемыми решениями, но представляют собой функционально законченные корпусированные устройства для промышленных применений, предназначенные для монтажа в шкафы. Я подчеркну, что хочу лишь представить этот класс беспроводных устройств — он настолько широк, настолько своеобразен, что заслуживает рассмотрения в отдельных статьях. Одной из компаний, производящих такие устройства, является MicroSens. Примером может служить промышленная точка доступа для монтажа на DIN-рейку (рис. 17). Точка доступа интегрирует в себе гигабитный Ethernet-коммутатор на 4 порта (1 × 10/100/1000Base-T, 3 × 10/100Base-TX и 2 × 1000Base-X. По беспроводному интерфейсу поддерживаются скорости вплоть до 54 Мбит/с. Точка доступа поддерживает протоколы безопасности WEP54, WEP128, WPA и WPA2. Отмечу также, что поддерживается функция питания по Ethernet-кабелю Power-over-Ethernet в соответствии с IEEE 802.3af. Один из наиболее типичных примеров использования беспроводной точки доступа в инфраструктуре промышленного предприятия показан на рис. 18. Параметры всех рассмотренных устройств сведены в таблицу, которая поможет вам сориентироваться при выборе наиболее подходящего для вашего приложения.

Рис. 18. Пример испльзования

Мы рассмотрели несколько классов аппаратного обеспечения беспроводных сетей WLAN для приложений промышленной автоматизации, охранных систем и т. п. Радиочастотная часть устройств имеет схожие характеристики, а вот остальные параметры определяются использованными производителем элементной базой и уровнем отработки встроенного микропрограммного обеспечения. Как мы видели, некоторые из модулей поддерживают только протоколы WEP, надежность которых, как доказано на настоящее время, крайне низка. Тем не менее не стоит отказываться от использования таких модулей в ваших приложениях. В системах промышленной автоматизации широко используются всевозможные радиомодемы ISM-диапазонов, обеспечивающие беспроводной транзит данных. И эти данные никак не защищены от несанкционированного доступа. В случае если информация носит телеметрический характер и получается с массива некоторых датчиков, то доступ к ней вряд ли как-то по влияет на функционирование системы. Ситуация несколько сложнее, если по беспроводному интерфейсу также осуществляется управление удаленными устройствами. Тем не менее необходимо отметить тот факт, что в промышленных системах данные редко передаются в «сыром» виде: они упакованы в собственный протокол, исследование и понимание которого — далеко не быстрая и не тривиальная задача. С другой стороны, необходимо также принимать во внимание тот факт, что для просмотра трафика, передаваемого, скажем, в диапазоне 433 МГц, требуется специальное оборудование. А для случая WLAN достаточно прийти с ноутбуком или вставить WLAN-адаптер в компьютер, чтобы получить доступ к данным. Как видите, здесь идет речь об уровне сложности доступа к физическому уровню беспроводных систем. Для WLAN это сделать проще, поэтому использование хотя бы WEP128 настойчиво рекомендуется. Кроме того, никто не мешает в вашем устройстве осуществить потоковое шифрование данных, и на беспроводной модуль WLAN подавать уже шифрованный поток данных. Взломать такую систему будет непросто. В любом случае: решений довольно много, их можно комбинировать, и то, что вы будете использовать в вашей системе, диктуется выбором оптимального соотношения между стоимостью и обеспечением требований технического задания.