运用RS9116 Wi-Fi入门套件开发低功耗、多协议物联网应用

来源:SiliconLabs发布时间:2023-02-162076浏览

在众多无线技术中，Wi-Fi无疑是非常成功的。根据Strategy Analytics预测，在2022年至2027年间，全球Wi-Fi系统出货量将以每年7.5%的速度增长。而且值得注意的是，在所有部署Wi-Fi的设备中，物联网设备的比例越来越高，这也就意味着除了PC、手机、平板电脑这些Wi-Fi传统的优势领域外，其在智能家居、可穿戴、工业、医疗等物联网领域中的应用空间也在不断扩展。

物联网Wi-Fi的兴起

作为Wi-Fi的“重度用户”，如果让我们列举Wi-Fi的优势，大家都能侃侃而谈：数据吞吐量更高，可以几乎没有延迟地传输音频和视频流；覆盖范围足够大，可以满足局域网的连接需求；能够提供持续的云连接，而无需额外的网关……不过从这些优势中，我们也可以明显看出，Wi-Fi从“出身”上来讲并不是为物联网而设计的，与其他物联网无线技术相比，部署并应用数据吞吐量更大的Wi-Fi，注定需要更复杂的协议、更高的功率，以及更高的成本，这与物联网应用的“调性”显然是相悖的。

然而，庞大的物联网市场实在是太诱人了，坐拥海量用户的Wi-Fi如果不掺和一下，肯定是心有不甘；而且更重要的是，Wi-Fi虽然有短板，但是人们逐渐发现其在物联网领域也有独特的优势。

以我们所熟悉的智能家居应用为例，其中很多智能化设备（如智能锁、传感器、智能灯泡、恒温器和开关灯等）都是由电池供电的，因此它们大都采用BLE、Zigbee、Z-Wave等低功耗、低吞吐量的无线连接技术，而这些无线协议并非基于IP，因此无法直接连接到互联网以实现云端互联或远程访问，这就需要部署一个专门的网关做协议的转换处理，相应地也就增加了物联网部署的成本和复杂性。

而标准Wi-Fi协议是基于IP的，因此可以直接连接到家庭无线路由器，并与云端实现互联，在部署时不会增加额外的集线器或网关成本。与其他物联网无线技术相比，这显然是一个明显优势。因此基于标准Wi-Fi协议，一种中低吞吐量（足够支持物联网设备数据传输）、功耗更低的物联网Wi-Fi也就应运而生。这种具有低功耗、低资源使用率、支持远程局域连接、具有安全功能且低成本的无线技术，自然是很多物联网设备开发的理想选择。

图1：各种无线技术性能比较

（图源：Silicon Labs）

构建物联网Wi-Fi的技术考量

虽然物联网Wi-Fi基于标准Wi-Fi协议，但是其定位与那些追求更高传输速率、更大数据吞吐量的传统Wi-Fi应用还是有差异的，因此在构建时需要更细致的技术考量。

基于IEEE 802.11标准的Wi-Fi技术经过20多年的发展，历经多次技术更迭，形成了多种技术规格，而其中并非所有的技术规格都适用于物联网应用。具体来讲，“版本较低”的802.11 b/g/n是当下物联网设备中使用的主流Wi-Fi规格，其主要原因也不难理解：一是速率更高的802.11ac （Wi-Fi 5）会带来更高的协议复杂性、更高的功耗和系统成本，在物联网应用中并不划算；二是802.11 b/g/n这几个Wi-Fi规格是基于2.4 GHz的（其中802.11 n，即Wi-Fi 4，可同时支持2.4 GHz和5 GHz双频段），与5 GHz的802.11ac相比具有更大的传输范围和更强的穿透力，这也是物联网应用中一个很关键的性能指标。

好消息是，最新的802.11ax（Wi-Fi 6）规格针对物联网应用的需要，在支持更多数量的设备联网、低功耗特性等方面做了卓有成效的优化，而且由于向后兼容以前Wi-Fi规格的产品，这对于未来物联网Wi-Fi的发展将是一个有力的推动。

图2：不同Wi-Fi技术规格的特性

（图源：Silicon Labs）

从元器件层面考虑，物联网Wi-Fi芯片级解决方案在锁定合适的Wi-Fi规格基础上，也需要在以下这些方面进行特别的优化。

低功耗

芯片的设计需要根据目标物联网应用，特别在数据吞吐量和功耗之间实现最佳的平衡；同时也需要综合利用低功耗设计和工艺技术，满足这个物联网应用的刚需。

多协议

在越来越多的物联网应用场景中，需要支持多种无线协议，比如同时支持Wi-Fi和蓝牙，这有利于将采用非IP无线协议的设备轻松配置到Wi-Fi无线路由器中，也可以让不同的无线技术互为备份，增强连接的可靠性。

安全性

由于物联网设备面临的安全威胁越来越严峻，因此提供足够的安全性，也是物联网Wi-Fi芯片必须应对的挑战。

足够的算力

随着物联网边缘设备越来越智能，Wi-Fi芯片在性能上除了要运行无线通信协议外，还要有“余力”运行应用程序、支持安全功能，甚至是实现机器学习和AI应用，这就需要可扩展的软硬件架构进行支撑。

简化的开发

简化物联网Wi-Fi应用开发过程非常重要，此举能够为开发者提供更大的增值、无线和网络协议栈、完备的软硬件开发工具、与云服务平台的完整连接方案等，这些都是需要考虑整合的资源。

物联网Wi-Fi的开发平台

了解了上述物联网Wi-Fi芯片级解决方案的要求，开发者在芯片方案的选择上就可以按图索骥、有的放矢了。不过在实际的选型开发中，我们经常会发现某款产品在某些方面具有很独特的优势，但是如果想要找到一款在上述各个方面表现都很出色的“全能型”的芯片平台，却并不容易。

今天，我们就为大家找到了这样一款物联网Wi-Fi芯片平台——Silicon Labs的RS9116系列SoC。它有哪些能够让人眼前一亮的“芯”技能？我们一起来探究一番。

图3：RS9116系列SoC

（图源：Silicon Labs）

低功耗

在低功耗方面，RS9116系列SoC具有多种电源管理模式，包括传输、接收和睡眠模式等，可以让“始终在线”的物联网无线连接应用实现更低的功耗。从以下这些关键参数来看，其性能表现十分抢眼，如：Wi-Fi备用关联模式电流50μA（1秒信标广播间隔）；Wi-Fi 1 Mbps侦听电流14mA；Wi-Fi LP链Rx电流19mA；深度睡眠电流小于1μA，待机电流（关闭模式）小于10μA。

图4：RS9116系列SoC系统框图

（图源：Silicon Labs）

多协议

支持多协议也是RS9116系列SoC的一大亮点，在RS9116内部，配置有协议仲裁管理器管理多个无线协议共存。在Wi-Fi协议方面，RS9116系列不仅支持主流的802.11 a/b/g/n（2.4GHz和5GHz），还支持802.11j这个针对日本4.9GHz-5GHz频段的协议；此外RS9116还支持双模蓝牙5，以及802.15.4——也就是说在该SoC上能够运行Thread或Zigbee协议，这就为探索多协议无线物联网应用提供了更大的空间。

图5：RS9116系列SoC和模块支持多模无线电，并可扩展支持5GHz频段
（图源：Silicon Labs）

安全性

为了确保安全性，RS9116系列SoC内置了多种安全功能，如AES128/256等加速器、支持WPA/WPA2个人版和企业版客户端等。同时，RS9116使用PUF（物理不可克隆功能）进行硬件设备识别和密钥存储，以提供更全面的安全保障。

灵活性

RS9116系列SoC可支持托管（n-Link™）和嵌入式（WiSeConnect™）两种不同的工作模式，它们分别对应着不同的软件架构和主机接口，以便与不同的处理器系列和操作系统集成，这为开发带来了极大的灵活性。

图6：RS9116系列SoC的两种工作模式

（图源：Silicon Labs）

在托管模式中，RS9116可通过SDIO 2.0和USB HS接口与一个32位的MCU主机连接，Wi-Fi协议栈、蓝牙以及ZigBee、Thread等无线协议栈和配置文件以及所有网络协议栈都在主机上运行。而在嵌入式模式下，RS9116通过UART、SPI、SDIO和USB CDC接口与一个主机连接，这时Wi-Fi协议栈、TCP/IP协议栈、IP模块、蓝牙协议栈和ZigBee PRO协议栈都在RS9116W中运行，仅有部分蓝牙配置文件和所有ZigBee配置文件由主机处理，这时只需一颗8位MCU作为主机就可胜任。开发者可以根据自己的目标应用，选择最合适的系统结构和工作模式。

开发资源丰富

丰富的配套开发资源，是RS9116系列一个非常显著的优势。比如通过Simplicity Studio这个集成各种Silicon Labs技术、SoC和模块的统一开发环境，用户可以访问Web和SDK资源、软件和硬件配置工具，以优化开发流程，加速项目的实施。

Silicon Labs还为RS9116 SoC和模块提供配套的开发套件，如下面这个RS9116 WiSeConnect开发工具，就可以很方便地用来评估RS9116 SoC和模块，其可在托管模式和嵌入式模式配置下使用，具有低功耗、多软件架构和不同的主机接口。该开发套件的软件开发工具包中还提供基于无线简单API（SAPI）的示例、开源Linux驱动程序、快速评估所需的演示示例，可以说RS9116系列SoC和模块评估和开发所需的资源，已经尽在其中。

图7：RS9116 WiSeConnect开发工具

（图源：Silicon Labs）

综上所述，RS9116系列就是专为物联网设计的低功耗 Wi-Fi SoC，在提供足够性能的同时，通过全方位的优化显著降低了功耗、支持多协议无线应用、减少了MIPS要求，并实现了足够高的安全性，加之丰富易用的开发资源，为大家提供了一个理想的物联网Wi-Fi解决方案。

赋能物联网Wi-Fi应用

RS9116物联网Wi-Fi解决方案的优势特性，使其在很广泛的物联网应用中都可以施展拳脚。

比如Kudelski公司基于RS9116无线模块开发了一块新型无线资产跟踪设备——RecovR，既能满足汽车经销商对车辆在展厅、车库以及室外对车辆进行跟踪的需求，实现轻松高效的批次管理，又能为消费者提供安全的失窃寻回解决方案。在其中，RS9116无线模块的低成本、多协议无线通信（蓝牙和Wi-Fi）和低功耗的优势发挥得淋漓尽致：Wi-Fi + 蓝牙的双模功能，可以提供高吞吐量和更大的覆盖范围，以及更稳定的连接；同时，基于BLE蓝牙低功耗技术，RecovR还可提供室内定位的功能，作为GPS室外定位功能的延展；整个方案价格适中，采用电池供电并支持数年的续航。

图8：基于RS9116模块的资产跟踪解决方案

（图源：Silicon Labs）

特别值得一提的是，RS9116物联网Wi-Fi产品也已经被整合到Silicon Labs完整的Matter开发解决方案中，与Silicon Labs的2.4 GHz无线MG24 SoC配合使用，可以支持Matter over Wi-Fi 4的开发，并在未来无缝而轻松地过渡到Silicon Labs的Wi-Fi 6单芯片Matter SoC上，彻底解决智能家居领域产品“碎片化”的难题。

图9：基于RS9116的Matter over Wi-Fi 4解决方案

（图源：Silicon Labs）

本文小结

物联网应用通常受到功率、尺寸和资源的约束，与此同时又会面临不断增加的数据吞吐量、安全威胁方面的挑战。在很多应用场景中，物联网Wi-Fi不失为一种理想的解决方案。

Silicon Labs的RS9116系列产品（包括SoC芯片和模块）为开发者提供了一个综合表现非常出众的开发平台，特别是多电源管理模式带来的低功耗特性、多协议无线功能带来的应用扩展性、不同工作模式带来的开发灵活性，为大家入门低功耗、多模物联网Wi-Fi开发，提供了一块“敲门砖”。相信你一旦用上了它，就会爱不释手！

RS9116系列产品

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RS9116 WiSeConnect开发工具，了解详情>>

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