嵌入式Wi-Fi及其应用

嵌入式Wi-Fi及其应用沈建华[e-mail]华东师范大学计算机系2012,4嵌入式Wi-Fi及其应用•短距离无线技术及标准•嵌入式Wi-Fi技术•工作与成果•应用与难点•总结The802WirelessSpaceSource:嵌入式Wi-Fi•为什么使用Wi-Fi•嵌入式Wi-Fi的特点•我们的工作•嵌入式Wi-Fi的应用为什么Wi-Fi？•已被证明是一个很好的无线WLAN标准•现有几十亿个Wi-Fi设备在运行•稳定、易用：标准架构、无需专用设备，直接与AP、PC、笔记本电脑、手机、iPAD无线通信•安全：链路层加密（AES）、授权（WEP、WPA2）•Wi-Fi在家庭：75%的家庭网关带AP功能•Wi-Fi手机：44%的智能手机装备Wi-Fi；ABI研究预测：90%by2014手机Wi-Fi遥控器•手机将变成一个通用的遥控器嵌入式Wi-Fi接入••嵌入式Wi-Fi的特点•软硬件高度集成、优化：集成RTOS、Wi-Fi驱动、TCP/IP、DHCP、Security、API•快速启动：上电1~2s即可正常通信•易用性：UART、SPI接口，非常简单的API•低功耗：灵活的电源管理模式，极低的待机电流•安全：直接支持WEP、WPA/WPA2（PSK和证书）•应用的定制：802.11b/g、本地支持非常重要软件–Wi-Fi驱动–TCP/IP、DHCP–安全、授权–电源管理–EmSP命令处理IEEE802.11b/g–“thehardware”–Physical&MediaAccessControllayersIEEE802.11b/g嵌入式Wi-FiPHYPHYPHYPHY2.42.42.42.4GHzGHzGHzGHzMACMACMACMACNetworkNetworkNetworkNetworkTCPTCPTCPTCP////IPIPIPIP、UDPUDPUDPUDP，WiWiWiWi----FiFiFiFiDriverDriverDriverDriverSecuritySecuritySecuritySecurityAESAESAESAES、WEPWEPWEPWEP、WPAWPAWPAWPA////WPAWPAWPAWPA2222ApplicationApplicationApplicationApplicationUARTUARTUARTUART、SPISPISPISPIAPIAPIAPIAPI（EmSPEmSPEmSPEmSP）EmbeddedEmbeddedEmbeddedEmbeddedWiWiWiWi----FiFiFiFiIEEEIEEEIEEEIEEE802.11802.11802.11802.11bbbb////ggggCustomerCustomerCustomerCustomerRFRFRFRFSiliconSiliconSiliconSiliconMCUMCUMCUMCU////StackStackStackStackUserUserUserUserAppAppAppApp嵌入式Wi-Fi软件结构我们的工作•WiFi驱动的优化设计：多线程、缓冲区优化•TCP/IP的优化：速率、缓冲区、链接数•安全机制的优化设计：WEP、WPA/WPA2-PSK&Enterprise、WPS•TLS支持https（CMCC、China-net接入）•OTA远程固件升级•动态功耗管理嵌入式Wi-Fi的功耗•性能/功耗比ZigBee：250kb/约30mA（0~5dBm）实测有效载荷速率10KBytes/sWi-Fi：11~54Mb/约200mA（10~15dBm）实测有效载荷速率200KBytes/s时间/功耗：ZigBee较好带宽/功耗：Wi-Fi更优•举例：每天上传1MB数据，Wi-Fi用时约10s，耗电约1000mA·s/天；以1000mAh电池为例，可用3600天，约10年！我们的工作2004年：Wi-Fi对讲机，荣获“美国国家半导体模拟技术大奖赛”冠军不同封装的模块1.27mmleadpitch2.0mmleadpitch2.54mmleadpitchEMW3StructureFunctionInterface-PackageEMWEmbeddedWi-Fi3Module0Stack8Highsecurity0UART11.27mmleadpitchpins6Highspeed1SPI22.0mmleadpitchpins4Basic32.54mmleadpitchpins不同封装的模块2.0mmleadpitchSemi-holesWi-FiprocessorMX10802.0mmleadpitchPinsEMW3StructureFunctionInterface-PackageEMWEmbeddedWi-Fi3Module1Integrated8Highsecurity0UART22mmleadpitchpins6Highspeed1SPI42.0mmleadpitchsemi-holes4Basic硬件接口•IOcontrol（optional）•EMSPcommandmode★Statuspiniskeptlow•Datatransmissionmode★StatuspiniskepthighHostHostTXTXcircuitcircuitRXRXcircuitcircuitIOIOcircuitcircuitWiWi--FiFimodulemoduleRXRXcircuitcircuitTXTXcircuitcircuitIOIOcircuitcircuitGNDVDD3.3V•PowersupplyTXTXRXRX•DatatransmissionRTSCTSRTSCTS•Flowcontrol（optional）IO1IO2IO3STATUSRESETWAKEUPLED/nBOOTEMSP命令集EMSPcommandpackage:commandcommandlengthlengthreslutresluthead_checksumhead_checksumdatadatadata_checksumdata_checksumEMSPcommandEMSPEMSPcommandcommandUARTWi-FiDataDataDataEMSPcommandEMSPEMSPcommandcommandDataDataDataEMWToolBoxTCP/IPpackageTCPTCP//IPIPpackagepackage数据传输UARTWi-FiProtocolconvertUARTDATAUARTUARTDATADATAUnpackbyTCP/IPstackApplicationUARTDATAUARTUARTDATADATATCP/IPpackageTCPTCP//IPIPpackagepackageUARTDATAUARTUARTDATADATATCP/IPpackageTCPTCP//IPIPpackagepackageUARTDATAUARTUARTDATADATAUARTDATAUARTUARTDATADATA工作成果•业界领先的嵌入式Wi-Fi技术•发表了多篇SCI、EI论文•多项专利、软件著作权•支持WEP、WPA/WPA2-PSK&Enterprise证书（企业版）•支持TLS，CMCC、China-net接入•支持OTA远程空中升级•由Foxconn代工的高品质Wi-Fi模块•多个成功的应用案例最新产品Wi-Fi应用趋势•2010年发货量7.7亿，其中手机约2亿•复合年增长率约25%嵌入式Wi-Fi的应用•嵌入式Wi-Fi应用的技术特征-直接联网，与PC、手机、iPAD通信or-大量数据传输（几百KB、MB）or-带宽需求大于10KBytes/sor-电池供电设备可间隙通信，或交流供电•典型应用：医疗监护、汽车诊断、仪器仪表、安防系统、灯光系统、读卡机/考勤机、白色家电、POS机、玩具、遥控器等等用户Wi-Fi云接入嵌入式Wi-Fi与智能家电、云端服务数据库数据库酒类生酒类生产厂商产厂商命令传输服命令传输服务器务器业务服务器业务服务器社区管理服务器社区管理服务器iPhone/iTouch/iPaiPhone/iTouch/iPadd对酒柜进行远程控制上传藏酒信息，酒柜状态收发远程控制命令获得酒品销售信息提供酒品信息，售后服务帐户管理查询藏酒信息，获取远程控制地址。看红酒知识，写酒评，发微博iPhone/iTiPhone/iTouch/iPadouch/iPad本地控制现状与难点•各大半导体公司纷纷推出嵌入式Wi-Fi硬件芯片组•软件的复杂性——涉及很多协议、算法；动起来容易，做稳定、健壮很难•2.4GRF硬件设计、加工、测试、认证困难——模块的优势•MCU资源有限——软件优化•应用的差异性很大——定制•本地化支持！！！总结•物联网应用需用标准的网络结构、协议•物联网给嵌入式Wi-Fi应用带来了巨大的机遇•稳定、带宽、易用是嵌入式Wi-Fi的主要特征•嵌入式Wi-Fi，软件优化是关键•硬件模块化可降低风险和成本•本地化支持对应用非常重要后续工作…•Wi-FiDirect等新标准、协议的支持•IPv6的支持•进一步降低Wi-Fi模块的功耗•与半导体原厂加强合作，采用更新的芯片组•物联网无线接入系列产品：ZigBee、BTLE、ANTThanks！Q？[e-mail]