Выбор встраиваемых Wi-Fi модулей для мобильных оптико-информационных систем

Авторы: Востриков А. А., Куртяник Д. В., Сергеев А. М.

 

Аннотация

Работа посвящена обзору присутствующих на рынке электронных комплектующих интегрированных решений для обеспечения оптико-информационных систем беспроводным интерфейсом Wi-Fi. Постановка задачи сформировалась в процессе выполнения конкретной работы по созданию устройств регистрации и передачи видеоинформации. Благодаря этому же в работе приводится информация о некоторых действительно достижимых параметрах Wi-Fi модулей, включенных в обзор. Выбор критериев сравнительной оценки основывался на специфике характеристик оборудования, выполняющего передачу визуальной информации. Однако приведенные данные могут быть использованы при подборе наиболее удовлетворяющего решения при создании практически любой аппаратно-программной системы встраиваемого класса.

Введение

Оптико-информационные системы (ОИС) сегодня являются неотъемлемыми частью повседневной жизни человека. В производственной сфере это охранные системы, системы видеомониторинга протяженных объектов, системы автоматизации производств с видеоканалом в обратной связи, системы телемедицины, многофункциональные системы регистрации, системы реализующие взаимодействие по принципу  machine-to-machine;  в быту – видеосерверы, компьютеры, смартфоны, Web-камеры, Motion-камеры и другие устройства с доступом к сети Интернет.

При создании мобильных ОИС, особенно малогабаритных, решается большой комплекс взаимосвязанных задач, таких как выбор схемы оптической системы [1], определение интерфейсов обмена данными и  выбор способа подключения к каналам коммуникаций [2,3], выбор источников бесперебойного питания [4], оптимизация системы для специальных (экстремальных) условий эксплуатации [5], обеспечение защищенности и помехоустойчивости в канале передачи данных [6 - 8].

Сегодня одной из передовых технологий беспроводной передачи данных, применимых в мобильных ОИС для подключения к коммуникациям является технология Wi-Fi (Wireless Fidelity), основанная на стандарте IEEE802.11 и его модификациях. Эволюция развития комплектующих для создания устройств с этим интерфейсом прошла такой же долгий путь, как и сам стандарт. Первые полупроводниковые интегральные схемы (точнее наборы – chip sets) реализовывались на платах с ISA и PCI интерфейсом и были непригодны для использования вне стационарных компьютеров. Совершенствование технологии сделало ее доступной для портативных компьютерах, затем – для планшетных и т.д. Сегодня можно говорить о применимости интерфейса Wi-Fi для портативных и даже сверхмалогабаритных устройств. Действительно, Wi-Fi устройство теперь может являться не только сетевым, но – в привычном смысле для подобных интерфейсов – периферийным.

Реализация интерфейса Wi-Fi в малогабаритном устройстве, особенно небольшой серийности, определяет необходимость тщательного выбора соответствующих комплектующих на актуальном рынке полупроводников. Этот рынок очень динамичен и поэтому каждый раз для принятия решения необходимо произвести срез предоставляемых решений.

Настоящая работа посвящена обзору интегрированных решений, выполненных в виде модулей, монтируемых на печатную плату и предоставляющих основному вычислителю Wi-Fi интерфейс, с акцентом на эксплуатацию таких модулей в составе портативных ОИС (далее «Wi-Fi модули»).

Классификация и характеристики Wi-Fi модулей

Определяющими параметрами для мобильных систем являются размер создаваемого устройства, обеспечение энергопитанием [4] и специфика условий эксплуатации. В рамках настоящей работы проведём классификацию Wi-Fi модулей исходя из области применения ОИС.

Специализированные системы видеонаблюдения и видеорегистрации – применяются в  промышленности, охранной деятельности, в обеспечении безопасности объектов и общества, в том числе специальными службами. К таким системам предъявляются повышенные требования к надежности функционирования, дальности связи, мощности сигнала и энергосбережению.

Товары массового потребления как, например, смартфоны, ноутбуки, «видеоняни», видеокамеры, фотоаппараты и прочие общедоступные устройства. Для них основными характеристиками являются универсальность и производительность, а для модулей  Wi-Fi в их составе – поддержка множества модификаций стандарта IEEE802.11.

Каждая из приведенных групп систем может быть дополнительно разделена на системы с малогабаритными устройствами и с устройствами без критических требований к размерам. Для малогабаритных систем ключевыми являются не столько габариты самого Wi-Fi модуля, сколько вопросы соотношения качества радиообмена и энергопотребления, как следствие необходимости обеспечения функционирования ОИС от миниатюрного источника питания в течение заданного времени. Ультранизкое энергопотребление Wi-Fi модулей для малогабаритных систем сказывается на мощности сигнала, скорости передачи данных и ограничивает использование ряда технологий. Поэтому такие системы требуют тщательного подбора модуля с оптимальными параметрами.

Прежде чем выбрать встраиваемый WiFi модуль для мобильной ОИС, необходимо определить важные в рамках настоящей работы параметры, функции и технологии. Самый очевидный для анализа параметр – максимальная скорость передачи данных. С точки зрения развития беспроводной технологии Wi-Fi существенный прогресс был достигнут с введением в стандарте 802.11n технологии MIMO, которая подразумевает использование более чем одной антенны на передающей стороне и нескольких антенн на приёмной стороне. Это в итоге позволяет значительно повысить пропускную способность и/или помехоустойчивость системы связи по сравнению с традиционной системой с одной передающей и одной приемной антеннами (SISO) [9]. Использование множественных каналов приема-передачи увеличивает и потребляемую мощность, и это в свою очередь, ограничивает возможность применения технологии в мобильных системах. Стандартом 802.11n предусмотрен режим энергосбережения, но он не является обязательным и заключается в переключении в режим работы системы с одной антенной.

Модули  Wi-Fi позволяют реализовать их работу в режиме «точка доступа» («Access Point» – AP) – клиенты подключаются к устройству как абоненты развёрнутой беспроводной сети. Фактически формируется локальная беспроводная сеть на базе устройства, позволяющая надёжно и безопасно передавать данные напрямую от источника к приемнику. При этом необходимо учитывать, что в режиме AP полоса пропускания делится между подключёнными клиентами, вследствие чего (а также вследствие лимитированных возможностей вычислителя Wi-Fi модуля) их количество необходимо ограничивать. В целом, разумеется, это ведёт к увеличению энергопотребления, необходимого для обслуживания большого количества абонентов. С увеличением числа абонентов из-за падения скорости передачи данных возрастает и время работы в наиболее энергозатратном активном режиме.

Обзор доступных на рынке модулей Wi-Fi

В настоящее время наиболее существенные толчки развитию Wi-Fi технологии дало не столько удобство применения данного интерфейса, сколько существенное улучшение значения ряда их параметров – массы и габаритов, потребляемой мощности, стоимости. Современные Wi-Fi модули позволяют оснастить разрабатываемое устройство различными модификациями стандарта IEEE802.11 и порой рядом сопутствующих характеристик, без увеличения себестоимости аппаратной части. При этом следует упомянуть, что реализация радиочастотного интерфейса с использованием некоторого набора интегральных схем и пассивных комплектующих вместо использования интегрированных решений в виде Wi-Fi модулей является гораздо более дорогостоящим подходом с точки зрения разработки и поэтому целесообразен при производстве миллионных партий электронной аппаратуры.

В данном разделе выполнен обзор присутствующих в настоящее время на рынке Wi-Fi модулей, пригодных для создания малогабаритных ОИС, проведён сопоставительный анализ и приведены некоторые практические данные реального применения Wi-Fi модулей в системах встраиваемого класса.

Основными параметрами модульных решений Wi-Fi, рассматриваемых в настоящей статье, являются следующие:

• доступность на рынке для широкого круга разработчиков;
• производительность;
• разнообразие интерфейсов со стороны процессора;
• разнообразие поддерживаемых модификаций стандарта IEEE802.11;
• максимальная скорость информационного обмена;
• возможность функционирования Wi-Fi модуля в режиме точки доступа.

Отбор модулей WiFi для сравнительного анализа осуществлен по следующему принципу:

• дата выхода на рынок (конец 2016 г. – начало 2017 г.);
• доступность технической документации;
• средняя стоимость модуля на мировом рынке.

В обзоре не рассматриваются продукты крупнейших корпораций, таких как Intel, Motorola, Samsung и др. по следующим причинам:

• рыночная политика, нацелена только на массовых производителей;
• рыночная политика, нацелена только на выпуск и поддержку собственного оборудования;
• завышенная стоимость модулей Wi-Fi за счет эксплуатации всемирно известного бренда.

Рынок электронных комплектующих развивается стремительными темпами. Это касается не только регулярного выхода новых линеек устройств, но и ребрендинга, а также поглощения одних компаний другими. В связи с этим представленная информация может быть относительно неполной для проводимого в рамках настоящего обзора, кроме этого возникают разночтения между данными с сайта производителя и файлами технической спецификации. Источником информации о стоимости является сайт одного из крупнейших каталожных дистрибьюторов полупроводников и электронных комплектующих «Mouser Electronics».

Заключение

Представленный в настоящей работе материал может быть использован для предварительного выбора Wi-Fi модулей при разработке ОИС различного назначения, а также иных устройств встраиваемого класса, требующих обеспечения беспроводным интерфейсом. Обзор не претендует на полный охват, в основу легли наиболее хорошо представленные на рынке модули, доступные российскому разработчику. Обновляющиеся линейки продукции и список производителей постоянно вносят коррективы, но общие принципы выбора модулей для различных по назначению и исполнению ОИС и других встраиваемых систем сохраняются.

В ходе рассмотрения Wi-Fi модулей было выявлено, что большинство из них с низкой средней стоимостью обладают низкой пропускной способностью или особенностью – при использовании технологии MIMO пропускная способность существенно снижается (от 1 до 10 Мб/с при подключении более двух абонентов). Для примера можно обратить внимание на характеристики модуля WizFi220, ценовой диапазон остальных лежит в пределах от 30 до 185 $ за штуку. При этом необходимо учитывать, что цена зависит не только от стандартных, но и дополнительных характеристик, влияние оказывает расширенный функционал той или иной модели.

 Максимальная скорость передачи в основном колеблется в диапазоне от 54 до 100 Мб/с. Интерес представляют модели 11 и 12, которые повышают пропускную способность до 433 Мб/с, используя протокол IEEE 802.11ас. В модуле WIFI-RT3593-DB-R10 используются три антенны для увеличения скорости до 450 Мб/с. Выделяется и модуль EWM-W150H, заявленная скорость обмена для которого составляет 150 Мб/с. Результаты, полученные в ходе практического применения модулей в ОИС, показывают, что реальная скорость передачи в среднем на 10-20% ниже, чем заявленная производителем. Следует понимать, что производитель указывает лишь достижимую потоковую скорость передачи информации.

Обращают внимание на себя модули, имеющие более одного интерфейса (все, кроме моделей под номерами в таблице 10, 14 и 15), при разработке это обеспечивает очевидную гибкость при выборе микропроцессорной платформы для реализации ОИС. Кроме этого, они поддерживают три или более модификаций стандарта IEEE802.11, позволяя использовать ОИС в большинстве современных сетей WiFi.

Часть модулей не поддерживает режим точки доступа или он представлен в виде программной реализации «SoftAP». Полноценный режим «AP» заявлен в модулях 1, 8, 9, 10 с одновременной поддержкой до десяти клиентов.

В целом при выборе конкретного модуля Wi-Fi для обеспечения разрабатываемой ОИС беспроводным интерфейсом необходимо искать обоснованный баланс между достижимой скоростью информационного обмена, предоставляемым функционалом и энергопотреблением, а также стоимостью данного комплектующего при выпуске партии целевого объёма. Необходимо учитывать, что применение технологий, улучшающих характеристики радиообмена за счет использования более чем одной антенны, напрямую влияет на массово-габаритные характеристики проектируемого устройства.

Публикация: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=34909613