802.11x 모듈, 개발 키트로 IoT 무선 설계 단순화

IoT(사물 인터넷) 제품의 설계자는 널리 배포되고 잘 알려진 Wi-Fi 기반 무선 연결을 사용합니다. 그러나 RF는 어떤 종류이든 복잡하며 규정 준수 테스트가 필요합니다. 적절한 전문 지식이 없는 경우, 특히 설계자가 RF 섹션을 처음부터 설계하도록 선택한 경우 개발 속도가 저하될 수 있습니다.

설계 프로세스를 가속화하는 한 가지 방법은 사용 여러 사전 인증된 모듈 중 하나를 선택하는 것입니다. 이 기사에서는 무선 응용 분야에서 Wi-Fi의 장점을 설명한 다음 모듈 및 관련 설계 도구를 사용하여 제품을 설계하는 방법을 설명합니다.

왜 Wi-Fi인가?

Wi-Fi는 2.4GHz 산업, 과학 및 의료(ISM)용 무면허 스펙트럼 할당의 장점을 활용하는 무선 통신을 위한 여러 근거리 RF 기술 중 하나입니다. 이 기술은 IEEE 802.11 사양을 기준으로 하며 처리량과 디지털 인코딩 방법이 서로 다른 여러 변형이 존재합니다.

Bluetooth 저에너지(Bluetooth LE) 및 zigbee와 같은 기술과 비교하면 상대적으로 전력 소비량과 비용이 많이 들고 프로세서 리소스 사용량도 많습니다. 하지만 속도가 매우 빠릅니다. 원시 데이터 전송 속도가 11Mbits/s인 802.11b 버전부터 600Mbits/s에 이르는 n 변형에 이르기까지 다른 공개 표준 2.4GHz 기술보다 월등한 속도를 자랑합니다. DigiKey 기사 '저전력 무선 기술 비교'를 참조하세요.

Wi-Fi의 종류

Wi-Fi 변형의 공통된 점은 모든 Wi-Fi 작동 사양이 Wi-Fi 브랜드 및 사양의 관리 단체인 Wi-Fi 협회에서 지정된다는 것입니다. 이 협회에서는 Wi-Fi LAN에서 사용되는 데이터 구조, 암호화 기술, 주파수, 패킷 구성 및 하위 프로토콜을 결정합니다.

중요한 것은 Wi-Fi는 5GHz 스펙트럼 할당의 이점도 활용할 수 있으므로 혼잡한 2.4GHz 대역에서 통신을 제거하고 간섭의 가능성을 줄이고 처리량을 더 늘릴 수 있다는 것입니다. 반면에 범위가 줄고 장애물 침투력이 낮다는 단점이 있습니다. DigiKey 기사 '산업 응용 제품에서 2.4GHz 및 5GHz 무선 LAN 비교'를 참조하세요.

다음과 같은 몇 개의 Wi-Fi 프로토콜이 있습니다. IEEE 802.11b/g는 2.4GHz 대역에서 작동하고, IEEE 802.11a/ac는 5GHz 대역 작동용으로 설계되었으며, IEEE 802.11n 무선 통신은 두 대역 모두에서 작동할 수 있습니다.

IEEE 802.11b는 1999년에 채택되었으며 5.5Mbits/s 및 11Mbits/s의 데이터 전송률을 제공합니다. 지금은 대부분 레거시 시스템에서만 사용됩니다. 그러나 최신 시스템이 레거시 시스템과 작동할 수 있도록 하기 위해 현재 n 무선 통신에도 b가 지원됩니다.

IEEE 802.11g는 2003년에 채택되었으며 원래 프로토콜과는 다른 변조 기술을 사용하여 최대 54Mbits/s의 데이터 전송률을 달성합니다. 실제 응용 제품에서는 순방향 오류 정정 알고리즘 때문에 가용 데이터 전송률이 절반이 되기도 합니다. g는 b와 하위 호환성을 가집니다.

IEEE 802.11n은 2009년에 채택되었으며 여러 개의 동시 '공간 스트림'의 인코딩을 위한 다중 입력, 다중 출력(MIMO) 안테나 기술을 도입함에 따라 데이터 전송률이 216Mbits/s로 높아졌습니다(20MHz 채널 폭과 세 개의 공간 스트림을 사용하는 송신기). 또한 802.11n은 두 개의 20MHz 채널을 결합하여 구성되는 더 넓은 40MHz 채널을 지정하며 이에 따라 처리량이 450Mbits/s로 높아집니다. 세 개의 공간 스트림을 지원하는 장치는 하이엔드 휴대용 컴퓨터, 태블릿 및 액세스 포인트(AP)로 제한됩니다. 두 개의 공간 스트림 장치는 더 다양하지만, 아직 휴대용 컴퓨터, 태블릿 및 최신 스마트폰으로 제한됩니다.

IEEE 802.11a는 5GHz 대역에서 작동한다는 점을 제외하면 대부분의 측면이 g와 동일합니다. 최대 데이터 전송률도 동일하게 54Mbits/s입니다. 오늘날 802.11a는 레거시 프로토콜로 간주되는 경우가 많습니다.

IEEE 802.11ac는 2013년에 채택되었으며 8개의 공간 스트림과 최대 160MHz의 채널 폭을 제공하므로 처리량이 더욱 증가되었습니다. 상용 제품이 이제 시장에 나오기 시작하고 있고, 아직 고가이며, 현재로서는 하이엔드 소비자 가전제품에만 채용될 가능성이 높아 보이는 기술입니다.

2.4GHz 대역 할당은 11(미국), 13(전 세계 대부분의 나머지 지역) 및 14(일본) 20MHz 채널 간에 허용됩니다. 83MHz의 대역폭은 겹치지 않는 세 개의 Wi-Fi 채널(1, 6 및 11)만 수용합니다(그림 1).

그림 1: 2.4GHz ISM 대역에서 Wi-Fi 채널 할당은 겹치지 않는 3개의 20MHz 채널(1, 6 및 11)을 허용합니다. (이미지 출처: Cisco)

11개 ~ 14개 채널을 사용하는 인접 WLAN으로 인한 충돌을 피하고자 제조업체는 일반적으로 겹치지 않는 채널에서 통신하도록 장비를 설계합니다. 예를 들어, 채널 1에서 과도한 간섭이 발생하는 Wi-Fi 무선 통신은 간섭이 없는 환경을 찾기 위해 채널 6 또는 11로 전환할 수 있습니다.

스펙트럼 공유를 지원하기 위해 Wi-Fi에는 동일 채널을 사용하는 액세스 포인트(AP) 간에 균일하게 대역폭을 분배하는 경합 메커니즘이 포함됩니다. 혼잡 채널에서 작동하는 AP의 경우 송출 시간제한이 발생하므로 데이터를 보내거나 받을 수 있는 시점에 영향이 미칩니다.

IoT용 Wi-Fi

IEEE 802.11 사양에 기반한 Wi-Fi는 통신 프로토콜의 물리적(PHY) 및 데이터 링크 계층만 정의합니다. 데이터 링크 계층은 미디어 액세스 제어(MAC) 및 논리적 링크 제어(LLC)로 구성됩니다. 그러나 Wi-Fi 의 PHY 및 데이터 링크 계층은 일반적으로 TCP/IP 프로토콜 스택에 통합됩니다. 이 프로토콜 스택은 인터넷 상호 운용성을 보장하며 일반적으로(항상은 아니지만) Wi-Fi 연결 솔루션 제조업체가 제공하는 소프트웨어입니다. 이 기사의 나머지 부분에서는 TCP/IP 스택이 포함된 Wi-Fi 솔루션을 설명합니다(그림 2).

그림 2: Wi-Fi는 스택의 물리적 및 데이터 링크 계층을 정의합니다. 일반적으로 제조업체는 이러한 계층을 인터넷 상호 운용성을 제공하는 전체 TCP/IP 스택과 통합하는 펌웨어를 제공합니다. (이미지 출처: International Centre for Theoretical Physics)

Wi-Fi는 스마트폰, 휴대용 컴퓨터 및 PC를 인터넷에 연결하는 핵심 기술로 자리 잡아왔지만 이제는 IoT의 기초 기술로 다양화되고 있습니다.

인터넷 상호 운용성 및 처리량이 전력 소비보다 중요한 경우, Wi-Fi IoT 장치는 무선 센서에서 인터넷으로 정보를 직접 전달할 때의 문제에 대한 효과적인 솔루션을 제공합니다. Wi-Fi IoT 센서는 6LoWPAN(IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks)과 같은 추가적인 네트워크 계층의 복잡성 없이 인터넷에 직접 연결합니다.

Wi-Fi는 다중 프로토콜 Bluetooth LE/zigbee/Wi-Fi SoC(시스템온칩) 기반 장치가 여러 저전력 무선 센서에서 데이터를 수집하고 이 정보를 클라우드에 전달하는 비용 효율적인 '게이트웨이'에 대한 훌륭한 옵션입니다.

소비 전력이 낮은 Wi-Fi 형태가 새롭게 등장하고 있다는 사실에도 주목해야 합니다. IEEE 802.11ah에 기반하고 'HaLow'라고 불리는 이 기술은 다른 저전력 무선 기술에 사용되는 매우 낮은 듀티 사이클을 사용하여 전력 소비가 최소화됩니다. 이 기술의 전력 소비량은 일반 Wi-Fi 칩의 약 1퍼센트에 불과합니다. HaLow는 900MHz ISM 대역에서 작동하므로 오늘날 Wi-Fi와 비교하여 그 범위가 거의 두 배 더 넓습니다. 반면 처리량이 다소 낮은데, Bluetooth LE의 최대 원시 데이터 전송 속도인 2Mbits/s에 상당합니다.

Wi-Fi 기반 설계 가속화

Wi-Fi IoT 솔루션을 처음부터 설계하면 비용이 줄고 무선 제품의 성능을 완전히 최적화할 기회가 생깁니다. 하지만 설계자는 기가헤르츠 주파수에서 RF 하드웨어에 대한 전문 기술을 갖춰야 하고 TCP/IP 프로토콜에 익숙해야 하며, 규정 준수 인증을 위한 표준 사양의 테스트 및 검증에 꽤 많은 시간이 소요됩니다.

개발 프로세스를 가속화하기 위해 기초로 사용할 수 있는 참조 설계를 제공하는 반도체 제조업체로부터 어느 정도 도움을 받을 수는 있습니다. 하지만 이러한 회로도는 시작점일 뿐입니다. 마그네틱, 기판, 트랙 및 회로 임피던스가 조금만 변경되더라도 성능에 큰 영향을 미치며 이를 원활하게 해결하려면 수 차례의 설계 반복이 필요한 경우가 많습니다.

만족스러운 설계를 위한 더 빠른 방법은 조립, 테스트, 검증이 완료되고 인증을 받은 모듈을 선택하는 것입니다. 이러한 제품은 신속하게 Wi-Fi IoT 솔루션에 통합할 수 있어서 시장 진출 속도가 빨라집니다.

모든 파생 제품의 IoT 응용 분야 IEEE 802.11 모듈과 관련 개발 도구를 여러 반도체 제조업체가 제공하고 있습니다. 기본적인 모듈에는 일반적으로 WLAN 기저대역 프로세서 및 RF 트랜시버 지원, 전력 증폭기(PA), 클럭, RF 스위치, 필터, 패시브 및 전력 관리가 통합됩니다.

Wi-Fi 기반 TCP/IP 스택은 관리가 복잡한 펌웨어이기 때문에, Linux 또는 Android와 같은 고수준 운영 체제(OS)를 지원할 수 있는 마이크로 프로세서의 리소스가 필요합니다. Wi-Fi 스택을 관리하는 OS의 공통 드라이버는 하드웨어 공급 업체에서 제공하는 반면, WinCE 및 여러 실시간 OS에 필요한 추가 드라이버는 타사를 통해 지원됩니다.

경우에 따라 설계자가 적절한 마이크로 프로세서와 패시브를 선택하여 일치하는 회로 및 2.4 및/또는 5GHz 안테나를 선택해야 합니다. 하지만 내장형 프로세서를 포함하는 모듈 솔루션도 있지만 모든 것이 포함된 솔루션도 있습니다.

모든 환경을 위한 Wi-Fi 모듈

판매 시점 관리(POS) 터미널, 원격 보안 카메라 및 의료용 센서와 같은 IoT 응용 분야를 위해 설계된 비용 효율적인 Wi-Fi 모듈의 좋은 예로 Silicon Labs의 Bluegiga 브랜드 WF111을 들 수 있습니다. 이 장치는 Wi-Fi b, g 또는 n을 통해 인터넷 연결을 제공합니다. 이 제품은 2.4GHz 작동만 제공하며 최대 데이터 전송률은 72Mbits/s, 링크 사용 예측은 114dBm(17dBm 송신기 전력 출력 및 -97dBm 수신기 감도)입니다. 전압 공급은 1.7V ~ 3.6V이며 Tx 피크 전류는 192mA이고 Rx 피크 전류는 88mA입니다.

WF111는 내장 안테나(또는 외부 안테나용 커넥터)가 포함되어 있으며 외부 호스트 마이크로 프로세서로 작동하도록 설계되었습니다. 이 장치는 1비트 또는 4비트 모드에서 작동하는 보안 디지털 입출력(SDIO) 인터페이스를 사용하여 호스트 마이크로 프로세서로 제어됩니다. 호스트 마이크로 프로세서는 SDIO 인터페이스를 통해 IEEE 802.11 기능에 직접 액세스합니다.

반도체 벤더는 WF111이 Bluetooth LE 센서와 근접하여 사용될 것으로 예상하기 때문에 무선 동시 존재를 관리하기 위해 최대 6개의 하드웨어 제어 라인이 포함되어 있습니다. 제어 라인은 일반적으로 Wi-Fi와 Bluetooth LE 장치가 근접해 있을 때 발생하는 동시 패킷 전송을 피하여 Wi-Fi와 Bluetooth 장치가 작동하도록 합니다. 이러한 전송은 일반적으로 링크 성능을 저하시킵니다(그림 3).

그림 3: Silicon Labs의 WF111에는 Wi-Fi와 Bluetooth 장치가 공존 향상을 위해 통신을 조절하는 6개의 제어 라인이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

Texas Instruments(TI)의 WL1801은 IEEE 802.11 a/b/g/n과 Bluetooth/Bluetooth LE 트랜시버를 같은 장치에 통합하여 Bluetooth와의 긴밀한 파트너십을 더욱 발전시킵니다. 이러한 모듈은 Wi-Fi 및 Bluetooth 프로토콜과의 상호 운용성을 내장하고 있기 때문에 전술한 IoT 게이트웨이 장치를 위한 이상적인 솔루션입니다.

이 장치는 2.4GHz 및 5GHz Wi-Fi 작동을 모두 제공하며, 최대 데이터 전송률은 54Mbits/s, 링크 사용 예측은 115dBm(18.5dBm 송신기 전력 출력 및 -96.5dBm 수신기 감도)입니다. 작동 전압은 2.9V ~ 4.8V, Tx 피크 전류는 420mA, Rx 피크 전류는 85mA입니다. 이 모듈은 FCC, IC, ETSI 및 Telec 인증을 받았습니다.

WL1801은 Wi-Fi 및 Bluetooth 스택과 함께 제공되지만, 완전한 솔루션을 구성할 수 있으려면 적절한 마이크로 프로세서, 32kHz 수정, 안테나와 결합되어야 합니다. TI는 Sitara 제품군의 마이크로 프로세서를 추천합니다. Linux, Android 또는 리얼타임 OS와 Wi-Fi 드라이버 및 Bluetooth LE 스택을 지원할 수 있는 ARM^® Cortex^®-A8 코어 장치인 AM3351을 예로 들 수 있습니다. 마이크로 프로세서는 SDIO 인터페이스를 통해 Wi-Fi를 구동하고 UART를 통해 Bluetooth를 구동합니다(그림 4).

그림 4: TI의 WL1801의 경우 설계자가 마이크로 프로세서를 선택할 수 있지만 , ARM Cortex A8 기반 Sitara와 같은 칩이 권장됩니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

Murata의LBEE5ZZ1MD 모듈은 프로세서를 포함하고 Wi-Fi 펌웨어 스택을 사전 로드하여 통합을 더욱 발전시킵니다. 이 경우 프로세서를 무선 통신에 일치시켜 문제가 간소화되지만, 개발자가 모듈 제조사의 프로세서 하드웨어 선택에 종속되어 개발 환경에 익숙하지 않을 수 있다는 단점이 있습니다.

Murata 모듈은 Wi-Fi b, g 또는 n을 통해 인터넷 연결을 제공합니다. 이 장치는 2.4GHz 작동만 제공하며 최대 데이터 전송률은 65Mbits/s, 링크 사용 예측은 100dBm(2dBm 송신기 전력 출력 및 -98dBm 수신기 감도)입니다. 작동 전압은 3.3V, Tx 피크 전류는 300mA, Rx 피크 전류는 45mA입니다.

이 모듈은 Wi-Fi MAC/기저대역/무선 통신을 STMicroelectronics의 STM32F412 ARM Cortex-M4 기반 마이크로 프로세서와 결합합니다. 모듈에는 온보드 수정, 정합 회로 및 2.4GHz 안테나가 포함되어 있습니다. 주변 소자 32.786kHz 수정 추가할 수 있습니다. STM32F412 프로세서에는 UART, SPI, I²C 및 기타 인터페이스가 포함됩니다(그림 5).

그림 5: Murata의 LBEE5ZZ1MD Wi-Fi 모듈은 ARM Cortex M4 기반 마이크로 프로세서를 수정, 정합 회로 및 안테나와 통합합니다. (이미지 출처: Murata)

이 모듈에는 Electric Imp 클라우드 서비스에 연결하기 위한 Electric Imp OS 및 TCP/IP 스택이 함께 제공됩니다. 이는 타사 클라우드 서비스 공급자와 데이터 업로드 및 액세스에 익숙하지 않은 설계자에게 유용합니다. 개발 지침은 Electric Imp 개발 센터 웹 사이트에서 제공됩니다.

u-blox의 NINA W132는 설계자가 모듈식 솔루션을 얼마나 폭넓게 활용할 수 있는지를 보여주는 예입니다. 이 장치는 Wi-Fi 및 Bluetooth LE 기능, 호스트 프로세서, 전력 관리, 별도의 16Mbits 플래시 메모리 및 40MHz 수정을 통합합니다.

Wi-Fi 802.11b, g 또는 n을 통해 인터넷에 연결됩니다. 이 장치는 2.4GHz 작동만 제공하며 최대 데이터 전송률은 54Mbits/s, 링크 사용 예측은 112dBm(16dBm 송신기 전력 출력 및 -96dBm 수신기 감도)입니다. 작동 전압은 3.3V, Tx 피크 전류는 320mA, Rx 피크 전류는 140mA입니다.

장치에는 사전 로드된 응용 소프트웨어가 함께 제공됩니다. 개발자는 구성에 대해 u-blox의 s-center 툴박스 소프트웨어를 사용(AT 명령을 통해) 해야 함을 이해해야 합니다.

NINA-W132 모듈은 802.11i(WPA2) 표준 및 엔터프라이즈 보안을 사용하는 무선 링크 보호의 끝대끝 보호를 제공합니다.

개발 키트 활용

모듈의 경우 하드웨어 관련 작업을 크게 줄여주고 일반적으로 입증된 Wi-Fi(TCP/IP) 소프트웨어 스택(경우에 따라 응용 예제)이 함께 제공되지만 해당 솔루션이 개발자의 대상 응용 제품에 항상 최적화되는 것은 아닙니다. 대개의 경우 이러한 최적화는 모듈 제조사의 개발 키트를 통해 구현할 수 있습니다. 개발 도구는 조립 및 테스트된 개발 기판이 모듈을 하우징한 형태로 제공되기도 합니다.

마이크로 프로세서가 필요한 모듈의 개발 기판은 일반적으로 대상 마이크로 프로세서를 기반으로 하는 개발 플랫폼에 연결할 수 있습니다. 개발 키트는 호스트 프로세서 그리고 Wi-Fi 스택에 대한 API(애플리케이션 프로그래머 인터페이스)를 제공하도록 설계되어 있어 추가적인 애플리케이션 코딩이 용이합니다.

예를 들어, Silicon Labs에서는 위에서 설명한 WF111 모듈을 평가하기 위한 WF111 개발 키트를 제공합니다. 개발 키트는 WF111 모듈이 포함된 조립 및 테스트된 PC 기판으로 구성됩니다. 이는 표준 SDIO 카드 슬롯에 맞는 모양을 갖췄습니다. 장착 후에는 대상 마이크로 프로세서의 평가 도구를 사용하여 실행 및 평가할 수 있습니다. 유용한 추가품으로는 RF 인증을 위해 모듈 디버그 버스에 손쉽게 액세스할 수 있는 헤더가 있습니다.

다른 예로는 TI의 WL1835 개발 기판이 있습니다. 이 기판은 WL1801 모듈, 모든 주변 소자 회로망 및 안테나로 구성된 완전히 조립되어 테스트된 PC 기판입니다. 이 기판은 WL1801 모듈을 구동하기 위한 적절한 Sitara 프로세서가 장착된 Sitara TMDSICE3359 개발 기판에 꽂을 수 있습니다. 이러한 개발 설정을 사용하면 개발자는 작동하는 Wi-Fi 장치의 성능을 자신의 대상 응용 제품에서 테스트할 수 있습니다.

결론

Wi-Fi는 인터넷과의 원활한 상호 운용성을 제공하는 동시에 높은 데이터 전송률을 지원할 수 있기 때문에 IoT 무선 프로토콜 중 고유한 위치를 차지하고 있습니다. 하지만 Wi-Fi는 다른 RF 기술과 마찬가지로 처음부터 설계하기에는 복잡합니다.

많은 설계자, 특히 설계 주기가 짧은 설계자에게는 모듈이 더 나은 선택일 수 있습니다. 모듈은 내장형 마이크로 프로세서가 함께 제공되거나 선호하는 마이크로 프로세서와 결합할 수 있으며 설계 및 인증 프로세스를 크게 간소화시키고 가속화할 수 있습니다.