嵌入式分享合集107

一、Wi-Fi HaLow

Wi-Fi HaLow很快就会出现在我们日常生活中的智慧门锁、安保摄影机、可穿戴设备和无线传感器网络上。什么是Wi-Fi HaLow？与传统的Wi-Fi（4/5/6）有何不同？究竟是什么让Wi-Fi HaLow成为物联网的理想协议？

Wi-Fi就像是在互联世界的氧气，为当今最普遍的无线网络协议，承载了超过一半的因特网流量。「Wi-Fi」是一个通用术语，指的是经过二十多年发展而成的802.11协议家族。Wi-Fi联盟是推动Wi-Fi应用和发展的组织，该组织用数字命名法，简化了常用的几代Wi-Fi名称，例如Wi-Fi 4 = 802.11n、Wi-Fi 5 = 802.11ac、Wi-Fi 6 = 802.11ax。您正在家中或工作场所使用的，很有可能就是这些类型的Wi-Fi。

尽管Wi-Fi 4/5/6无处不在，但物联网（IoT）的快速发展迫使人们重新思考传统的Wi-Fi协议，并揭示了技术上的差异，以及重新定义802.11协议于当今无线连接世界的超低功耗物联网设备上应扮演的角色。由于物联网和机器对机器（Machine-to-Machine, M2M）的应用对远程连接和低功耗性能的要求更高，更需要另一种优化的Wi-Fi技术来满足物联网的需求。

Wi-Fi HaLow协议经由提供超低功耗无线解决方案来满足这些需求。相较于传统Wi-Fi，此解决方案能在更远距离以更低功率来连接大量的物联网设备。该协议于2016年获得IEEE 802.11ah专业工作组的批准，并由Wi-Fi联盟冠名为Wi-Fi HaLow。

Wi-Fi HaLow协议标准具有出色的能源效率、远程连接、低延迟、高清视讯质量的数据速率、安全功能和支持本地IP的独特组合，使其成为无线连接、电池供电物联网设备的理想选择。本文将详细分析Wi-Fi HaLow和传统Wi-Fi的主要区别，以及为何802.11ah协议非常适合且能满足物联网应用的连接要求。

表一 Wi-Fi和Wi-Fi HaLow的差异

Wi-Fi和Wi-Fi HaLow的差异
功能	Wi-Fi 4/5/6 （IEEE 802.11n/ac/ax）	Wi-Fi HaLow （IEEE 802.11ah）
工作频段	2.4 GHz,5 GHz,6 GHz	Sub-1-GHz （美国902-982 MHz）
频道宽度选择	20,40,80,160 MHz	1,2,4,8（16可选）MHz
每个接入点的最大可寻址站数	2007	8191
单流MCS数据速率范围	6.5 Mbps-150 Mbps （802.11n, Wi-Fi 4）	150 Kbps-86.7 Mbps
标准范围	100公尺	一公里以上10X 更长距离100X 更大区域1000X更大空间（相较于20 MHz 802.11n）
链路预算改善（1-MHz频道）	-	15-24 dBm

适用于电池供电的协议

Wi-Fi HaLow为功率敏感的物联网设备提供卓越的能源效率。IEEE 802.11ah规范各种复杂的睡眠模式，使HaLow设备能够长时间保持在非常低的功耗状态，节省电池能量。

目标唤醒时间（Target Wake Time；TWT）：

允许站点（STA）和存取点（access point；AP）预先安排时间唤醒睡眠中的STA，以接听信标。

限制存取窗口（Restricted Access Window；RAW）：

限制存取窗口（Restricted Access Window；RAW）：

延长最大基本服务集（basic service set；BSS）的闲置期：

允许STA闲置期延长至五年。

分层的流量指示图（Traffic Indication Mapping；TIM）

群组对TIM进行更有效的编码，可以节省信标传播时间。

媒体访问控制（Medium Access Control；MAC）标头较短：

可以减少标头消耗、传播时间和功耗，并释出频谱。

无数据物理层（PHY）协议数据单元（Null data PHY protocol data；NPD）：

将类似MAC的ACK/NAK嵌入到PHY层以减少时间和功率。

短信标：

完整信标发送频率较低时，短（有限制性）信标可频繁发送以同步STA。

BSS着色：

当STA可忽略其他颜色时，颜色配置会指定BSS群组给特定的AP。

双向TXOP（BDT）（昔称为速度帧）：

当STA醒来，发现要传输的上行链路和下行链路帧存在时，可减少媒体存取的次数。BDT利用物理层协议数据单元（physical-layer protocol data unit；PPDU）讯号（SIG）字段中的响应指示，增加TXOP保护期间，免于受第三方STA传输的干扰。

该协议的高效睡眠和电源管理模式，可支持物联网设备以电池供电多年，并具有广泛且灵活的电源和电池尺寸选项，应用可从钮扣电池上运行的短距离物联网设备到更高功率、更大电池、超过1公里以上的范围。与2.4和5 GHz频段的Wi-Fi协议相比，该协议的1GHz以下窄频讯号可传送得更远且能耗更低，每单位能量可传输更多位数。

低能耗

Wi-Fi HaLow芯片所需功率远远低于传统Wi-Fi芯片。虽然传统Wi-Fi高数据速率能够使用2.4 GHz、5 GHz和6 GHz 频段的宽带，快速传输高清视讯内容并大量下载档，但这些Wi-Fi连接的有效距离很短，并且会很快耗尽电池，需要经常充电、更换电池或要求理想的主电源连接。有鉴于此，由于这些设备需要到达更远的距离并仰赖电池供电运行多年，同时仍须提供每秒数兆位的数据传输量，对受制于电能的物联网设备而言，Wi-Fi HaLow是更好的选择。

更长覆盖范围

与传统Wi-Fi最窄的20 MHz频道相比，Wi-Fi HaLow的1GHz以下讯号使用1 MHz（含）以上更窄的频道。由于频道中的热噪声较低，这相差20倍的带宽因子可转化为13dB链路预算的改善。与传统的2.4 GHz Wi-Fi相比，频率在750 MHz–950 MHz之间的射频仅额外增加8-9 dB的链路预算，节省自由空间的传播损耗。此外，Wi-Fi HaLow协定添加了范围优化的调制和编码设计（MCS10），可额外提供3dB链路预算的改善。

图一 : 传统的Wi-Fi 4/5/6协议使用更高的频率和更宽的带宽来达到最大吞吐量。Wi-Fi HaLow的1 GHz以下协议优化了穿透率、覆盖范围、功率和容量。

能为终端使用者提供覆盖数百米的无线物联网解决方案，且无需额外的中继设备或昂贵的蜂巢电讯数据规划，此为802.11ah协议的关键竞争优势。凭借其远程覆盖能力，Wi-Fi HaLow的优势扩展了智能家庭和智能城市网络的范围，让用户能够控制1公里以外的物联网设备，远远超出传统Wi-Fi协议的覆盖范围。

图二 : 802.11n/ac（左）和802.11ah（右）的吞吐量与范围。

更好的讯号穿透力

与传统Wi-Fi相比，1GHz以下Wi-Fi HaLow讯号可以更轻松穿过墙壁和其他障碍物。与2.4GHz和5GHz频段中的Wi-Fi协议相比，住宅和商业大楼的建筑材料和平面布局的差异对1GHz以下HaLow讯号的影响较小。传统Wi-Fi产品有时会出现用户遇到问题而致电客服求助，甚至要求退货的困扰，而Wi-Fi HaLow能穿透墙壁和建筑物的卓越覆盖范围，有助于减少此类问题。

无论产品使用时位于室内还是室外，或者位于家中的地下室还是阁楼，设备制造商都可以确保与存取点（AP）建立可靠的HaLow连接。

可大幅扩展的解决方案

一个Wi-Fi HaLow AP的设备寻址能力最多可达到8,191台，是传统Wi-Fi AP设备数量的4倍之多。在可预见的未来，这足以连接每个LED灯泡、电灯开关、智慧门锁、电动窗帘、恒温器、烟雾探测器、太阳能电池板、安保摄影机或任何可想象的智慧家庭设备。典型的家用Wi-Fi路由器一般可支持数十台设备。

当宽带服务厂商在家中部署一组Wi-Fi HaLow AP时，即可成为一个可扩展的平台，额外提供安全装置及管理水电设备和服务。 whaosoft aiot http://143ai.com

具备抗噪能力的免许可频谱

与2.4GHz、5GHz和6GHz频段的传统Wi-Fi一样，Wi-Fi HaLow 终端使用者能够拥有自己的设备并使用从750MHz到950MHz的免许可1GHz以下无线电频谱。

在ISM频段内运行的Wi-Fi HaLow可以使用多种带宽的通道：1MHz、2MHz、4MHz、8MHz和16MHz。带宽越窄，讯号可以传播的越远。数据以数据包形式使用OFDM传输跨越多个亚通道时，可在深具挑战性的RF环境中提高性能，尤其是受到其他无线电设备的强烈干扰时。前向纠错（Forward error correction；FEC）编码还为数据包的复原提供额外的保护，确保连接的稳健性。

安全且具备互操作性

Wi-Fi HaLow与其他IEEE 802.11 Wi-Fi版本一样，是一种原生的无线安全协议，支持最新的Wi-Fi身份验证要求（WPA3）和空中无线（over-the-air；OTA）传输的AES加密，其数据速率可实现安全的OTA韧体升级。
与其他类型的Wi-Fi一样，HaLow是全球公认的标准（IEEE 802.11ah），定义连接设备如何执行身份验证和通讯安全。使用Wi-Fi HaLow的设备厂商可以确保他们的产品和网络能够遵照Wi-Fi联盟的发展指南进行互操作。由于它是 IEEE 802.11标准的一部分，Wi-Fi HaLow网络还可以与Wi-Fi 4、Wi-Fi 5和Wi-Fi 6网络共存，不会影响他们的射频性能。

利用IP实现本地化

所有物联网网络都需要因特网协议（Internet protocol；IP）支持来执行云端连接。因为Wi-Fi HaLow是802.11 Wi-Fi标准，所以可提供本地TCP/IP支持。这种内置的IP功能意味着物联网连接不再需要专有网关或网桥。所有连接支持Wi-Fi HaLow路由器的客户端设备，都可以使用IPv4/IPv6传输协议直接存取因特网，以实现基于云端的物联网数据服务和管理。

延伸覆盖范围，扩大物联网的可能性

传统Wi-Fi的网络拥堵、范围限制和较高的功耗，以及可连接到单个AP的设备数量有限，在当今物联网设备的世界中已不再可行。这些限制阻碍了各行业内以物联网为中心的新商业模式，这些模式需要更远的距离、更大的容量、更灵活的电池和电源选项，同时最大限度地降低部署成本。

作为一种远程协议，Wi-Fi HaLow支持那些2.4GHz和5GHz Wi-Fi无法达到的室内外物联网应用，例如远程安保摄影机、门禁网络甚至无人机。其他潜在使用案例包括大型公共场所，如体育场馆、购物中心和会议中心，在这些场所，单个Wi-Fi HaLow存取点可以替代大量的存取点，无需复杂的网状网络，简化了安装，降低了总体拥有成本。

工业物联网、过程控制传感器、楼宇自动化、仓库和零售店等众多应用，也将受益于这种远程、低功耗协议，让无数设备能够在日益自动化的世界中保持连接。事实上，Wi-Fi-HaLow 在传统的802.11协议中因其覆盖范围、能效、容量和多功能性而胜出。

二、CAN FD协议及其与CAN2.0的异同

1. CANFD的来历

我们知道了， CAN2.0数据段只有8byte，最高速率为 1Mbit/s，通常使用的是 500k，随着功能的逐渐增多，各 ECU 之间的信息交互也越多，导致总线负载持续走高；CAN 报文中只有约 40~50%的带宽用于实际数据传输；响应机制受车内布线的物理特性限制，例如 CAN 控制器中的 ACK 生成延迟；收发器传播延迟；导线延迟等，然而随着汽车功能越来越多，CAN总线的局限性也逐渐暴露：

为了解决上诉CAN总线的局限性，对其进行升级时必不可少的，从而有了CAN FD，其全称为CAN with Flexible Data rate。2011年，开始CAN FD协议的开发，2015年ISO11898-1进行了修订，将CAN FD加入其中。

CAN与CAN-FD性能对比：

2. CANFD与CAN的协议异同

在完全理解了CAN协议后，我们只需要对比CANFD与其的不同就可以比较简单的熟悉CANFD协议，那相对于CAN，CAN FD有什么不同呢？

1）传输速率不同。

CAN FD的速率可变，从控制场中的BRS位到ACK场之前（含CRC分界符）为可变速率，最高速率可达到8Mbps(下图的蓝色部分)。其他部分与CAN相同。

（2）数据长度不同。

CAN FD支持的最大数据长度为64byte。

（3）帧格式不同。

CanFD新增了FDF、BRS、ESI位：

FDF：表示 CAN 报文还是 CAN-FD 报文；BRS：表示位速率转换，该位隐性时，速率可变（即 BSR 到 CRC 使用转换速率传输），该位为显性时，以正常的 CAN-FD 总线速率传输（恒定速率）；ESI:表示发送节点状态。

（4）ID长度不同。

CAN FD标准帧ID长度可扩展至12bit，CAN的标准帧ID为11bit。

3. CANFD帧结构解析

CAN FD节点可以正常收发CAN报文，但CAN节点不能正确收发CAN FD报文，因为其帧格式不一致。

CAN FD的帧结构是什么呢？

与CAN一样，CAN FD一共具有，帧起始SOF，仲裁段，控制段，数据域，CRC域，ACK域，帧结束，共七个部分组成。
3.1 帧起始

CAN与CANFD使用相同的SOF标志位来标志报文的起始。帧起始由1个显性位构成，标志着报文的开始，并在总线上起着同步作用。

3.2.仲裁域

与CAN不同，CAN FD取消了对远程帧的支持，用RRS位替换了RTR位，为常显性。IDE用于区分标准帧和扩展帧。

3.3 控制域

CANFD与CAN有着相同的IDE，res，DLC位。同时增加了FDF、BRS、ESI三个bit位。FDF为隐性时，表示为CAN FD报文；

BRS为为速率转换开发，当其隐性时，速率可变，当其显性时，以正常的CAN-FD总线速率传输（恒定速率);

ESI用于表示错误状态，主动错误发送显性位，被动错误发送隐性位。

3.4 数据域

CAN FD兼容CAN的数据格式，同时最大还能支持12, 16, 20, 24, 32, 48, 64byte。

3.5 CRC

CAN FD对CRC算法进行了改进，CRC对填充位也加入了计算。在校验和部分为避免有连续位超过6个，就确定在第一位以及以后每4位添加一个填充位加以分割，这个填充位的值是上一位的反码，作为格式检查，如果填充位不是上一位的反码，就作出错处理。CAN FD的CRC场扩展到了21位。

3.6 ACK

ACK紧跟着CRC结束标识位。不同的是，CAN FD支持2bits的ACK的识别。

3.7 帧结尾

与CAN一样，CAN FD的帧结尾也为连续7位的隐性位。

三、弱电控制强电：继电器的使用方法

继电器的基本含义；
继电器的基本参数；
继电器如何驱动；
继电器如何实现节能；
固态继电器的基本知识；

讨论继电器的基本知识、使用方法和典型应用电路。

1.继电器的基本含义

继电器是常用的开关型电控器件，根据工作原理、结构和功能的不同，可以分为电磁继电器、固态继电器、时间继电器、温度继电器、光继电器等。本文中主要介绍电磁继电器。

电磁继电器主要由线圈、衔铁和触点构成，其中线圈是继电器的输入部分，触点是继电器的输出部分，当线圈有合适的电流流过时，根据电磁效应，会产生磁场吸附衔铁，从而使触点动作。电磁继电器经常用于控制回路中，实现小电流控制大电流的目的。电磁继电器的内部结构如图1所示。.

继电器的结构组成

2.继电器的基本参数

在继电器选型时，需要了解其基本的参数，这些参数包括：线圈电压、触点容量、触点接触电阻，释放电压等。

线圈电压就是继电器正常工作时加在线圈两端的电压，在购买继电器时，被经常问道：你要几伏的继电器，这里就是指继电器的线圈电压。

触点容量是指继电器带负载的能力，如2A/30VDC，20A/220VAC；

释放电压，是指随着线圈两端的电压下降，触点复位时所对应的电压。

电器实物图

继电器的触点，一般有常开、常闭、常开/常闭组合类型。

3.继电器如何驱动

学过单片机的朋友都知道，在单片机开发板上继电器基本是标配，通过控制继电器来学习单片机的IO口如何配置为输出。对于小功率的继电器，可以通过三极管来驱动，使用NPN三极管和PNP三极管驱动继电器的电路图如下。

NPN三极管驱动继电器

用NPN三极管驱动继电器的时候需要将继电器接在三极管的集电极上，并在线圈上并联一个反向二极管，典型原理图如图3所示。

NPN三极管驱动继电器

上图中，基极上的电阻为限流电阻，防止基极电流过大将三极管烧坏；基极和发射极之间的电阻叫做下拉电阻，单片机的IO口在初始化的时候，电平可能是不确定的状态，下拉电阻将基极下拉到低电平使三极管截止，从而防止了继电器的误动作。

当基极的信号是高电平时，三极管导通，继电器线圈得电，继电器触点动作；

当基极的信号是低电平时，三极管截止，继电器线圈失电，继电器触点复位；

PNP三极管驱动继电器

用PNP三极管驱动继电器的时候需要将继电器接在三极管的集电极上，并在线圈上并联一个反向二极管，典型原理图如图4所示。

PNP三极管驱动继电器

上图中，基极上的电阻为限流电阻，防止基极电流过大将三极管烧坏；基极和发射极之间的电阻叫做上拉电阻，单片机的IO口在初始化的时候，电平可能是不确定的状态，上拉电阻将基极拉到高电平使三极管截止，从而防止了继电器的误动作。

当基极的信号是低电平时，三极管导通，继电器线圈得电，继电器触点动作；

当基极的信号是高电平时，三极管截止，继电器线圈失电，继电器触点复位；

续流二极管的作用

上面两种驱动方式，都在线圈上方向并联了一个二极管，该二极管叫做续流二极管。由于继电器的线圈呈现感性特性，在断电时流过线圈的电流不会发生突变，会感应出反向电动势，该反向电压可能会超过三极管的耐压值将三极管损坏，为避免这种情况。加了一个反向的续流二极管，在断电瞬间给反向电动势提供了一条泄放通道，从而保护了三极管。

4.继电器如何节能

现在用户对功耗比较敏感，要求功耗尽可能的小，而性能不打折扣。对于继电器而言这一点非常明显，有些继电器的线圈电阻非常小，在启动、工作时所需要的电流非常大。继电器在动作的瞬间需要较大的电流，而在动作以后只需要较小的维持电流就可以让继电器保持动作状态。所以只需要在继电器动作后，降低线圈流过的电流即可实现继电器驱动的节能。

5-继电器节能

节能方式有两种，介绍如下：

降压的方式实现节能

继电器在启动时加在线圈两端的电压为额定电压，当继电器动作稳定大约100-500ms之后，将线圈两端的电压降至释放电压以上，这样加在线圈两端的电压小了，流过线圈的电流就小了。如图5左侧所示。

PWM方式实现节能

这最常用的节能方式，用PWM来驱动三极管或者MOS管的控制端，以降低线圈两端的平均电压，从而实现线圈的节能。

以上两种方式的大致波形如图6所示。

电器节能

5.固态继电器的基本知识

电磁继电器的触点是机械式的，在大电流分断的时候，容易产生电弧，触点长久工作在电弧的环境中会被腐蚀，从而失效，所以电磁继电器的触点都是具有工作寿命的。而固态继电器是完全电子式的继电器，其触点是由MOS管或者可控硅来实现的，电子式的触点不存在电弧问题，所以固态继电器的触点没有寿命的限制，且动作响应非常快不存在抖动问题，噪音较小。

固态继电器的主要构成

固态继电器分为交流固态继电器和直流固态继电器。交流固态继电器主要由光耦和可控硅构成；而直流固态继电器主要由光耦和MOSFET构成。

固态继电器的过零检测

固态继电器可以分为带过零检测和不带过零检测的。交流负载中，不带过零检测的情况下，只要输入端有触发信号，触点就动作；而带过零检测的，在输入端有触发信号后，触点等到负载端出现一次过零后才动作。