Wi-Fi в любительском проекте? Нет ничего проще!
Всем здравствуйте!
В этом посте я постараюсь убедить вас в том, что добавить поддержку Wi-FI к своему устройству на микроконтроллере можно абсолютно без проблем. И для этого не надо ни курочить свой любимый роутер и подпаиваться к выводам отладочного uart’а, ни ставить переходник usb-uart (что, конечно выход).
Я расскажу о двух модулях фирмы WizNet: WizFi220.
Вместо предисловия
Компания WizNet основана в 1998 в Корее и занимается производством сетевых решений. Спектр того, что компания производит, широк. Это и микроконтроллеры на ядре 8051 со встроенный PHY-контроллером, и отдельные SPI-управляемые контроллеры Ethernet, и модули Wi-FI, и макетки почти к каждой микросхеме.
Про первые два вида я мало чего знаю, поскольку с ними не работал. А про Wi-Fi довольно много.
Кому интересно — прошу под кат.
WizFi220
Отличается от WizFi210 более высокой мощностью сигнала и, как следствие, повышенным энергопотреблением.
Эта небольшая штука размером 32х24.5 мм имеет следующие характеристики:
- Вся настройка — через UART
- Время старта — 20 мс
- Относительно малое потребление: 34 мкА в режиме ожидания, 125 мА — приём, 250 мА — передача
- Поддерживает стандарты 802.11b/g/n.
- Поддержка следующих типов шифрования: WEP, WPA/WPA2-PSK, Enterprise EAP-FAST, EAP-TLS, EAP-TTLS, PEAP
- Температурный диапазон: -40℃… 85℃
- Напряжение питания — 3.3В
Распиновка модуля
Легко видеть, что в сам модуль много чего понапихано: SPI, UART, GPIO, I2C, ADC, JTAG. Но что из этого списка можно использовать — другой вопрос.
Простейшая схема подключения модуля
Здесь все предельно просто. Выводы CTS2, RX2, RTS2, TX2 идут к контроллеру. Если нет желания выделять какой-либо пин микроконтроллера под управление сбросом модуля, то EXT_RESETN можно подтянуть к питанию через резистор 10К или бросить в воздухе.
Вывод №25 (GPIO_21/CLK_11MHz) нужен для того, чтобы применить одну из двух стандартных настроек WizFI220.
- Два раза опустить в ноль на 300 мс с паузой между импульсами в 300 мс — включение режима Limited AP (максимум 3 клиента)
- Три раза опустить в ноль — включение ad-hoc
Светодиоды нужны для индикации происходящих в модуле процессов.
Начнём эксперименты
Все эксперименты будем проводить с помощью макетки WizFi220-EVB.
Которая для оценки возможностей WizFi220 — самое то.
Для включения модуля потребуется mini-USB кабель и переходник USB-RS232. После подачи питания синие светодиоды (что в правом нижнем углу) весело моргнут три раза. Это свидетельство того, что WizFi220 успешно запустился. Открываем любимый терминал и подключаемся к порту. Конфигурация порта: скорость 115200, 8 бит, 1 стоп-бит, контроль четности отключен.
И вводим туда первое, что в голову пришло AT.
Замечание: каждая команда должна заканчиваться символом CR (carriage return, 0x0D) иначе она не будет обработана.
Модуль должен весело отрапортовать
Те две буквы, которые сейчас были приняты модулем, назваются AT-командой. WizFi220 понимает множество AT-команд, описание к которым (порой весьма скудное) содержится в мануале.
Давайте теперь поднимем Limited AP. Сделать это можно небольшим числом команд.
AT+WD [OK] AT+WM=2 [OK] AT+WAUTH=0 [OK] AT+NDHCP=0 [OK] AT+NSET=192.168.55.1,255.255.255.0,192.168.55.1 [OK] AT+WA=MyCoolFreeAP,,8 IP SubNet Gateway 192.168.55.1: 255.255.255.0: 192.168.55.1 [OK] AT+NSTCP=2345 [OK] - AT+WD — разрываем все соединения, если они были.
- AT+WM=2 — модуль будет работать в режиме Limited AP.
- AT+WAUTH=0 — отсутствует шифрование.
- AT+NDHCP=0 — отключен DHCP. Поэтому необходимы статические параметры при подключении к этой точке доступа.
- AT+NSET=192.168.55.1,255.255.255.0,192.168.55.1 — задаём адрес модуля, маску подсети и адрес шлюза.
- AT+WA=MyCoolFreeNet,,8 — задаём имя сети и канал, на котором она будет работать. Две запятые подряд означают то, что между ними стоит необязательный параметр.
- AT+NSTCP=2345 — поднимаем TCP — сервер на 2345 порту.
Всё, мы подняли точку доступа. Видите, как всё просто!
А помните tcp-сервер на 2345 порту? Мы ведь его не просто так поднимали. Подключитесь к сети MyCoolFreeNet, откройте браузер и введите в адресной строке 192.168.55.1:2345.
Вопрос: что делает браузер, когда пользователь вводит что-то подобное? Правильно, посылает GET-запрос. А что делает наш умный WizFi220? Он кидает текст запроса в UART. Если не верите, то можно легко убедиться в этом самостоятельно. Поэтому с помощью этого модуля и МК можно сделать что-нибудь, управляемое через Wi-Fi с собственной админкой.
WizFi220, равно как и WizFi210, имеет встроенную web-админку. Но она слабая и хилая. Вот её общий вид.
Резюме
WizFi220/210 хороший и недорогой (примерно $38) модуль для тех, кто хочет попробовать поработать с Wi-FI. И встроить его куда-нибудь. К примеру, в радиоуправляемую машинку.
С этим модулем я работаю около трех месяцев и могу сказать про него следующее.
Плюсы: малые габариты, малое энергопотребление, простая схема включения, простота настройки и работы, дешевизна.
Минусы: не очень хорошая документация, некоторые непредвиденные сюрпризы при работе.
Берите, работайте, получайте удовольствие!
Как работает Wi-Fi: все про работу беспроводной сети от WiFiGid!
Пользователь отличается от потребителя тем, что имеет представление о вещах, к помощи которым прибегает. Каждый, кто читает эти строки, может считать себя пользователем беспроводного интернета по технологии Wi-Fi. Если знает, как сеть работает. Тем, кто не относится к таким людям, предлагаем ознакомиться с материалом, где рассказано о принципах функционирования беспроводной связи Wi-Fi, её особенностях, преимуществах и недостатках.
История
Отправляться в путешествие длиной в полвека или более не станем, минуем все прототипы и наработки. «Отцом» Wi-Fi считается инженер австралийской астрономической лаборатории Джон О’Салливан. Под его руководством в 1997-1998 гг. появилось то, чем пользуется почти весь мир. Через 2 года зарегистрирован первый стандарт IEEE 802.11a, который и сейчас широко распространён.
Из-за высокого уровня интерференции волн был быстро разработан IEEE 802.11b, но главную проблему он не решил. Волны так же рассеивались и накладывались. Однако, это удалось исправить разделением диапазона рабочих частот на каналы.
После 10-летия развития появился стандарт IEEE 802.22, поддерживающий передачу данных на расстояния до 100 км по прямой. На 2019 год разработано 18 стандартов IEEE 802.11 с разной пропускной способностью и рабочими частотами.
Термин «Wi-Fi» является намёком на Hi-Fi, и никак не расшифровывается. Однако, принято считать, что слово происходит от Wireless Fidelity – беспроводная точность.
Про работу беспроводной технологии в формате видео:
Как работает?
Wi-Fi – это беспроводная технология передачи данных, беспроводная локальная сеть (WLAN). В принцип работы Wi-Fi положена передача зашифрованных сигналов посредством СВЧ-волн (сверхвысокочастотные волны) на небольшие (десятки метров) расстояния. Схема сети состоит минимум из двух элементов: точка доступа и клиент.
Есть схемы клиент-клиент – без применения точек доступа.
Точка доступа транслирует идентификатор (SSID, имя сети) посредством спецпакетов данных 10 раз в секунду со скоростью 100 Кбит/с. Это теоретически наименьшая пропускная способность беспроводного канала.
Как устроена работа Вай-Фай сети? При попадании в зону действия и обнаружении сигнала устройство-клиент делает вывод о возможности подключения к ней (разность технологий может стать тому помехой). Передатчик может и не передавать свой идентификатор, тогда сеть будет невидимой для клиентов. Подключиться к ней можно только посредством ввода SSID и пароля, если она защищена.
При наличии в одной зоне 2-3 сетей с идентичными SSID, устройство-приёмник подключается к той, у которой лучше сигнал.
Точкой доступа в домашних Wi-Fi сетях является преимущественно беспроводной маршрутизатор – роутер. Он и клиенты должны работать в одном режиме (частота, модуляция сигнала). Рассмотрим на примере раздачи интернета в частном доме.
Роутер получает трафик через сетевой кабель, преобразовывает его в радиоволны и распространяет их «по воздуху» в виде радиосигналов сверхвысокой частоты с определёнными параметрами. Приёмник «ловит» эти волны и декодирует их (расшифровывает, извлекает из них информацию, которая кодируется несущей частотой).
Алгоритмы «упаковки» данных описаны в соответствующих стандартах и отличаются от версии к версии. Аналогичным образом осуществляется и передача цифровых данных. Принцип Wi-Fi технологии схож с работой мобильной связи, если не вдаваться в технические подробности.
Интересные факты про Wi-Fi, которые вы не знали:
Частотные диапазоны
Работают Wi-Fi сети в двух частотных диапазонах: 2,4 ГГц и 5 ГГц. Первый диапазон (не статичная частота, а 13 частот от 2401 МГц до 2461 МГц с шагом 5 МГц) отличается от второго:
- площадью покрытия сигнала – он охватывает большую территорию;
- скоростью – она ниже, чем при 5 ГГц;
- низшим коэффициентом затухания (уровень сигнала на частоте 5 ГГц снижается приблизительно в 1,5 раза, в зависимости от обстоятельств, при прохождении препятствий в виде стен, мебели);
- большей дальностью распространения радиоволны;
- более загруженный – большинство устройств работает при 2,4 ГГц;
- меньшим числом каналов (13 против 17).
Стандарты
В 2019 году появилась 18-я спецификация Wi-Fi 6-го поколения – 802.11ax. Работает на частотах из диапазона 5 ГГц и обеспечивает максимальную пропускную способность до 11 Гбит/с. Все они отличаются скоростью, уровнем защиты, способом обработки сигнала, внедрением инновационных функций.
| Стандарт IEEE | Частотный диапазон, ГГц | Теоретическая скорость (макс.), Мбит/с |
| 802.11 b | 2,4 | 11 |
| 802.11 a | 5 | 54 |
| 802.11 g | 2,4 | 108 |
| 802.11 n | 2,4 | 300 |
| 5 | 450 | |
| 802.11 ac | 5 | 670 |
| 802.11 ax | 5 | 1100 |
Стандарты имеют обратную совместимость: новые совместимы со старыми. Однако, старые устройства не поддерживают современные спецификации.
Разновидности точек доступа
Зачем нам нужен маршрутизатор? Ответ ищите в следующем видео:
Точки доступа, объединяющие в единую беспроводную Wi-Fi сеть, разделяются на:
- автономные – самостоятельные;
- контролируемые или централизованные;
- бесконтроллерные.
Исходя из способа контроля радиоканалов, точки доступа распределены на:
- статические (каналы);
- адаптивные или динамические – автоматический выбор оптимального, наиболее свободного канала из диапазона;
- многослойные.
По способу защиты точки доступа группируются на:
- публичные или открытые – незащищённые, предоставляющие доступ до интернета всем, нередко ограниченному количеству одновременно подключенных клиентов;
- закрытые или частные – сигнал шифруется, и для доступа до сети нужно ввести пароль.
На этом разобрались, как работает Wi-Fi на уровне обывателя. Осталось определить плюсы и минусы технологии.
Достоинства и недостатки
Положительные стороны технологии:
- не требует кабелей, что снижает себестоимость и скорость построения сетей;
- в сеть могут входить различные устройства: ноутбуки, компьютеры, смартфоны и другие мобильные гаджеты на различных платформах;
- простота в настройке сети;
- обеспечение интернетом большого количества пользователей в общественных местах: метро, строительная площадка, пляж;
- интенсивность излучения на порядок ниже, чем у сотовых телефонов;
- не требует сертификата для использования частоты.
Минусы беспроводных Wi-Fi сетей:
- новые стандарты не совместимы со старыми;
- сигнал очень чувствителен к преградам;
- помехи при работе двух передатчиков в зоне достижимости друг друга, особенно на одной частоте;
- при получении информации устройства с точкой доступа работают последовательно;
- тяжело контролировать пропускную способность каждого клиента;
- сеть работает на скорости самого медленного клиента;
- доказано губительное воздействие СВЧ излучения для живых организмов;
- различные частотные диапазоны в странах;
- во многих странах устройства с мощностью излучения выше 100 мВт требуют обязательной регистрации;
- лёгкий взлом всех криптографических алгоритмов, кроме, пока ещё не вышедшего в массы, WPA3;
- нет четкой зоны распространения сигнала;
- при расширении частотной полосы канала интерференция волн усиливается;
- с увеличением числа клиентов повышается оверхед (задержка до выполнения операции) ответа на запрос клиента роутером;
- защита сети находится на уровне самого слабого клиентского устройства;
- низкий уровень безопасности публичных точек доступа.
В наше время Wi-Fi роутер есть в практически в каждом доме, а беспроводной модуль втыкают даже в бытовую технику – пылесосы, холодильники, чайники и т. д. И с каждым годом использование беспроводной технологии все шире.
Ну что, ждем, когда станут общедоступны маршрутизаторы и сетевые устройства с поддержкой протокола Wi-Fi 6. И это можно обсудить! Пишите в комментарии, если нужна помощь или остались вопросы. А я прощаюсь, до встречи на WiFiGid!