• 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。

    版权声明:本文为CSDN博主「口袋里のInit」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。

    三、弱电控制强电:继电器的使用方法

    1. 继电器的基本含义;

    2. 继电器的基本参数;

    3. 继电器如何驱动;

    4. 继电器如何实现节能;

    5. 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。

     

    态继电器

    固态继电器的触点是电子式的,过大电流时需要带大面积的散热片,相比电磁继电器而言,价格比较贵。

    电磁继电器和固态继电器各有优缺点。

  • 相关阅读:
    数字孪生能源系统,打造低碳时代“透视”眼
    【Vue.js】使用ElementUI实现增删改查(CRUD)及表单验证
    内网使用adb工具使用logcat进行日志分析
    Leetcode148. 排序链表
    章节一: RASA开源引擎介绍
    Starrocks 2.5.12配置项
    MySQL高级七:MySQL服务器的逻辑框架
    我,机器学习工程师,决定跑路了
    Hudi 系列-基础概念-索引机制
    数据库中间件
  • 原文地址:https://blog.csdn.net/qq_29788741/article/details/127953449