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使用Wi-Fi将设备连接到物联网

星星科技指导员 来源:嵌入式计算设计 作者:Nikos Vokas 2022-06-23 11:55 次阅读

开发者、供应商和制造商争相加入万物互联,创造新类型的产品、系统和设备,让我们的生活更高效、更舒适。其中许多基于 Wi-Fi 技术将它们连接在一起,并将它们连接到无线接入点,无线接入点又连接到网络和基于云的智能。

因此,许多设计人员没有尝试处理为他们的万物互联产品开发自己的无线系统的复杂性,而是选择使用预先认证的完全集成的 Wi-Fi 连接解决方​​案。这些嵌入式模块和软件专为帮助设计人员应对这些新挑战而创建,为万物互联产品制造商提供了一种经济高效的方式,可以以更低的成本和更低的风险更快地将其产品推向市场。

Wi-Fi 连接的物联网IoT) 设备的重要功能

模块支持哪些 Wi-Fi 标准?根据最终用途,模块通常必须支持所有现有的 Wi-Fi 风格,包括数据速率高达 20 Mbps 的 IEEE 802.11b/g/n 标准。

除了基本的 802.11 功能外,固件还应包括对高级 Wi-Fi 功能的支持,例如 DLNA、带有 P2P-Client 的 Wi-Fi Direct 和 P2P-GO 以及全方位的安全选项(WPS 2.0、WEP 和WPA/WPA2) 的个人和企业版本、HTTPS/SSL 安全堆栈、DHCP 客户端/服务器、可配置 Web 服务器和标准 TCP/UDP 套接字等等。

为加快设计过程,开发人员可以选择配备内部闪存和集成天线并通过所有机构认证的 Wi-Fi 模块。对于计划在全球范围内运送产品的设计人员来说,无线电部分经过预先认证并提供符合国际标准的解决方案非常重要——这可以显着缩短验收周期并最终缩短上市时间。

Wi-Fi 模块应包含一个支持 802.11 协议栈的 MCU、一个功能齐全的 TCP/IP 栈以及随附的网络应用程序、数据安全性以及设备配置的配置方法。MCU 还负责通过 U(S)ART、SPII2C、I2S 或 SDIO 接口与主机系统交换数据和控制信号。

应用软件还应包括云服务支持,以协助开发与物联网一起使用的基于云的应用程序。以类似的方式,家庭娱乐和家庭自动化应用程序需要通过数字生活网络联盟 (DLNA/UPnP) 协议栈或 Apple 的 Airplay 等替代方案来支持。

最近出现的一项新功能允许将 Wi-Fi 连接设置大规模配置技术内置到模块中,以简化开箱即用的配置并在现有 Wi-Fi 网络上快速注册设备。它被称为“ProbMe”,它使设备制造商、系统提供商和最终用户能够以最少的用户输入同时安装、设置和配置多个 Wi-Fi 设备。

它通过利用 Wi-Fi 网络的发现功能来工作。ProbMe 方法不使用标准 802.11 管理帧来询问周围网络的 SSID 信息,而是使用这些帧作为配置载体。这使 Wi-Fi 模块能够识别它何时接收到配置信息,然后利用该信息在网络上进行自我配置。在多个设备处于开启状态并等待配置信息的情况下,可以同时向所有设备提供具有相同 SSID 和密码短语或 SSID 和 WPS 信息的信息。这意味着可以使用一个配置命令同时配置 10、100 甚至 1,000 台设备。

使用此信息配置 Wi-Fi 设备后,该模块默认禁用重新配置功能,并且需要手动按下设备上的物理按钮,以便将设备重新置于配置模式。不同的制造商可以选择设置安全的方法来通过物理按钮或软件访问重置功能。

典型的安装和设置挑战

如今,用户连接到 Wi-Fi 网络的大多数设备都需要一个服务集标识符 (SSID) 和一个通行短语,通行短语通常比密码长。无线路由器制造商最初为路由器提供了默认的通用 SSID 和开放设置,无需密码即可加入网络。但是,大多数路由器制造商现在提供更多唯一的 SSID 和初始唯一密码短语,这些密码短语印在 Wi-Fi 路由器的贴纸上。这意味着当路由器打开时,它会以设置 SSID 和密码短语的安全模式启动。任何想要加入网络的人都可以在智能手机、平板电脑、笔记本电脑或台式机上使用“加入网络”或“添加网络”实用程序。用户可以轻松地加入和重新加入网络以及在不同位置之间移动。

在过去十年中,消费者连接到 Wi-Fi 无线路由器的大多数设备都拥有丰富的计算资源——显示器、键盘和其他功能——这使得输入信息以实现安全连接相对容易。

然而,现在添加到家庭、办公室、商业空间和工业设施中的“东西”非常小,没有显示或方便的数据输入功能来允许用户对其进行配置。因此,设备需要由更智能的设备配置,该设备可以传输必要的配置信息以加入网络。

例如,消费者购买支持 Wi-Fi 的咖啡机。咖啡机需要知道 SSID 和密码短语,以便它可以作为客户端设备连接到网络,以允许用户远程打开和关闭咖啡机、更改冲泡设置、获得咖啡冲泡完成的信号、并可能将咖啡机连接到云以获得更高级的功能。今天,对于想要在咖啡机中加入 Wi-Fi 功能的制造商来说,有几种选择。

一种选择是使用咖啡机上的 Wi-Fi 保护设置 (WPS) 按钮,并假设用户的无线路由器也有 WPS 按钮。这需要用户按下咖啡壶上的按钮,同时按下无线路由器上的按钮。

如果设备及其设置按钮都易于访问,则此方法效果很好。但是,如果无线路由器没有 WPS 按钮或者不容易访问,则该系统将根本无法工作。此外,如果两个按钮都被按下并且咖啡机没有出现在网络上,则无法进行故障排除。最重要的是,WPS 按钮方法存在已知的安全漏洞。

另一种常见的方法是让咖啡机显示为具有自己的 SSID 和密码短语的接入点,这在制造商的快速入门卡上提供。在这种方法中,当咖啡机插入电源并打开电源时,咖啡机的 SSID 会被广播,以便于识别。用户断开无线网络连接,直接无线连接到咖啡机,然后导航到一个区域以输入 SSID 和网络密码短语。然后将该设备配置为用户网络上的客户端。

这种方法的主要缺点是所需的技术专业知识水平。此外,该过程可能非常耗时,如果要安装多个设备,例如电灯开关、灯泡、插座、扬声器、摄像头、门锁、恒温器、警报器等,则会更加耗时。最重要的是,这可能不是最安全的方法,具体取决于制造商决定如何处理启动场景。在某些情况下,消费者可能不会决定为他们的无线网络配置 Wi-Fi 功能,因此,设备广播范围内的每个人都可以看到它。隔壁邻居可以找到并控制另一个邻居的咖啡机。

另一种方法

假设用户在任何操作系统上都有设备。假设用户没有物理访问无线路由器的权限。我们还假设用户对技术的了解最少,并且能够浏览在家庭网络上配置设备所需的基本菜单。最后,让我们假设用户不想在 Wi-Fi 上向全世界宣布咖啡机,也不希望有一个不安全的咖啡壶,这是邻里恶作剧的容易目标。

用户需要咖啡壶以只听模式开机并等待配置。根据设备的类型,可能需要在特定模式或特定网络中进行配置。当多个设备开箱即用时,如果所有设备都可以通过用户的一个条目进行相同的配置,那将是理想的。然后,在配置完成后,为了防止黑客入侵,设备最好将自己锁定以防将来重新配置,以确保它只能由授权用户管理。如果设备需要重新配置,这可能需要用户访问设备以按下重置按钮。

现在想象一下上述情况的替代方案。在这种情况下,用户将咖啡机带回家。插入后,查看快速启动卡,然后使用智能手机输入正确的网络 SSID 和密码,最后点击“加入网络”。智能手机传输配置信息并自动将所有启用 ProbMe 的新设备连接到网络。

审核编辑:郭婷

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