树莓派 物联网平台(树莓派pico物联网)

 

日前，树莓派发布了包含 Wi-Fi 功能的新 RP2040电路板。让我们看看这款新电路板的亮点。

RP2040的亮点

树莓派推出的第一个芯片RP2040包括两个运行频率为 133 MHz 的 Arm Cortex M0+ 内核和 264 KB 片上 RAM。该器件还通过专用 QSPI 总线支持高达 16 MB 的片外闪存。

树莓派 Pico。图片由 树莓派提供

与同类产品相比，RP2040 的一个关键优势在于其可编程 I/O (PIO) 外设，可用于实现不同的数字通信协议以及不太常见的协议，例如 WS2812 LED 协议。该公司还发布了树莓派Pico，这是一款使用 RP2040 MCU 构建的 4 美元微控制器板。

一个明显的缺点和两个潜在的解决方案

树莓派Pico 是 RP2040 的低成本方案。它将 RP2040 与 2 MB 闪存和支持 1.8-5.5 V 输入电压的电源芯片配对。然而，这种低成本板的主要缺点是它不提供无线连接。

虽然物联网应用同时使用有线和无线连接技术，但通常首选无线解决方案，因为它们简化了部署和配置。为了向物联网设备添加无线连接，我们可以使用无线 SoC 或无线模块。

选项一：使用无线 SoC

虽然无线 SoC（例如德州仪器的 CC3100 Wi-Fi 网络处理器）可用于向物联网设备添加无线连接，但基于 SoC 的设计需要时间、成本和工程专业知识。

CC3100 的框图

在构建定制射频电路时，许多因素会影响电路性能，包括电路板布局和材料、天线类型、天线走线形状、走线长度、组件类型和组件供应商。甚至电路板的螺丝和电池的放置也会造成未知的不利影响。还需要一个匹配网络来确保信号在天线和 SoC 之间传播时不会衰减。

这些射频设计的复杂性是经验丰富的射频工程师价格昂贵的原因。此外，RF 设计需要昂贵的实验室设备和工具。考虑到所有这些障碍，自定义RF实现似乎不是为树莓派Pico 等低成本电路板添加无线连接的合理解决方案。

选项二：使用无线模块

另一种解决方案是使用无线模块。不同的芯片制造商，例如Espressif Systems 和 Silicon Labs，已经发布了许多此类模块的选项。使用无线模块，大部分设计已经完成。

PCB 已针对 RF 性能进行了全面表征和优化。天线布局、屏蔽、定时元件（晶体）以及监管审批和标准认证均由模块制造商完成。这显着简化了项目的设计过程。

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树莓派Pico W 内置无线连接

尽管无线模块使工程师和制造商可以使用无线连接，但它们仍然需要额外的电路板。为了解决这个问题，树莓派最近推出了新版本的 Pico 板，包括了英飞凌的 CYW43439 无线 SoC。

树莓派Pico W无线产品

新板树莓派Pico W 售价为 6 美元。无线电封装在金属屏蔽层中，以降低客户最终的合规成本。CYW43439 包括 IEEE 802.11 b/g/n MAC、基带和无线电电路。该无线 SoC 还集成了一个功率放大器 (PA)，可满足大多数手持系统的输出功率要求，以及一个用于提高接收器灵敏度的低噪声放大器 (LNA)。

除上述 Wi-Fi 标准外，CYW43439 还支持经典蓝牙和低功耗蓝牙。虽然 Pico W 板上当前未激活蓝牙连接，但树莓派可能会在未来版本中包含此功能。

其他 RP2040 板也可以连接

自 2021 年 1 月发布 RP2040 以来，不同供应商已生产了大量第三方 RP2040 板。这些第三方板中的每一个都试图对原始的树莓派Pico 板进行改进。在这些板中，还有一些带有内置无线连接的解决方案。一个例子是 Arduino 的 Nano RP2040 Connect，功能框图如下。

Nano RP2040 Connect 的框图。图片由 Arduino 提供

Nano RP2040 Connect 使用 u-blox Nina W102 模块提供 Wi-Fi 和蓝牙连接。 u-blox 的无线模块支持 IEEE 802.11 b/g/n 和蓝牙 4.2 标准。该模块还包括一个集成平面倒 F 形天线 (PIFA)。

Nano RP2040 Connect 具有一些附加组件，例如 6 轴 IMU 和全向数字麦克风。该板的价格约为 30 美元，比 Pico W 板贵得多。

Wi-Fi 的优缺点

物联网应用中有几种不同的无线协议，例如 Wi-Fi、蓝牙 LE、Zigbee 和 Z-Wave。在评估物联网应用的无线解决方案时，一个尺码并不适合所有人。但是 Wi-Fi 的优缺点是什么——尤其是对于 Pico W 板和互联网上的其他一些 RP2040 项目？

Wi-Fi 有一个突出的特点：它本身是基于 IP 的。这是因为，从第一天开始，Wi-Fi 就是为互联网连接而创建的，作为有线以太网标准的无线替代品。考虑到这一点，当我们希望物联网设备本地连接到互联网时，Wi-Fi 是最佳选择。

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使用蓝牙和 Zigbee 等协议的设备无法直接连接到互联网进行云或远程访问。在这些情况下，需要集线器或网关设备将信息从蓝牙/Zigbee/Z-Wave 格式转换为 Wi-Fi，然后再通过 Wi-Fi 路由器通过互联网发送数据。这个额外的网关增加了系统成本和复杂性。

然而，在物联网应用中，传统 Wi-Fi 存在两大局限：无法同时高效支持大量设备，且功耗较高。最近对 Wi-Fi 的升级称为 Wi-Fi 6 或 802.11ax，旨在促进物联网应用。 Wi-Fi 6 支持拥挤的物联网网络，同时消耗更少的电量。

互联网小常识：交换机的交换模式主要分静态交换和动态交换，动态交换又分为快速转发、碎片丢弃和存储转发。三个的转发时机分别为：获得目的MAC后（14B），获得前64B后，获得整个数据帧。

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