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XIAO 向け Wi-Fi HaLow モジュール入門

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はじめに​

このチュートリアルでは、Wio-WM6108 Wi-Fi HaLow モジュールを XIAO ESP32S3 と組み合わせて Wi-Fi HaLow クライアントを構築する手順を説明します。Wi-Fi HaLow（IEEE 802.11ah）は、サブ 1 GHz 帯で動作する、長距離かつ低消費電力の IoT アプリケーション向けに設計された規格です。本チュートリアルでは、ハードウェアのセットアップ、ソフトウェアの設定方法を順を追って説明し、IoT プロジェクト向けに Wi-Fi HaLow 接続を確立する方法をデモします。

主な特長​

  • 見通し距離で最大 1km の長距離 Wi-Fi 接続
  • IoT デバイスに最適な低消費電力
  • 壁や障害物をよりよく透過できるサブ 1 GHz 帯で動作
  • XIAO ESP32S3 開発ボードと互換
  • 分かりやすいセットアップおよび設定手順

ハードウェア概要​

次の表に、Wio-WM6108 Wi-Fi HaLow モジュールの主な仕様を示します。

特性値単位
動作電圧3.3（デジタル）/ 5.0（RF フロントエンド）V
動作電流TBDmA
Wi-Fi プロトコルIEEE 802.11ah-
周波数帯サブ 1 GHz-
通信距離最大 1 までkm
インターフェースSPI-
寸法TBDmm
Both 3.3/5.0V power supply are required

このボードには、2 つの独立した電源入力が必要です：

  • 3.3V パッドは、モジュールのデジタル電源レールに給電します。
  • 5.0V パッドは、別系統のレールを介して RF フロントエンド（TX パワーアンプ）に給電します。

モジュールを XIAO 拡張ボードに挿し込んだ場合、両方の電源レールは拡張コネクタ経由で自動的に供給されます。

しかし、パッドインターフェース経由でホストシステム（例：SPI 接続の Raspberry Pi）に配線する場合は、5V、3.3V、GND をすべて接続する必要があります。

3.3V のみを接続した場合でも、モジュールはファームウェアをロードして正常に受信することはできますが、定格出力で送信することはできません。

Wi-Fi HaLow とは？​

Wi-Fi HaLow は、IoT（Internet of Things）アプリケーション向けに特別に設計された IEEE 802.11ah 規格に基づく無線ネットワークプロトコルです。サブ 1 GHz 帯（一般的には 900 MHz 帯）で動作し、従来の Wi-Fi と比べていくつかの大きな利点があります。

  1. 長距離通信：Wi-Fi HaLow は、見通し条件下で最大 1km の距離を実現でき、従来の Wi-Fi の通信距離を大きく上回ります。

  2. 優れた障害物透過性：低い周波数の信号は、壁やその他の障害物をよりよく透過できるため、厳しい環境に最適です。

  3. 低消費電力：IoT デバイスを念頭に設計されており、接続デバイスのバッテリー寿命を数年単位で実現できます。

  4. 高いスケーラビリティ：1 つのアクセスポイントに数千台のデバイスを接続でき、大規模な IoT 展開に最適です。

  5. セキュリティ：WPA3 暗号化を含む Wi-Fi ファミリの堅牢なセキュリティ機能を継承しています。

Wi-Fi HaLow が重要な理由​

Wi-Fi HaLow は、長距離接続、低消費電力、そして多数のデバイスを同時に扱う必要がある IoT アプリケーションの高まるニーズに応えます。従来の Wi-Fi と LPWAN 技術のギャップを埋め、次のような用途に適したソリューションを提供します。

  • 産業用 IoT：工場、倉庫、産業環境における信頼性の高い接続を実現。
  • スマート農業：広大な農地にわたるセンサーネットワークのカバレッジを提供。
  • スマートシティ：都市環境における多数の接続デバイスから成る広域ネットワークをサポート。
  • 資産トラッキング：貴重な資産や機器を長距離で追跡可能。

Wi-Fi の親しみやすさと、低消費電力・長距離接続という利点を組み合わせることで、Wi-Fi HaLow はさまざまな産業分野における IoT アプリケーション拡大の中核的な役割を担うことが期待されています。

Wi-Fi HaLow システムアーキテクチャ​

典型的な Wi-Fi HaLow ネットワークは、長距離かつ低消費電力の IoT 接続を実現するために連携して動作する、いくつかの主要コンポーネントで構成されます。

  1. アクセスポイント（AP）：Wi-Fi HaLow ネットワークの中心となるハブであり、デバイスとインターネット間の接続管理およびデータのルーティングを担当します。

  2. ステーション（STA）：アクセスポイントに接続するクライアントデバイスです。センサー、アクチュエータ、その他の IoT デバイスが該当します。

  3. ゲートウェイ：Wi-Fi HaLow ネットワークと他のネットワーク（例：Ethernet やセルラー）との間のブリッジとして機能します。

このチュートリアルでは、XIAO ESP32S3 を Wi-Fi HaLow アクセスポイントに接続するステーション（STA）クライアントとして設定します。XIAO は WM6108 モジュールを使用して HaLow 接続を確立・維持します。

MM-IoT-SDK フレームワーク​

WM6108 モジュールは MorseMicro の MM-IoT-SDK を利用しており、次の機能を提供します。

  • マルチプロトコル対応：さまざまな IoT プロトコルとのシームレスな統合を実現
  • 低消費電力マネジメント：バッテリー駆動デバイス向けに電力消費を最適化
  • セキュリティ機能：暗号化および認証メカニズムを内蔵
  • 容易な設定：ネットワークのセットアップと管理のためのシンプルな API

MM-IoT-SDK のアーキテクチャは、いくつかのレイヤーで構成されています。

  1. ハードウェア抽象化レイヤー（HAL）：さまざまなハードウェアプラットフォーム向けに統一されたインターフェースを提供
  2. ネットワークスタック：Wi-Fi HaLow プロトコルスタックを実装
  3. アプリケーションレイヤー：アプリケーション開発およびデバイス管理のための API を提供

このフレームワークにより、開発者は柔軟性を保ちながら、Wi-Fi HaLow 機能を迅速に実装できます。

必要なもの​

このチュートリアルを実行するために必要なものは次のとおりです。

XIAO ESP32S3 SenseWio-WM6108 Wi-Fi HaLow Module for XIAO
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注記

このチュートリアルは XIAO ESP32-S3 シリーズにのみ適用されます。本チュートリアルでは、例として XIAO ESP32S3 Sense を使用します。

上記に加えて、WiFi-Halow 用に適した追加アンテナを用意する必要がある場合があります。以下は検証済みで推奨されるアンテナモデルです。

長距離屋内アンテナキット2.6dBi 長距離アンテナ
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アンテナを WiFi-Halow モジュールに接続するには、SMA to I-PEX Antenna Cable を別途購入する必要がある場合があります。

SMA to I-PEX Antenna Cable
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初めて使用する場合は、アンテナの取り付けについて以下の動画を参照してください。

ESP-IDF v5.1.1 をインストールする​

プログラミングを始める前に、PC に ESP-IDF v5.1.1 をインストールする必要があります。ESP-IDF は ESP32 シリーズチップ向けの公式開発フレームワークです。

ステップ 1. Windows 用 ESP-IDF Tools インストーラをダウンロードする

Windows 用の ESP-IDF Tools Installer をダウンロードします。このインストーラには、ESP-IDF 開発に必要なすべてのツールが含まれています。

ステップ 2. インストーラを実行する

  1. ダウンロードしたインストーラを管理者として実行します
  2. 画面の指示に従って Python、Git などの必要なツールをインストールします
  3. プロンプトが表示されたら、次のオプションを選択します：
    • ESP-IDF v5.1.1 をインストール
    • Python をインストール
    • Git をインストール
    • ESP-IDF Tools を Path に追加

ステップ 3. インストールを確認する

新しいコマンドプロンプトを開き、次を実行します：

esp-idf --version

インストールが正常に完了していれば、バージョン番号 5.1.1 が表示されます。

ヒント

インストール後、すべての環境変数が正しく設定されるように、PC を再起動する必要がある場合があります。

注記

ESP-IDF v5.1.1 のインストールに関するより詳細な手順については、Espressif 公式ドキュメントを参照してください：

mm-iot-esp32 リポジトリのクローンと設定​

以下の手順に従って、mm-iot-esp32 リポジトリをクローンし、環境変数を設定します：

ステップ 1. リポジトリをクローンする

cd %USERPROFILE%
git clone https://github.com/Seeed-Studio/mm-iot-esp32.git

ステップ 2. IDF 変数をエクスポートする

cd %USERPROFILE%\mm-iot-esp32
export.bat

ステップ 3. MMIOT_ROOT 環境変数を設定する

Windows のシステムのプロパティから永続的に設定できます：

  1. システムのプロパティを開きます（Win + R を押して sysdm.cpl と入力）
  2. "Environment Variables" をクリックします
  3. "User variables" の下で "New" をクリックします
  4. 変数名：MMIOT_ROOT
  5. 変数値：C:\Users\YourUsername\mm-iot-esp32（実際のパスに置き換えてください）
  6. "OK" をクリックして保存します

または、コマンドプロンプトで一時的に設定することもできます：

set MMIOT_ROOT=C:\Users\YourUsername\mm-iot-esp32
ヒント

MMIOT_ROOT 環境変数を設定する際は、必ず絶対パスを使用してください。相対パスを使用すると、プロジェクトのビルド時に問題が発生する可能性があります。

注記

環境変数を設定した後、変更を有効にするにはターミナルを一度閉じて再度開く必要がある場合があります。

サンプルファームウェアのビルド​

mm-iot-esp32 リポジトリには、さまざまな機能を示す複数のサンプルアプリケーションが含まれています。ここでは、これらのサンプルをビルドおよび設定する方法を説明します：

サンプルアプリケーションの場所​

すべてのサンプルアプリケーションは、リポジトリの examples ディレクトリ内にあります。利用可能なサンプルには次のものがあります：

  • scan: Wi-Fi スキャンのサンプル
  • iperf: iperf サーバーのサンプル
  • sta_reboot: Wi-Fi ステーションの再起動サンプル
  • sta_connect: Wi-Fi ステーション接続サンプル
  • web_camera_server: Web カメラサーバーのサンプル
  • など

ネットワーク認証情報の設定​

ファームウェアをビルドする前に、サンプルの設定ファイル内でネットワーク設定を行う必要があります：

  1. 選択したサンプルのディレクトリに移動します：
cd $MMIOT_ROOT/examples/example_name
  1. 設定ファイルを編集します：
# Open the configuration file
nano src/mm_app_loadconfig.c
  1. このファイルでは、次の項目を変更できます：
  • 国コード（現在この製品は北米のみで利用可能なため、US に設定する必要があります）
  • Wi-Fi HaLow ネットワークの認証情報
  • その他のネットワーク関連パラメータ
注意

国コードに関する重要な注意事項：

  • この製品は現在北米市場でのみ利用可能なため、国コードは必ず "US" に設定する必要があります
  • 規制要件により、本製品は他の地域ではまだ利用できません
  • 北米以外の地域で本製品を使用すると、現地の規制に違反する可能性があります

ビルド手順​

ネットワーク設定を行ったら、次のコマンドを使用してファームウェアをビルドできます：

idf.py set-target esp32s3
idf.py fullclean
idf.py build
注記
  • idf.py set-target コマンドは、各サンプルごとに一度だけ実行すれば十分です
  • idf.py fullclean は、以前のビルド成果物をすべて削除してクリーンビルドを行います
  • ビルドが正常に完了すると、ファームウェアのバイナリは build ディレクトリに生成されます

ビルド出力​

ビルドが正常に完了すると、次のような出力が表示されます：

# Project build complete. To flash, run this command:
idf.py -p (PORT) flash

以下では、いくつかのサンプルを紹介します。

サンプル 1. scan​

このサンプルでは、周囲で利用可能な Wi-Fi HaLow ネットワークをスキャンする方法を示します。以下の手順に従って、scan サンプルをビルドして実行します：

ステップ 1: scan サンプルへ移動する​

cd ~/mm-iot-esp32/example/scan

ステップ 2: 国コードを設定する​

  1. 設定ファイルを開きます：
nano main/src/mm_app_loadconfig.c
  1. 国コードの行を探して変更します：
#define COUNTRY_CODE "US"  // Must use "US" as the product is only available for North America

ステップ 3: ハードウェアのセットアップ​

  1. Wio-WM6108 Wi-Fi HaLow モジュールを XIAO ESP32S3 に接続します

  2. XIAO ESP32S3 を USB 経由で PC に接続します

ステップ 4: ビルドと書き込み​

次のコマンドを順番に実行します：

idf.py set-target esp32s3
idf.py fullclean
idf.py build
idf.py flash monitor

ステップ 5: 結果のモニタリング​

すべてが正しく動作していれば：

  • 書き込み後、自動的にシリアルモニタが起動します
  • プログラムが Wi-Fi HaLow ネットワークのスキャンを開始します
  • 範囲内に Wi-Fi HaLow ゲートウェイがある場合、その情報がシリアルモニタに表示されます

シリアルモニタでの出力例：

ヒント
  • ネットワークを検出するには、近くに Wi-Fi HaLow ゲートウェイがあることを確認してください
  • スキャン処理は継続的に実行されるため、利用可能なネットワークの情報が定期的に更新されます
  • モニタを停止してプログラムを終了するには Ctrl+C を押します
注記

ネットワークが何も表示されない場合：

  • Wi-Fi HaLow ゲートウェイの電源が入っており、正常に動作していることを確認してください
  • ゲートウェイの通信範囲内にいることを確認します
  • モジュールが XIAO ESP32S3 に正しく接続されていることを確認します

例 2. iperf​

この例では、iPerf を使用して Wi-Fi HaLow 接続のネットワーク性能をテストする方法を示します。以下の手順に従って iPerf のサンプルをビルドして実行します：

ステップ 1: iPerf サンプルへ移動​

cd ~/mm-iot-esp32/example/iperf

ステップ 2: ネットワーク設定を構成​

  1. 設定ファイルを開きます：
nano main/src/mm_app_loadconfig.c
  1. 次のパラメータを変更します：
// Set country code (must be "US" for North America)
#define COUNTRY_CODE "US"

// Set your Wi-Fi HaLow network credentials
#define SSID             Your_HaLow_SSID           // Replace with your network name
#define SAE_PASSPHRASE   Your_Password             // Replace with your network password

ステップ 3: ハードウェアのセットアップ​

  1. Wio-WM6108 Wi-Fi HaLow モジュールを XIAO ESP32S3 に接続します
  2. XIAO ESP32S3 を USB 経由でコンピュータに接続します

ステップ 4: ビルドと書き込み​

次のコマンドを順番に実行します：

idf.py set-target esp32s3
idf.py fullclean
idf.py build
idf.py flash monitor

ステップ 5: 性能テストを実行​

プログラムが正常に動作すると、iPerf サービスが起動します。これで Wi-Fi HaLow ゲートウェイから性能テストを実行できます。

IPv4 テストの場合は、ゲートウェイ上で次のコマンドを実行します：

iperf -c <device_ip> -p <port> -i 1 -u -b 20M

IPv6 テストの場合は、ゲートウェイ上で次のコマンドを実行します：

iperf -c <device_ip>%wlan0 -p <port> -i 1 -V -u -b 20M

パラメータの説明：

  • -c: クライアントモードで実行
  • -p: ポート番号
  • -i: レポート間隔（1 秒）
  • -u: UDP プロトコルを使用
  • -b: 目標帯域幅（20 Mbps）
  • -V: IPv6 モード（IPv6 テスト時のみ）
ヒント
  • 性能テストを実行する前に、デバイスが Wi-Fi HaLow ネットワークに正常に接続されていることを確認してください
  • 接続後、デバイスの IP アドレスはシリアルモニタに表示されます
  • テストの目的に応じて帯域幅（-b パラメータ）を調整できます
注記

よくある問題と解決策：

  • 接続に失敗する場合は、ネットワーク認証情報を確認してください
  • iPerf サービスが起動しない場合は、ハードウェア接続を確認してください
  • 性能が低い場合は、ゲートウェイとの距離が適切か確認してください

例 3. web_camera_server​

この例では、XIAO ESP32S3 Sense から Wi-Fi HaLow ネットワーク経由でカメラ映像をストリーミングする方法を示します。以下の手順に従って Web カメラサーバーをビルドして実行します：

ステップ 1: Web カメラのサンプルへ移動​

cd ~/mm-iot-esp32/example/web_camera_serve

ステップ 2: ネットワーク設定を構成​

  1. 設定ファイルを開きます：
nano main/src/mm_app_loadconfig.c
  1. Wi-Fi HaLow の認証情報を変更します：
// Set your Wi-Fi HaLow network credentials
#define SSID              Your_HaLow_SSID           // Replace with your network name
#define SAE_PASSPHRASE    Your_Password             // Replace with your network password

ステップ 3: ハードウェアのセットアップ​

  1. Wio-WM6108 Wi-Fi HaLow モジュールを XIAO ESP32S3 Sense に接続します
  2. XIAO ESP32S3 Sense 上のカメラモジュールが正しく接続されていることを確認します
  3. XIAO ESP32S3 Sense を USB 経由でコンピュータに接続します

ステップ 4: ビルドと書き込み​

次のコマンドを順番に実行します：

idf.py set-target esp32s3
idf.py fullclean
idf.py build
idf.py flash monitor

ステップ 5: カメラ映像にアクセス​

プログラムが正常に動作したら：

  1. シリアルモニタに表示される IP アドレスを確認します
  2. Wi-Fi HaLow ゲートウェイと同じネットワークに接続されている任意のデバイスで Web ブラウザを開きます
  3. ブラウザのアドレスバーにその IP アドレスを入力します
  4. XIAO ESP32S3 Sense からのライブカメラ映像が表示されるはずです

URL の例：

http://192.168.4.1
ヒント

最高のストリーミング体験のために：

  • より良い画質のために十分な照明条件を確保してください
  • XIAO ESP32S3 Sense を Wi-Fi HaLow ゲートウェイの良好な通信範囲内に保ってください
  • 最新の Web ブラウザを使用すると最適な互換性が得られます
注記

トラブルシューティング：

  • カメラ映像にアクセスできない場合は、デバイスが Wi-Fi HaLow ゲートウェイと同じネットワーク上にあることを確認してください
  • 画像が表示されない場合は、カメラモジュールが正しく接続されているか確認してください
  • ストリームが遅延する場合は、Wi-Fi HaLow ゲートウェイに近づいてみてください

リソース​

技術サポート & 製品ディスカッション​

弊社製品をお選びいただきありがとうございます。製品をできるだけスムーズにご利用いただけるよう、さまざまなサポートを提供しています。お好みやニーズに応じて選べる複数のコミュニケーションチャネルをご用意しています。

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