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Introdução ao módulo Wi-Fi HaLow para XIAO

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Introdução​

Este tutorial irá guiá-lo na configuração e uso do módulo Wio-WM6108 Wi-Fi HaLow com um XIAO ESP32S3 para construir um cliente Wi-Fi HaLow. Wi-Fi HaLow (IEEE 802.11ah) é projetado para aplicações IoT de longo alcance e baixo consumo de energia, operando na faixa de frequência abaixo de 1 GHz. Vamos passar pela configuração de hardware, configuração de software e demonstrar como estabelecer conectividade Wi-Fi HaLow para seus projetos de IoT.

Principais recursos​

  • Conectividade Wi-Fi de longo alcance de até 1 km em linha de visada
  • Baixo consumo de energia, ideal para dispositivos IoT
  • Operação abaixo de 1 GHz para melhor penetração através de paredes e obstáculos
  • Compatível com a placa de desenvolvimento XIAO ESP32S3
  • Processo de configuração e ajuste fácil de seguir

Visão geral de hardware​

A tabela a seguir descreve as principais especificações do módulo Wio-WM6108 Wi-Fi HaLow:

CaracterísticaValorUnidade
Tensão de operação3.3 (Digital) / 5.0 (RF front-end)V
Corrente de operaçãoTBDmA
Protocolo Wi-FiIEEE 802.11ah-
Faixa de frequênciaAbaixo de 1 GHz-
AlcanceAté 1km
InterfaceSPI-
DimensõesTBDmm
Both 3.3/5.0V power supply are required

Esta placa requer duas entradas de alimentação separadas:

  • O pad de 3.3V alimenta os trilhos digitais do módulo.
  • O pad de 5.0V alimenta o front-end de RF (amplificador de potência de TX) por meio de um trilho separado.

Quando o módulo é conectado a uma placa de expansão XIAO, ambos os trilhos de alimentação são fornecidos automaticamente através do conector de expansão.

No entanto, ao conectar a placa a um sistema host via interface de pads (por exemplo, um Raspberry Pi via SPI), você deve conectar todos os 5V, 3.3V e GND.

Se apenas 3.3V estiver conectado, o módulo poderá carregar o firmware e receber normalmente, mas não poderá transmitir na potência nominal.

O que é Wi-Fi HaLow?​

Wi-Fi HaLow é um protocolo de rede sem fio baseado no padrão IEEE 802.11ah, projetado especificamente para aplicações de Internet das Coisas (IoT). Operando na faixa de frequência abaixo de 1 GHz (tipicamente 900 MHz), o Wi-Fi HaLow oferece várias vantagens significativas em relação ao Wi-Fi tradicional:

  1. Alcance estendido: o Wi-Fi HaLow pode atingir distâncias de até 1 quilômetro em condições de linha de visada, superando em muito o alcance do Wi-Fi convencional.

  2. Melhor penetração: os sinais de frequência mais baixa conseguem penetrar melhor em paredes e outros obstáculos, tornando-o ideal para ambientes desafiadores.

  3. Baixo consumo de energia: projetado com dispositivos IoT em mente, o Wi-Fi HaLow permite anos de vida útil de bateria para dispositivos conectados.

  4. Escalabilidade: suporta milhares de dispositivos conectados a um único ponto de acesso, perfeito para implantações IoT em grande escala.

  5. Segurança: herda os recursos robustos de segurança da família Wi-Fi, incluindo criptografia WPA3.

Por que o Wi-Fi HaLow é importante​

O Wi-Fi HaLow atende às crescentes necessidades de aplicações IoT que exigem conectividade de longo alcance, baixo consumo de energia e capacidade de lidar com inúmeros dispositivos simultaneamente. Ele preenche a lacuna entre o Wi-Fi tradicional e as tecnologias LPWAN, oferecendo:

  • IoT industrial: possibilita conectividade confiável em fábricas, armazéns e ambientes industriais.
  • Agricultura inteligente: fornece cobertura em grandes áreas agrícolas para redes de sensores.
  • Cidades inteligentes: suporta extensas redes de dispositivos conectados em ambientes urbanos.
  • Rastreamento de ativos: permite o rastreamento de longo alcance de ativos e equipamentos valiosos.

Ao combinar a familiaridade do Wi-Fi com os benefícios de conectividade de longo alcance e baixo consumo de energia, o Wi-Fi HaLow está pronto para desempenhar um papel crucial na expansão das aplicações de IoT em diversos setores.

Arquitetura de sistema Wi-Fi HaLow​

Uma rede típica de Wi-Fi HaLow consiste em vários componentes principais que trabalham juntos para possibilitar conectividade IoT de longo alcance e baixo consumo:

  1. Ponto de Acesso (AP): o hub central da rede Wi-Fi HaLow, responsável por gerenciar conexões e rotear dados entre dispositivos e a internet.

  2. Estações (STA): os dispositivos clientes que se conectam ao Ponto de Acesso. Podem ser sensores, atuadores ou outros dispositivos IoT.

  3. Gateway: atua como uma ponte entre a rede Wi-Fi HaLow e outras redes (por exemplo, Ethernet ou celular).

Neste tutorial, vamos configurar o XIAO ESP32S3 como um cliente Estação (STA) que se conecta a um Ponto de Acesso Wi-Fi HaLow. O XIAO usará o módulo WM6108 para estabelecer e manter a conexão HaLow.

Framework MM-IoT-SDK​

O módulo WM6108 utiliza o MM-IoT-SDK da MorseMicro, que fornece:

  • Suporte multiprotocolo: permite integração perfeita com vários protocolos de IoT
  • Gerenciamento de baixo consumo: consumo de energia otimizado para dispositivos alimentados por bateria
  • Recursos de segurança: mecanismos integrados de criptografia e autenticação
  • Configuração fácil: API simplificada para configuração e gerenciamento de rede

A arquitetura do MM-IoT-SDK consiste em várias camadas:

  1. Camada de Abstração de Hardware (HAL): fornece uma interface unificada para diferentes plataformas de hardware
  2. Pilha de rede: implementa a pilha de protocolo Wi-Fi HaLow
  3. Camada de aplicação: oferece APIs para desenvolvimento de aplicações e gerenciamento de dispositivos

Esse framework permite que desenvolvedores implementem rapidamente funcionalidades Wi-Fi HaLow, mantendo flexibilidade para aplicações personalizadas.

Materiais necessários​

Aqui estão os materiais necessários para executar este tutorial.

XIAO ESP32S3 SenseMódulo Wi-Fi HaLow Wio-WM6108 para XIAO
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nota

Este tutorial é aplicável apenas à série XIAO ESP32-S3. Usaremos o XIAO ESP32S3 Sense como exemplo neste tutorial.

Além do mencionado acima, você pode precisar preparar antenas adicionais adequadas para uso com WiFi-Halow. Aqui estão os modelos de antena verificados e recomendados.

Kit de antena interna de longo alcanceAntena de longo alcance de 2,6 dBi
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Para conectar a antena ao módulo WiFi-Halow, você também pode precisar adquirir o cabo de antena SMA para I-PEX.

Cabo de antena SMA para I-PEX
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Se você estiver usando pela primeira vez, pode consultar o vídeo a seguir para a instalação da antena.

Instalar ESP-IDF v5.1.1​

Antes de começarmos a programar, precisamos instalar o ESP-IDF v5.1.1 no seu computador. ESP-IDF é o framework oficial de desenvolvimento para os chips da série ESP32.

Passo 1. Baixar o ESP-IDF Tools Installer para Windows

Baixe o ESP-IDF Tools Installer para Windows. Este instalador inclui todas as ferramentas necessárias para o desenvolvimento com ESP-IDF.

Passo 2. Executar o instalador

  1. Execute o instalador baixado como administrador
  2. Siga as instruções para instalar Python, Git e outras ferramentas necessárias
  3. Quando solicitado, selecione as seguintes opções:
    • Instalar ESP-IDF v5.1.1
    • Instalar Python
    • Instalar Git
    • Adicionar ESP-IDF Tools ao Path

Passo 3. Verificar a instalação

Abra um novo Prompt de Comando e execute:

esp-idf --version

Se a instalação foi bem-sucedida, você deverá ver o número de versão 5.1.1.

dica

Após a instalação, talvez seja necessário reiniciar o computador para garantir que todas as variáveis de ambiente sejam configuradas corretamente.

nota

Para instruções mais detalhadas sobre a instalação do ESP-IDF v5.1.1, você pode consultar a documentação oficial da Espressif:

Clonar e Configurar o Repositório mm-iot-esp32​

Siga estas etapas para clonar o repositório mm-iot-esp32 e configurar as variáveis de ambiente:

Passo 1. Clonar o repositório

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

Passo 2. Exportar variáveis do IDF

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

Passo 3. Definir a variável de ambiente MMIOT_ROOT

Você pode defini-la permanentemente pelas Propriedades do Sistema do Windows:

  1. Abra Propriedades do Sistema (Win + R, digite sysdm.cpl)
  2. Clique em "Environment Variables"
  3. Em "User variables", clique em "New"
  4. Nome da variável: MMIOT_ROOT
  5. Valor da variável: C:\Users\YourUsername\mm-iot-esp32 (substitua pelo seu caminho real)
  6. Clique em "OK" para salvar

Como alternativa, você pode defini-la temporariamente no Prompt de Comando:

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

Certifique-se de usar caminhos absolutos ao definir a variável de ambiente MMIOT_ROOT. Caminhos relativos podem causar problemas ao compilar projetos.

nota

Depois de definir as variáveis de ambiente, talvez seja necessário fechar e reabrir o terminal para que as alterações entrem em vigor.

Compilando o Firmware de Exemplo​

O repositório mm-iot-esp32 inclui vários aplicativos de exemplo que demonstram diferentes funcionalidades. Veja como compilar e configurar esses exemplos:

Localização dos Aplicativos de Exemplo​

Todos os aplicativos de exemplo podem ser encontrados no diretório examples do repositório. Exemplos disponíveis incluem:

  • scan: exemplo de varredura Wi-Fi
  • iperf: exemplo de servidor iperf
  • sta_reboot: exemplo de reinicialização de estação Wi-Fi
  • sta_connect: exemplo de conexão de estação Wi-Fi
  • web_camera_server: exemplo de servidor de câmera web
  • E mais...

Configurar Credenciais de Rede​

Antes de compilar o firmware, você precisa configurar as configurações de rede no arquivo de configuração do exemplo:

  1. Navegue até o diretório do exemplo escolhido:
cd $MMIOT_ROOT/examples/example_name
  1. Edite o arquivo de configuração:
# Open the configuration file
nano src/mm_app_loadconfig.c
  1. Neste arquivo, você pode modificar:
  • Código do país (deve ser definido como US, pois o produto está atualmente disponível apenas para a América do Norte)
  • Credenciais da rede Wi-Fi HaLow
  • Outros parâmetros relacionados à rede
cuidado

Nota Importante Sobre o Código do País:

  • O código do país deve ser definido como "US", pois este produto está atualmente disponível apenas para o mercado norte-americano
  • O produto ainda não está disponível para outras regiões devido a exigências regulatórias
  • Usar o produto em regiões fora da América do Norte pode violar regulamentações locais

Processo de Compilação​

Após configurar as definições de rede, você pode compilar o firmware usando estes comandos:

idf.py set-target esp32s3
idf.py fullclean
idf.py build
nota
  • O comando idf.py set-target precisa ser executado apenas uma vez para cada exemplo
  • idf.py fullclean garante uma compilação limpa, removendo todos os artefatos de compilação anteriores
  • Após a compilação bem-sucedida, o binário do firmware estará localizado no diretório build

Saída da Compilação​

Após uma compilação bem-sucedida, você deverá ver uma saída semelhante a esta:

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

A seguir, demonstraremos alguns exemplos.

Exemplo 1. scan​

Este exemplo demonstra como procurar redes Wi-Fi HaLow disponíveis nas proximidades. Siga estas etapas para compilar e executar o exemplo de varredura:

Passo 1: Navegar até o Exemplo de Varredura​

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

Passo 2: Configurar o Código do País​

  1. Abra o arquivo de configuração:
nano main/src/mm_app_loadconfig.c
  1. Localize e modifique a linha do código do país:
#define COUNTRY_CODE "US"  // Must use "US" as the product is only available for North America

Passo 3: Configuração de Hardware​

  1. Conecte o Módulo Wio-WM6108 Wi-Fi HaLow ao seu XIAO ESP32S3

  2. Conecte o XIAO ESP32S3 ao seu computador via USB

Passo 4: Compilar e Gravar​

Execute os seguintes comandos em sequência:

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

Passo 5: Monitorar Resultados​

Se tudo estiver funcionando corretamente:

  • O monitor serial será iniciado automaticamente após a gravação
  • O programa começará a procurar redes Wi-Fi HaLow
  • Se houver quaisquer gateways Wi-Fi HaLow ao alcance, suas informações serão exibidas no monitor serial

Exemplo de saída no monitor serial:

dica
  • Certifique-se de que haja gateways Wi-Fi HaLow nas proximidades para detectar redes
  • O processo de varredura é executado continuamente, portanto você verá atualizações periódicas das redes disponíveis
  • Pressione Ctrl+C para parar o monitor e sair do programa
nota

Se você não vir nenhuma rede:

  • Verifique se o seu gateway Wi-Fi HaLow está ligado e funcionando
  • Verifique se você está dentro do alcance do gateway
  • Certifique-se de que o módulo está conectado corretamente ao seu XIAO ESP32S3

Exemplo 2. iperf​

Este exemplo demonstra como testar o desempenho de rede da sua conexão Wi-Fi HaLow usando iPerf. Siga estas etapas para compilar e executar o exemplo iPerf:

Etapa 1: Navegar até o exemplo iPerf​

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

Etapa 2: Configurar as definições de rede​

  1. Abra o arquivo de configuração:
nano main/src/mm_app_loadconfig.c
  1. Modifique os seguintes parâmetros:
// 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

Etapa 3: Configuração de hardware​

  1. Conecte o módulo Wio-WM6108 Wi-Fi HaLow ao seu XIAO ESP32S3
  2. Conecte o XIAO ESP32S3 ao seu computador via USB

Etapa 4: Compilar e gravar​

Execute os seguintes comandos em sequência:

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

Etapa 5: Executar o teste de desempenho​

Quando o programa estiver em execução com sucesso, você verá o serviço iPerf iniciar. Agora você pode executar testes de desempenho a partir do seu gateway Wi-Fi HaLow.

Para testes IPv4, execute este comando no seu gateway:

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

Para testes IPv6, execute este comando no seu gateway:

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

Explicação dos parâmetros:

  • -c: Executar em modo cliente
  • -p: Número da porta
  • -i: Intervalo de relatório (1 segundo)
  • -u: Usar protocolo UDP
  • -b: Largura de banda alvo (20 Mbps)
  • -V: Modo IPv6 (apenas para testes IPv6)
dica
  • Certifique-se de que seu dispositivo se conectou com sucesso à rede Wi-Fi HaLow antes de executar o teste de desempenho
  • O endereço IP do dispositivo será exibido no monitor serial após a conexão
  • Você pode ajustar a largura de banda (parâmetro -b) com base nas suas necessidades de teste
nota

Problemas comuns e soluções:

  • Se a conexão falhar, verifique suas credenciais de rede
  • Se o serviço iPerf não iniciar, verifique suas conexões de hardware
  • Se o desempenho estiver ruim, certifique-se de que você está dentro de um bom alcance do gateway

Exemplo 3. web_camera_server​

Este exemplo demonstra como transmitir o fluxo da câmera do XIAO ESP32S3 Sense pela rede Wi-Fi HaLow. Siga estas etapas para compilar e executar o servidor de câmera web:

Etapa 1: Navegar até o exemplo de câmera web​

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

Etapa 2: Configurar as definições de rede​

  1. Abra o arquivo de configuração:
nano main/src/mm_app_loadconfig.c
  1. Modifique as credenciais Wi-Fi HaLow:
// 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

Etapa 3: Configuração de hardware​

  1. Conecte o módulo Wio-WM6108 Wi-Fi HaLow ao seu XIAO ESP32S3 Sense
  2. Certifique-se de que o módulo de câmera no seu XIAO ESP32S3 Sense está conectado corretamente
  3. Conecte o XIAO ESP32S3 Sense ao seu computador via USB

Etapa 4: Compilar e gravar​

Execute os seguintes comandos em sequência:

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

Etapa 5: Acessar o fluxo da câmera​

Quando o programa estiver em execução com sucesso:

  1. Anote o endereço IP exibido no monitor serial
  2. Abra um navegador da web em qualquer dispositivo conectado à mesma rede que o seu gateway Wi-Fi HaLow
  3. Digite o endereço IP na barra de endereços do navegador
  4. Agora você deverá ver o fluxo de câmera ao vivo do seu XIAO ESP32S3 Sense

URL de exemplo:

http://192.168.4.1
dica

Para a melhor experiência de streaming:

  • Garanta boas condições de iluminação para melhor qualidade de imagem
  • Mantenha o XIAO ESP32S3 Sense dentro de um bom alcance do gateway Wi-Fi HaLow
  • Use um navegador web moderno para compatibilidade ideal
nota

Solução de problemas:

  • Se você não conseguir acessar o fluxo da câmera, verifique se seu dispositivo está na mesma rede que o gateway Wi-Fi HaLow
  • Se a imagem não estiver aparecendo, verifique se o módulo de câmera está conectado corretamente
  • Se o fluxo estiver com atraso, tente se aproximar do gateway Wi-Fi HaLow

Recursos​

Suporte técnico e discussão de produtos​

Obrigado por escolher nossos produtos! Estamos aqui para fornecer diferentes tipos de suporte para garantir que sua experiência com nossos produtos seja a mais tranquila possível. Oferecemos vários canais de comunicação para atender a diferentes preferências e necessidades.

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