如何實(shí)現微功耗WiFi 傳感器網(wǎng)絡(luò )設計

   關(guān)鍵詞: 無(wú)線(xiàn)SoC 　WiFi　802.11　線(xiàn)傳感器

　　一/ WiFi  無(wú)線(xiàn)傳感器傳感器網(wǎng)絡(luò )廣闊的應用前景

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )由部署在檢測區域內的大量、廉價(jià)、微型、節能傳感器節點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式自我形成網(wǎng)絡(luò )系統，其主要目的是協(xié)同地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中感知對象的信息，接收命令并與控制中心交換有關(guān)現實(shí)世界的信息。如果說(shuō)互聯(lián)網(wǎng)構成了邏輯上的信息世界，改變了人與人之間的溝通方式，那么，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )就是將邏輯上的信息世界與客觀(guān)上的物理世界融合在一起，改變人類(lèi)與自然界的交互方式。 

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )被美國商業(yè)周刊列為21世紀最有影響的改變世界的十大技術(shù)之一，還被麻省理工學(xué)院(MIT)技術(shù)評論列為全球未來(lái)的三大高科技產(chǎn)業(yè); 和目前國內已經(jīng)比較普及的802.15.4標準和zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )比較，WiFi /IEEE 802.11b/g網(wǎng)絡(luò )是更成熟的技術(shù)，在設備互操作上所具備明顯優(yōu)勢;這種基于IP的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠非常方便的實(shí)現和已經(jīng)安裝在企業(yè)和家庭中的網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行無(wú)縫連接,而且還應具有更好的安全性。

　　當WiFi /IEEE 802.11b/g 的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )信號,在不遠的將來(lái),像一片片”無(wú)線(xiàn)云彩”一樣覆蓋我們的每一個(gè)”無(wú)線(xiàn)城市”的上空和覆蓋我們每一個(gè)家庭,每一個(gè)商業(yè)樓宇上空的時(shí)候,下列的圖畫(huà)將變?yōu)楝F實(shí)。

　　圖畫(huà)一: 千家萬(wàn)戶(hù)家庭中的各種電表,水表,煤氣表內的低功耗無(wú)線(xiàn)WiFi SoC,通過(guò)WI-FI無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ),以很低的功耗,和供電公司等能源通過(guò)者保持著(zhù)網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)聯(lián)系 ,家庭內的數字顯示系統,會(huì )通知你,何時(shí)能源價(jià)格最低,你可以使用低價(jià)格能源付費,同時(shí),如果你的能源設備出現問(wèn)題,能源公司也會(huì )第一時(shí)間搶修。

　　繳費和抄表,更是全自動(dòng)中通過(guò)無(wú)線(xiàn)完成…..

　　圖畫(huà)二:  都市林立的商業(yè)大樓內部,數以萬(wàn)計的工作無(wú)線(xiàn)傳感器,包括安防,溫度,濕度,煙霧報警等等,全部采用已經(jīng)具有的WiFi 無(wú)線(xiàn)SoC為核心的節點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)無(wú)線(xiàn)連接,中心控制系統,根據這些無(wú)線(xiàn)傳感器的大量的信息,調節空調系統,監控大樓安全,是商業(yè)大廈更安全,更節能….
圖畫(huà)三: 巨大的物流倉庫,大型貨車(chē),鏟車(chē),來(lái)來(lái)往往, 每件貨物上,都安裝了具有定位功能的無(wú)線(xiàn)WiFi SoC芯片,通過(guò)倉庫內已經(jīng)廣泛布設的802.11無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ),每件貨物都可以精確的定位,也可以容易獲得貨物的詳細信息……

　　從發(fā)展的眼光看, WiFi  無(wú)線(xiàn)傳感器傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用領(lǐng)域包括各種無(wú)線(xiàn)傳感器，無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)定位網(wǎng)絡(luò )，射頻識別(RFID) 網(wǎng)絡(luò )，數字家庭網(wǎng)絡(luò )，安全監視網(wǎng)絡(luò )等等,具有非常廣闊的應用前景和商業(yè)前景。

　　二 選擇合適的無(wú)線(xiàn)WiFi SoC (單片機)

　　長(cháng)期以來(lái),雖然802.11標準已經(jīng)成為了全球無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的主流方向之一,但是在很多人印象中, WiFi /IEEE 802.11b/g技術(shù)功耗比較高,只適用于電腦之間的無(wú)線(xiàn)連接和其他高速無(wú)線(xiàn)連接應用,其實(shí),無(wú)線(xiàn)技術(shù)和SoC技術(shù)的演進(jìn),近年來(lái),已經(jīng)出現了下面提到的多個(gè)適合于低功耗應用的WiFi 無(wú)線(xiàn)SoC芯片,我們只是需要對其進(jìn)行選擇,就可以用于我們自己的WiFi  無(wú)線(xiàn)傳感器傳感器網(wǎng)絡(luò )設計;
  G2 Microsystems  公司開(kāi)發(fā)的 G2C501, 是一個(gè)推出較早的超低功耗IEEE 802.11 (Wi-Fi) 芯片 (SoC) , 見(jiàn)圖一所示, 該芯片內部集成了802.11無(wú)線(xiàn)芯片和基帶芯片,包括了一個(gè)32位MCU和80KB SRAM+320KB ROM, 并且具有125K無(wú)線(xiàn)喚醒和支持ISO 24730-2 無(wú)線(xiàn)定位的硬件功能。



                                                  圖一   G2C501 片上系統

　　GainSpan公司最近推出WiFi 芯片GS1010,(該公司是芯片巨人英特爾投資支持的美國硅谷的創(chuàng )新企業(yè)), 這個(gè)以?xún)蓚€(gè)經(jīng)典ARM7微控制器器為內核的32位“ARM射頻SoC (ARM無(wú)線(xiàn)片上系統), 將兩個(gè)ARM7 32位微處理器，384K閃存，224k SRAM多種外圍電路，A/D，RTC和802.11無(wú)線(xiàn)芯片等全部設計成一只非常小的QFN封裝微型單芯片中(102腳 10X10平方毫米大小)，實(shí)現了Wi-Fi系統的單片機化,無(wú)線(xiàn)化，微型化，使設計者可以采用GS1010單片機來(lái)設計微型遙控器，信用卡一樣薄的微型RFID電子標簽，能置入人體的微型傳感器等等電池供電產(chǎn)品和多種應用產(chǎn)品。
同時(shí), 該芯片功耗非常低，GS1010能夠確保在一節AA電池供電下長(cháng)達5～10年的使用時(shí)間(具體時(shí)間取決于不同應用中的喚醒間隔)。
GS1010芯片內部框圖見(jiàn)圖二所示;


  　　　　　圖二  GS1010 WI-FI 無(wú)線(xiàn) SoC框圖 

　　以上兩種WI-FI無(wú)線(xiàn)芯片,各有千秋,針對不同的應用,有各自不同的技術(shù)特點(diǎn),但是GS1010由于內置384K FLASH ,所以不需要任何外部芯片,就可以構成一個(gè)完整的應用系統,更像一個(gè)正真的單片機, 而且使用大家比較熟悉的ARM7結構,對很多已經(jīng)熟悉ARM編程的工程師而言,上手比較容易,可以比較方便的象開(kāi)發(fā)ARM單片機應用,容易入門(mén)開(kāi)發(fā)等, 所以, 我們在下面的討論中,采用GS1010作為我們使用的無(wú)線(xiàn)SoC。

　　三/選擇合適的開(kāi)發(fā)系統 

　　由于GS1010無(wú)線(xiàn)   WiFi SoC芯片,實(shí)際上也是一個(gè)典型的微控制器芯片,國內也習慣稱(chēng)為ARM單片機, 和其他ARM單片機開(kāi)發(fā)一樣, 用戶(hù)需要設計自己的  WiFi應用產(chǎn)品,必然需要一套開(kāi)發(fā)平臺來(lái)實(shí)現代碼編譯,下載,調試(DEBUG) 和測試等功能。
根據在互聯(lián)網(wǎng)上搜索的結果,目前發(fā)現的開(kāi)發(fā)GS1010的開(kāi)發(fā)平臺只有兩種,一種是GainSpan公司原廠(chǎng)生產(chǎn)的軟件開(kāi)發(fā)包裝:GS1010-SDK, 見(jiàn)圖三。


　　　　　　　　　　　圖三  GS1010-SDK,

　　另一種是GainSpan公司中國戰略合作伙伴深圳/成都無(wú)線(xiàn)龍通訊科技公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的ARMRF-GS1010-PK軟件開(kāi)發(fā)平臺,見(jiàn)圖四。


　　　　　　　　　　　　　圖四  ARMRF-GS1010-PK開(kāi)發(fā)系統

　　兩套開(kāi)發(fā)系統各有技術(shù)特點(diǎn), 適合于不同應用, 表一是兩套開(kāi)發(fā)平臺主要技術(shù)參數比較表:

                     　　　  表一 : GS1010開(kāi)發(fā)平臺主要參數比較

      從上面比較我們可以看出,GS1010-SDK優(yōu)點(diǎn)是采用了GREEN HILLS的高檔開(kāi)發(fā)環(huán)境和RTOS,比較適合歐美市場(chǎng)高端客戶(hù),缺點(diǎn)是價(jià)格較高。

　　ARMRF-GS1010-PK ,采用了國內比較熟悉的KEIL ARM 平臺和uCOS-II作為 RTOS, 并且開(kāi)發(fā)了中文圖形顯示等功能, 也在功能和代碼上,兼容GS1010-SDK主要代碼,為開(kāi)發(fā)GS1010和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ),提供了新的選擇。

　　四/代碼開(kāi)發(fā)和初步測試 

　　設計WiFi  無(wú)線(xiàn)傳感器傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用,首先是代碼設計,開(kāi)發(fā)系統中的嵌入式傳感器節點(diǎn)軟件包,提供了所需要全部相關(guān)源代碼,如果你是設計一個(gè)將各種傳感器的物理量,如溫度,光度,按一定時(shí)間間隔傳送的802.11網(wǎng)絡(luò )的系統,你只需要先打開(kāi)下面的工程文件: (見(jiàn)圖五)



　　　　　　　　　　　圖五:無(wú)線(xiàn)傳感器嵌入式節點(diǎn)軟件工程文件

　　對于熟悉ARM單片機開(kāi)發(fā)的工程師而言,這是一個(gè)大家都非常熟悉的畫(huà)面,你可以從頂層開(kāi)始,對相關(guān)ARM 源代碼進(jìn)行修改,包括改變傳送間隔,增加傳感器類(lèi)型,增加控制外設等等,58個(gè)簡(jiǎn)單和容易使用的API包括了對網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧和WI-FI網(wǎng)絡(luò )傳輸的全部控制功能…., 完成這些修改和增加代碼后,你可以輕松進(jìn)行編譯,下載到多個(gè)開(kāi)發(fā)板GS1010芯片 FLASH 內部和進(jìn)行調試,并實(shí)際運行…
完成節點(diǎn)軟件初步測試后,你可以連接WI-FI AP ( wireless access point,)

　　運行WI-FI 傳感器網(wǎng)絡(luò )PC表演軟件,你可以在PC上,通過(guò)屏幕,看到通過(guò)WI-FI網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)來(lái)的傳感器信息, 如圖六所示。

　　　　　
　　　　　　　　　　　圖六   傳感器曲線(xiàn)實(shí)時(shí)顯示

          五/WI-FI無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)并不那樣神秘和困難 

　　從上面的簡(jiǎn)單介紹來(lái)看,只要你已經(jīng)熟悉ARM單片機和KEIL開(kāi)發(fā)環(huán)境和uCOS-II, 即使還對802.11無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )不是很熟悉,但是是借助完整的和強大的軟件開(kāi)發(fā)平臺和容易使用的無(wú)線(xiàn)WiFi SoC芯片, WI-FI無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)并不那么神秘和困難。