无线传感器部署的连接性架构和协议选项

　　随着越来越多的人接受基于云的基础设施监视和控制的概念，芯片和模块制造商正在逐步向平板电脑提供点对点、聚合和网状网络连接，用于分布式传感器和远程访问。
　　这些高层建筑模块让工程师和公司能够以比以往更快的速度创建和引入产品。这里不再需要研究和学习几个100页以上的网络拓扑规范的复杂性。不再需要重复PCB布局和调整组件值，以找到最佳的组合，最大限度地提高性能，同时最小化空间、权力和成本。
　　更重要的是，在完成的OEM和eval模块/组件之间有一种紧密的联系，让您参考一个预先开发的设计，修改它，做一些实验，并在您的约束系统中复制结果。在大多数情况下，通信和协议栈的源代码是可用的(通常在NDA下)，这样您就可以修改OEM设备的本机功能，并且经常共享相同的处理器。
　　本文将介绍无线传感器领域的几个新条目，以及支持它们的开发工具包和演示单元。它讨论了关于连接体系结构和协议的一些选择，并讨论了每个解决方案的优缺点。这里所引用的所有部件、数据表、教程和开发系统都可以在电子密钥网站上找到。

　　体系结构的选择
　　每一个新的产品理念都有它自己的约束。所采用的构建块标准将决定协议、频带、调制技术等。然而，快速扩张的推动将所有东西放到网上的多样化需求会使我们很难知道哪一种解决方案是最好的;如果你打得够狠的话，你可以在一个圆洞里装一个方形木栓。然而，一个流线型和优雅的解决方案总是首选。
　　简单的传感器和执行器在接近和独立于任何网络存在的情况下，可以利用低成本的窄带传输方案。这可以包括非网络警报系统、视频链接、能源管理系统(比如在偏远地区的太阳能跟踪)等等。
　　这些架构通常可以是点对点、主从、对等点或客户机-服务器架构，只要它们相对简单。保持协议的简单性允许低成本的微控制器，通常不包含处理能力和内存资源来管理更高级别的网络功能，如动态重路由和数据完整性验证。安全性也是一个问题，许多简单的处理器不包括加密功能。点到点的好处是，您可以很容易地创建自己的通信链接，因为它们非常简单，而且开销很小。
　　然而，更多的应用，如环境传感、动物跟踪、交通传感器、威胁探测器(化学、辐射、生物)，以及更多的应用正在创建更大的网状网络，需要更高的处理能力和资源。目标是找到通往web的方法，而动态网格体系结构可以在中间节点退出时组织到访问点。这允许进行云连接和远程处理。

　　无线个域网
　　ZigBee的一些协议和部件本质上是一个从盒子里出来的mesh网络体系结构。一些低成本和低功耗收发器芯片外围像Atmel AT86RF233-ZUR很适合需要低功耗的无线传感器2.4 GHz无线个域网(或RF4CE或6 lowpan),连接(图1)。作为一个SPI-accessed附加的外围芯片,它支持2兆比特/秒的数据速率,可以由任何外部处理器。它也可以放置在离处理器更远的地方，可能提供更好的接收和更少的本地噪音。
　　Atmel ZigBee AT86RF233-ZUR。


　　图1:Bolt-on收发芯片可以非常全面和完整，但是供应商提供的代码可能需要移植到您的设计中使用的特定外部处理器。
　　另一方面，ZigBee解决方案是一种软件密集型解决方案，需要比一些更简单的协议进行更多的处理。内置的仲裁和网格重新路由功能和表可能对部署在非常大的区域的非常大的网络非常有利。
　　如果您不使用Atmel处理器，您可能需要将堆栈软件移植到您所选择的特定微控制器的资源和架构上。详细介绍了IEEE 802.15.4低功耗无线网络产品培训模块的介绍。
　　因此，带有嵌入式微处理器的单片机常常为集成解决方案提供最佳的软件质量耦合。这可以帮助加速设计和测试。举个例子，想想Freescale Kinetis W系列带芯片收音机的MCUs。该系列产品包括MKW01Z128CHN 1ghz单片机和ARM Cortex-M0处理器，可用于UHF和VHF 300 MHz至1ghz频段。它的表弟，Freescale KW2x系列将它提升到一个更强大的ARM Cortex-M4处理器，它具有更多的闪存、RAM和USB。像MKW22D512VHA5这样的部件将高性能、低功耗的处理器和良好的混合信号(12位A/D、16位D/A、芯片模拟比较器)和完全兼容的2.4 GHz 802.15.4(管理ZigBee)标准相结合(图2)。
　　飞思卡尔MKW22D512VHA5图


　　图2:集成在单片机内的高性能低功率处理器可以提供硬件和软件之间最紧密的耦合，特别是与供应商提供的协议栈软件。高性能混合信号功能、加密和高级调试接口的优点是其他关键特性。

　　时间储蓄
　　全面、灵活和模块化的开发系统，如飞思卡尔塔系统开发平台，对于一个成功的设计来说是非常重要的。这些开发系统可以允许早期测试和加速设计。更重要的是，这样的综合开发环境也允许供应商提供其他技术的集成。然而，在无线电方面，没有什么比完全功能的OEM解决方案更快。
　　将设计转移到生产的最快方式是模块化和OEM形式，再加上灵活的开发环境。以Digi International的XKA2C-Z7T-U ZigBee-to-cloud开发系统为例。
　　这个工具包包括一个Xbee网关、一个Pro模块和一个开发板。它准备测试低功率，
4000
远程控制，以及基本温度传感器和电位计的访问。led、蜂鸣器和I/O线也可用于数字I/O。一个云工具包视频显示了如何使用公司的Xbee版本的ZigBee控制街灯。

　　直接连接到云
　　随着Wi-Fi在全球范围内的普及和普及，有可能使设备与云直接连在一起。Wi-Fi芯片和模块是这类系统的最佳选择。在许多传感器系统中，尺寸通常很重要，而且越小越好。3.3 V的通用Econais EC19W-R2 Wi-Fi IoT模块声称是世界上最小的包含嵌入式天线的模块(c锁定在16毫米x14毫米x2.8毫米)。
　　作为WiSmart系列的收发器和开发系统的成员，它们在独立应用程序中使用无主机模式，并且使用基于命令集的方法来使用非常有用的UART或spito - wi - fi功能。低功率集成的32位处理器支持点对点客户端和组主模式，并具有高达20 Mbits/sec (UDP)或13 Mbits/sec (TCP-STP)的令人印象深刻的数据速率。
　　允许快速测试和开发的关键因素是Econais EC19W01DK，它利用了模块的完整TCP/IP堆栈和软ap功能。云集成服务是内置的，因此这些部件非常适合直接连接到后端服务器、数据存储器或远程控制机器。
　　另一个功能齐全的wi - fi surface-mountable模块是通过日本村田公司之间的伙伴关系和电动小鬼。村田lbwa1zv1cd - 716无线网络控制器与软件公司意法半导体STM32F405 32位ARM Cortex-M4处理器可编程和使用的LBWA1ZV1CD-TEMP-A开发评价和测试(图3)。这两个数字I / O,以及模拟功能,机上包括一个加速度计,音频,颜色传感、温度传感、等等。
　　Murata电子lbwa1zv1cd - tempa的图像。


　　图3:模块化的测试平台有助于快速开发新板和OEM版本，以便快速上市。
　　通过分布式处理减少吞吐量需求。
　　当传感器阵列部署在特定区域时，使用中心位置的集线器将它们聚合起来更有效。这允许更好的范围，因为端到端距离加倍，并且允许中心进行一些基本的处理，这样可以减少发送到云的数据量。在这种情况下，使用Wi-Fi将会造成不必要的拥挤，而聚集器通常会使用相同的频带和协议。这意味着像蓝牙低能量这样的协议和标准在分布式无线传感器的世界中占有一席之地。
　　来自Anaren的智能蓝牙模块包括集成无线电(AIR)模块，如A20737AGR。这些是低成本的表面安装无线电模块，直接针对无线传感器。关键是公司的多传感器开发工具包(MSDK)。混合信号传感器，如加速度计、磁控器、温度传感器等，以及一个叫做“大气”的在线开发工具，可以让设计师创建代码，让蓝牙与智能移动设备连接。
　　基于蓝牙的基于CSR的开发工具包(如DB-CSR1010-10185-1A)也可以使用个人电脑、智能手机或平板电脑作为聚合或控制潜在的数百个蓝牙“智能物件”的手段，单独或同时进行。CSR Mesh网络工具包使用一个简单的直接连接方案，不需要集线器、路由器或其他访问点引导设备。这可以允许蓝牙分布式传感器使用基于蜂窝的聚合器，而不是基于wi - fi的聚合器来直接连接到基于云的后端服务。每个模块可以在底层网络管理任务之上运行自己的应用程序(图4)。
　　用户应用程序层的图像。


　　图4:用户应用程序层在专用的芯片固件控制的无线通信管理之上。
　　还有其他的协议和部分的目标是分布式无线传感器阵列，既支持网络又孤立。不要低估新协议和新乐队开放的可能性。今天，良好支持的设备和模块已经准备好使用和资源，以帮助加速学习、原型、认证和调试您的设计。
　　最重要的是，分布式封闭和云连接的物联网传感器阵列将变得更加常见。正如我们所讨论的，有几个不错的选择和选项可以让您快速测试和部署这些系统。数据正在等待收集。