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無線傳感器網絡技術的應用分析及如何實現開發系統的設計

電子設計 ? 2019-11-14 08:04 ? 次閱讀

一、無線傳感器網絡技術應用廣泛,百花齊放

無線傳感器和傳感器網絡,是具有非常廣泛的市場前景,將會給人類的生活和生產的各個領域帶來深遠影響的新技術。美國的《技術評論》雜志在論述未來新興十大技術時,更是將無線傳感器網絡列為第一項未來新興技術,《商業周刊》 預測的未來四大新技術中,無線傳感器網絡也列入其中。

無線傳感器網絡有著十分廣泛的應用前景,在工業、農業、軍事、環境、醫療,數字家庭,綠色節能,智慧交通等傳統和新興領域有具有巨大的運用價值,無線傳感器網絡將無處不在,將完全融入我們的生活。圖一是無線傳感器應用示意。

無線傳感器網絡技術的應用分析及如何實現開發系統的設計

圖1 無線傳感器應用部分實例

由于無線傳感器和無線傳感器網絡巨大的市場和應用前景,所以目前全世界許多公司都推出了各自的無線傳感器網絡。這些技術百花齊放,各有千秋,但是這些技術之間,幾乎不能相互兼容和互通。

圖2是目前正在開發中的各種無線傳感器技術,從這個圖我們可以看到,不同的無線傳感器網絡,最終都是希望實現和互聯網的通訊,這可能是這些傳感器網絡最終交匯的通道。

無線傳感器網絡技術的應用分析及如何實現開發系統的設計

圖2目前全球開發中的部分無線傳感器網絡技術

二、如何選擇合適的無線傳感器技術

無線傳感器網絡系統的基本架構包括三部分,第一部分是無線收發芯片,其職責是將數字信息轉換為高頻無線信號傳送出去和將接收到的高頻無線信號恢復成數字信息。無線傳感器收發芯片而言,IEEE 802.15.4能為無線傳感器應用提供最佳方案,這是因為IEEE 802.15.4規范可能是主要且可能唯一的實用標準。目前全球有多家公司提供這方面的收發芯片。像TI公司的CC2420/CC2520等芯片都特別適用于鈕扣電池和低電能應用的低功耗特性。

實現一個典型的無線傳感器網絡節點和路由器,可以采用多芯片方案,如圖3所示,由一個無線收發芯片和一個微控制器(單片機)組成,微處理器可以采用低功耗的MSP430,無線芯片可以采用CC2520/CC2420等。

無線傳感器網絡技術的應用分析及如何實現開發系統的設計

圖3 典型的無線傳感器網絡節點或者路由器

隨著技術不斷發展,已經有越來越多的公司,將無線收發器芯片和微控制器和無線收發器做成了一個片上系統(SoC),例如TI公司采用8051內核的CC2430/CC2431等ZigBee無線單片機,隨著無線傳感器網絡對計算能力提高要求,最近Freescale公司也推出了ARM內核的32位ZigBee無線單片機。使用這些SoC無線單片機設計無線傳感器網絡,將使無線傳感器節點具有更小的體積,更低的功耗和更低的價格;TI公司在國內的技術合作伙伴深圳無線龍科技公司等,也同時提供這些芯片,開發工具的相關技術支持。

無線傳感器網絡構架第二部分是運行于單片機或者無線單片機內部的嵌入式軟件,也稱軟件協議棧(network stack),網絡堆棧有兩個職責。首先它必須要處理節點間的無線鏈接通信質量的頻繁變化和環境因數對無線通訊造成的干擾,具有對網絡自組織,自恢復的能力;網絡堆棧的第二個職能是要具有很強的路由算法能力,確保信息可靠高效地通過各種網絡拓撲(星狀/網狀等等)從源節點(如果現有,可以通過成百上千路由節點)發送到目標節點。確保通訊的實時性要求。

ZigBee聯盟是由眾多技術供應商和開發商組成的獨立標準組織。也是目前世界是最大的,基于IEEE 802.15.4平臺的網絡軟件協議棧標準提供聯盟。

該組織從ZigBee2004、ZigBee2006、ZigBee2007不斷發展,目前提供的兩個網絡棧是:ZigBee和ZigBee PRO。從使用角度看ZigBee堆棧很適合一般包含十到幾百個節點的小型網絡。而ZigBee PRO是ZigBee超集,它增加了一些功能,可對網絡進行擴展并更好地應對來自其他技術的無線干擾,而且可以適應更大型的網絡和具有更加可靠的路由通訊算法和無線通訊可靠性。

無線傳感器網絡構架第三部分應用軟件,這部分包括各種根據用戶現有開發的軟件代碼,這些代碼目前大部分是采用C語言來進行開發,可以之間以接口和API方式,調用軟件協議棧的功能。

在多種無線傳感器網絡技術中,我們認為采用802.15.4國際標準和ZigBee技術,作為我們設計無線傳感器系統的起步,有如下優點:

兼容一個全球化的可靠的國際標準。

可以通過TI、 Freescale這樣的大型芯片供應商。獲得穩定的無線收發芯片和無線單片機來源,也可以獲得免費的ZigBee協議棧和相關源代碼,降低開放門檻。能夠采用KEIL和IAR這樣的高性能軟件編譯調試環境,可以大大加快開放速度,縮短上市周期。

三、開始無線傳感器網絡系統設計準備些什么?

首先我們現需要進行一些知識準備,對無線傳感器網絡需要的技術和知識,進行準備,雖然可能我們已經熟悉單片機和相關軟件開發技術,但是無線收發器和無線SoC(無線單片機)還是有獨特的地方,而且IEEE802.15.4和ZigBee協議棧等,也是具有一定難度的知識領域;好在目前在無線傳感器網絡和無線單片機方面,已經有大量的技術書籍可供參考,圖四是一些無線傳感器相關技術書籍,對入門無線傳感器網絡可能開卷有益。

無線傳感器網絡技術的應用分析及如何實現開發系統的設計

圖四 無線傳感器網絡相關部分技術書籍

其次我們仍然需要一套容易使用的無線傳感器網絡(WSN)開發系統,這是因為:我們需要一套完整的軟件編譯開發平臺,包括IAR和KEIL的編譯調試環境,在線仿真器等必要的開發工具。

我們進入無線傳感器系統設計的難度重心,是盡快掌握無線傳感器網絡協議棧軟件使用,同時盡快進入相關應用軟件開發,所以我們需要一套已經完成高頻測試的無線節點,網關,路由器和無線模塊來進行硬件評估和運行我們的嵌入式應用軟件和協議棧軟件。

我們需要相關溫度,壓力,加速度,光線,濕度等傳感器接口到這個系統,方便我們系統設計。

我們在進入一個陌生的技術領域時,往往會有很多的困難,我們需要相應的技術支持和知識支持。

目前很多國內企業,都已經推出了各種無線傳感器網絡開發工具,圖五是國內企業深圳市無線龍科技公司的一種最新的,支持美國德州儀器TI CC2520無線收發器和TI的ZigBee2007/PRO協議棧無線傳感器網絡(WSN)開發系統的新產品,包括在線仿真器,PC GUI網絡監視控制軟件,相關源代碼無線傳感器網絡示范代碼包裝等,是快速進入無線傳感器網絡系統設計的可選擇國產工具之一。

無線傳感器網絡技術的應用分析及如何實現開發系統的設計

圖五 無線傳感器網絡開發系統

四、設計無線傳感器系統具體過程

當我們完成了上述的知識準備和相關開發工具準備后,我們就可以開始一個無線傳感器設計過程了,下面,我們以一個家庭節能無線傳感器網絡系統為實例,看看一個無線傳感器網絡的實際過程。家庭節能系統框圖如圖六所示。

無線傳感器網絡技術的應用分析及如何實現開發系統的設計

圖6 采用ZigBee網絡技術家庭節能系統

從圖我們看出,家庭中的電器,包括空調,洗衣機,冰箱等,構成一個典型的無線傳感器網絡,通過能源管理網關和安裝在戶外的無線轉發路由器,實時傳輸到能源公司電腦化管理網絡和數據庫,實現對家庭能源的管理。

設計任務包括設計嵌入到家電內部的無線傳感器網絡單元(無線節點),家庭無線顯示單元和家庭能源控制單元(無線節點或者無線路由器),能源管理網關(無線網關)等。

首先,我們采用深圳無線龍WSN無線傳感器開發系統平臺提供的多個無線SoC模塊(內含CC2430等無線單片機),下載TI ZigBee協議棧和聰明能源相關代碼,進行無線通訊效果,可靠性評估,該軟件包是有TI公司免費提供(經過無線龍工程師的實際測試和評估),可以免費用于技術開發,圖7是軟件結構。

無線傳感器網絡技術的應用分析及如何實現開發系統的設計

圖7 ZigBee智能源軟件包

使用強大的KEIL和IAR編譯開發環境,在線仿真器等調試工具,完全開源的ZigBee協議棧軟件,應該可以很快完成無線節點和路由器,網關的性能評估,通訊可靠性評估和ZigBee無線通訊代碼開發。

然后我們可以仍然直接使用這些無線SoC的模塊,添加我們的應用設計,例如LED和LCD顯示部分,可以顯示實時的電費是多少,家里有沒有能源浪費等。同時設計相關我們需要的控制電路,如開關控制,電機控制,以在需要時,對空調器等電器,進行節能控制。

由于在深圳無線龍提供的開發工具中,有一套網絡協議分析監視儀,我們可以在測試過程中,清楚的監視到各種在空氣中的傳輸的無線包裝內容,從而很快確定我們的無線通訊軟件代碼是否正確。

由于使用現成的高頻模塊,我們避免了在入門時涉及高頻技術的困難,而是將主要精力集中到最主要的方向,我們的應用代碼和我們的應用需要的硬件設計,這樣就大大加快了系統產品化的進度;對于客戶訂單中,產品最后使用的無線模塊,我們可以容易的找到OEM專業廠家來生產完成。如果一切順利,3-4個星期,這個ZigBee家庭節能系統,有希望完成。

責任編輯:gt


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使用無線傳感網絡實現智能機房環境監控系統的設計資料說明

使用WSN技術設計實現醫院病房環境監測系統的論文說明

實現了一套醫院環境監測系統,該系統采用TI公司的CC2530為核心芯片形成傳感節點和匯聚節點,傳感節....
發表于 10-18 16:13 ? 113次 閱讀
使用WSN技術設計實現醫院病房環境監測系統的論文說明

CC2530 用于 2.4 GHz IEEE 802.15.4 / RF4CE / ZigBee 的第二代片上系統解決方案

CC2530是適用于IEEE 802.15.4,Zigbee和RF4CE應用的真正片上系統(SoC)解決方案。它可以以非常低的總物料清單成本構建強大的網絡節點。 CC2530將領先的RF收發器的卓越性能與行業標準的增強型8051 MCU,系統內可編程閃存,8 KB RAM以及許多其他強大功能相結合。 CC2530有四種不同的閃存版本:CC2530F32 /64/128/256,分別具有32/64/128/256 KB的閃存。 CC2530具有多種工作模式,非常適合需要超低功耗的系統。工作模式之間的短轉換時間進一步確保了低能耗。 結合德州儀器(TI)業界領先的黃金單元狀態ZigBee協議棧(Z-Stack),CC2530F256提供了強大而完整的功能。 ZigBee解決方案。 結合德州儀器(TI)的黃金單元狀態RemoTI堆棧,CC2530F64及更高版本提供了強大而完整的ZigBee RF4CE遠程控制解決方案。 特性 RF /布局 2.4 GHz IEEE 802.15.4兼容RF收發器 出色的接收靈敏度 可編程輸出功率高達4.5 dBm 非常少的外部組件 異步網絡只需要一個單晶體 6 mm×6 mm QFN40封裝 適用于符合全球無線電規范的系統 - 頻率規定:ETSI EN 300 328和EN 300 440(歐洲), FCC CF...
發表于 11-02 19:33 ? 246次 閱讀
CC2530 用于 2.4 GHz IEEE 802.15.4 / RF4CE / ZigBee 的第二代片上系統解決方案

CC2531 用于 IEEE 802.15.4 和 ZigBee 應用的片上系統解決方案

CC2531是一款支持USB的真正片上系統(SoC)解決方案,適用于IEEE 802.15.4,ZigBee和RF4CE應用。它可以以低總物料清單成本構建USB加密狗或USB可升級網絡節點。 CC2531將領先的RF收發器的性能與業界標準的增強型8051 MCU,系統內可編程閃存,8 KB RAM以及許多其他強大功能相結合。 CC2531具有多種工作模式,適用于需要超低功耗的系統。操作模式之間的短轉換時間進一步確保了低能耗。 USB HID和CDC庫和示例的源代碼可從www.ti.com上的CC2531產品頁面下載。 結合業界領先的黃金單元狀態ZigBee協議棧(Z-Stack) )來自德州儀器,CC2531提供強大而完整的ZigBee USB加密狗或固件可升級網絡節點。 結合德州儀器的黃金單元狀態RemoTI堆棧,CC2531提供強大的ZigBee RF4CE遙控器 - USB加密狗或TV /STB實現的控制目標。 特性 RF /布局 2.4 GHz IEEE 802.15.4兼容RF收發器 出色的接收靈敏度 可編程輸出功率高達4.5 dBm 少數外部組件 異步網絡只需要單個晶體 6毫米×6毫米QFN40封裝 適用于符合全球無線電頻率規定的系統:ETSI EN 300 328和EN 300 440(歐洲)...
發表于 11-02 19:33 ? 111次 閱讀
CC2531 用于 IEEE 802.15.4 和 ZigBee 應用的片上系統解決方案

CC2520 二代 2.4GHz ZigBee/IEEE 802.15.4 射頻收發器

CC2520是TI針對2.4 GHz免許可ISM頻段的第二代ZigBee?/IEEE 802.15.4 RF收發器。該芯片通過提供最先進的選擇性/共存性,出色的鏈路預算,高達125°C的工作溫度和低電壓工作,實現了工業級應用。此外,CC2520還提供廣泛的應用硬件支持幀處理,數據緩沖,突發傳輸,數據加密,數據認證,空閑信道評估,鏈路質量指示和幀定時信息。這些功能可降低主控制器的負載。 在典型系統中,CC2520將與微控制器和一些額外的無源元件一起使用。 特性 申請 IEEE 802.15.4系統 ZigBee?系統 工業監控 家庭和樓宇自動化 自動抄表 低功耗無線傳感器網絡 機頂盒和遙控器 消費類電子產品 主要特點 最先進的選擇性/共存相鄰信道抑制:49 dB 備用信道抑制:54 dB 出色的鏈路預算(103dB) 400 m視距范圍 擴展溫度范圍(? ?40至+ 125°C) 寬電源范圍:1.8 V ?? 3.8 V 廣泛的IEEE 802.15.4 MAC硬件支持卸載微控制器 AES-128安全模塊 CC2420接口兼容模式 低功率 RX(接收幀,?? 50 dBm)18.5 mA TX 33.6 mA @ +5 dBm TX 25.8 mA @ 0 dBm 設備齊全的開發套件 硬件中的數據包嗅探器支持 ZigBee?是Z...
發表于 11-02 19:33 ? 42次 閱讀
CC2520 二代 2.4GHz ZigBee/IEEE 802.15.4 射頻收發器

CC2592 2.4GHZ 射頻范圍擴展器

CC2592器件是一款針對低功率和低壓2.4GHz無線應用的經濟高效且高性能的RF前端。 CC2592器件是一款針對德州儀器(TI)所有CC25XX 2.4GHz低功率RF收發器,發射器和片上系統產品的范圍擴展器。 為了增加鏈路預算,CC2592器件提供一個可增加輸出功率的功率放大器,以及一個具有低噪聲系數的LNA,以提升接收器靈敏度。 CC2592器件提供一個極小尺寸,高輸出功率RF設計,此設計采用4mm x 4mm四方扁平無引線(QFN)-16封裝。 CC2592器件包含高性能無線應用簡單設計所需的PA,LNA,開關,RF匹配和不平衡變壓器。 特性 與德州儀器(TI)2.4GHz低功率RF器件的無縫對接 + 22dBm輸出功率 CC2520,CC253X和CC85XX上3dB典型經改進靈敏度 極少的外部組件 集成開關 集成匹配網絡 集成不平衡變壓器 集成電感器 集成功率放大器(PA) 集成低噪聲放大器(LNA) 通過HGM端子的LNA增益數字控制 斷電時(LNA_EN = PA_EN = 0),電流100nA 低發送流耗 對于+ 22dBm,PAE = 34%,電壓3V時的電流為155mA 低接收流耗 針對高增益模式的4.0mA電流 針對低增益模式的1.9mA電流 4.7dB L...
發表于 11-02 19:32 ? 77次 閱讀
CC2592 2.4GHZ 射頻范圍擴展器

CC2538 用于 2.4GHz IEEE 802.15.4-2006 和 ZigBee 應用的強大片上系統

CC2538xFnn是適用于高性能ZigBee應用的理想無線微控制器片上系統(SoC)。該器件包含基于ARM Cortex M3的強大的MCU系統,具有高達32KB的片上RAM和高達512KB的片上閃存以及可靠的IEEE 802.15.4射頻功能。這使得該器件能夠處理涉及安全性,要求嚴格的應用程序以及無線下載的復雜網絡協議棧.32個通用輸入和輸出(GPIO)以及串行外設接口可實現到電路板其它部分的簡單連接。強大的硬件安全加速器可在CPU處理應用任務的同時實現快速且高效的認證和加密。具有保持功能的多個低功耗模式可實現從休眠狀態快速喚醒并且顯著降低執行順期平穩開發,CC2538xFnn包括一個強大的調試系統和一個綜合性驅動器庫。為了減少應用閃存封裝尺寸, CC2538xFnn ROM包含一個實用功能庫和一個串行引導加載器.CC2538與T我免費提供的穩健且全面的Z-Stack軟件解決方案搭配使用,可提供市場上功能最強大,最穩定的ZigBee解決方案。 特性 微控制器 強大的ARM Cortex-M3,具有代碼預提取功能 高達32MHz的時鐘速度 512KB,256KB或128KB系統內可編程閃存 支持片上無線升級(OTA) 支持雙Zigbee應用配置 高達32KB的RAM(...
發表于 11-02 19:32 ? 117次 閱讀
CC2538 用于 2.4GHz IEEE 802.15.4-2006 和 ZigBee 應用的強大片上系統

CC2533 用于 2.4GHz IEEE 802.15.4 和 ZigBee 應用的真正的片上系統解決方案

CC2533是基于IEEE 802.15.4的遠程控制系統的優化片上系統(SoC)解決方案。當用作靈活的SoC時,它可以以低物料成本構建單芯片遙控器。當在RemoTI RF4CE堆棧的無線網絡處理器配置中使用時,它還提供了將RF4CE功能添加到設備或目標的簡單路徑。可以以非常低的總物料清單成本構建強大的網絡節點。 CC2533將領先的RF收發器的卓越性能與單周期8051兼容CPU相結合,最高可達96 KB - 系統可編程閃存,高達6 KB RAM,以及許多其他強大功能。 CC2533具有高效的功耗模式,RAM和寄存器保持低于1μA,非常適合需要超低功耗的低占空比系統。工作模式之間的短轉換時間進一步確保了低能耗。 結合德州儀器的黃金單元狀態RemoTI堆棧,CC2533提供了強大而完整的ZigBee RF4CE遠程控制解決方案。它也非常適合在具有SPI /UART /I 2 C接口的網絡處理器配置中實現遠程控制系統的目標端。 CC2533配有參考設計和實現遠程控制系統的示例軟件,以確保高效的設計。 CC2533有三種內存大小配置: CC2533F32 - 32 KB閃存,4 KB RAM CC2533F64 - 64 KB閃存,4 KB RAM CC2533F96 - 96 K...
發表于 08-21 18:44 ? 502次 閱讀
CC2533 用于 2.4GHz IEEE 802.15.4 和 ZigBee 應用的真正的片上系統解決方案
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