如何利用最新無線SoC芯片實現(xiàn)微功耗WiFi傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

一 WiFi 無線傳感器傳感器網(wǎng)絡(luò)廣闊的應(yīng)用前景

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在檢測區(qū)域內(nèi)的大量、廉價、微型、節(jié)能傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式自我形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其主要目的是協(xié)同地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)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(xiàn)實世界的信息。如果說互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)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，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變?nèi)祟惻c自然界的交互方式。

無線傳感器網(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)評論列為全球未來的三大高科技產(chǎn)業(yè);

和目前國內(nèi)已經(jīng)比較普及的802.15.4標準和ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)比較，WiFi /IEEE 802.11b/g網(wǎng)絡(luò)是更成熟的技術(shù)，在設(shè)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)能夠非常方便的實現(xiàn)和已經(jīng)安裝在企業(yè)和家庭中的網(wǎng)絡(luò)進行無縫連接,而且還應(yīng)具有更好的安全性.

當WiFi /IEEE 802.11b/g 的無線網(wǎng)絡(luò)信號,在不遠的將來,像一片片”無線云彩”一樣覆蓋我們的每一個”無線城市”的上空和覆蓋我們每一個家庭,每一個商業(yè)樓宇上空的時候,下列的圖畫將變?yōu)楝F(xiàn)實:

圖一中可見: 千家萬戶家庭中的各種電表,水表,煤氣表內(nèi)的低功耗無線WiFi SoC,通過WI-FI無線網(wǎng)絡(luò),以很低的功耗,和供電公司等能源通過者保持著網(wǎng)絡(luò)實時聯(lián)系 ,家庭內(nèi)的數(shù)字顯示系統(tǒng),會通知你,何時能源價格最低,你可以使用低價格能源付費,同時,如果你的能源設(shè)備出現(xiàn)問題,能源公司也會第一時間搶修;

繳費和抄表,更是全自動中通過無線完成…..

圖二中可見:  都市林立的商業(yè)大樓內(nèi)部,數(shù)以萬計的工作無線傳感器,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 無線SoC為核心的節(jié)點進行自動無線連接,中心控制系統(tǒng),根據(jù)這些無線傳感器的大量的信息,調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng),監(jiān)控大樓安全,是商業(yè)大廈更安全,更節(jié)能….

圖三中可見: 巨大的物流倉庫,大型貨車,鏟車,來來往往, 每件貨物上,都安裝了具有定位功能的無線WiFi SoC芯片,通過倉庫內(nèi)已經(jīng)廣泛布設(shè)的802.11無線網(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  無線傳感器傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域包括各種無線傳感器，無線實時定位網(wǎng)絡(luò)，射頻識別(RFID) 網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)，安全監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)等等,具有非常廣闊的應(yīng)用前景和商業(yè)前景;

二 選擇合適的無線WiFi SoC (單片機)

長期以來,雖然802.11標準已經(jīng)成為了全球無線網(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線連接和其他高速無線連接應(yīng)用,其實,無線技術(shù)和SoC技術(shù)的演進,近年來,已經(jīng)出現(xiàn)了下面提到的多個適合于低功耗應(yīng)用的WiFi 無線SoC芯片,我們只是需要對其進行選擇,就可以用于我們自己的WiFi  無線傳感器傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計;

G2 Microsystems  公司開發(fā)的 G2C501, 是一個推出較早的超低功耗IEEE 802.11 (Wi-Fi) 芯片 (SoC) , 見圖一所示, 該芯片內(nèi)部集成了802.11無線芯片和基帶芯片,包括了一個32位MCU和80KB SRAM+320KB ROM, 并且具有125K無線喚醒和支持ISO 24730-2 無線定位的硬件功能;

G2C501 片上系統(tǒng)

圖一   G2C501 片上系統(tǒng)

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)), 這個以兩個經(jīng)典ARM7微控制器器為內(nèi)核的32位“ARM射頻SoC (ARM無線片上系統(tǒng)), 將兩個ARM7 32位微處理器，384K閃存，224k SRAM多種外圍電路，A/D，RTC和802.11無線芯片等全部設(shè)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)，實現(xiàn)了Wi-Fi系統(tǒng)的單片機化,無線化，微型化，使設(shè)計者可以采用GS1010單片機來設(shè)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(yīng)用產(chǎn)品。

同時, 該芯片功耗非常低，GS1010能夠確保在一節(jié)AA電池供電下長達5～10年的使用時間(具體時間取決于不同應(yīng)用中的喚醒間隔)。

GS1010芯片內(nèi)部框圖見圖二所示;

GS1010 WI-FI 無線 SoC框圖

圖二  GS1010 WI-FI 無線 SoC框圖

以上兩種WI-FI無線芯片,各有千秋,針對不同的應(yīng)用,有各自不同的技術(shù)特點,但是GS1010由于內(nèi)置384K FLASH ,所以不需要任何外部芯片,就可以構(gòu)成一個完整的應(yīng)用系統(tǒng),更像一個正真的單片機, 而且使用大家比較熟悉的ARM7結(jié)構(gòu),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發(fā)ARM單片機應(yīng)用,容易入門開發(fā)等, 所以, 我們在下面的討論中,采用GS1010作為我們使用的無線SoC;

三/選擇合適的開發(fā)系統(tǒng)

由于GS1010無線WiFi SoC芯片,實際上也是一個典型的微控制器芯片,國內(nèi)也習(xí)慣稱為ARM單片機, 和其他ARM單片機開發(fā)一樣, 用戶需要設(shè)計自己的 WiFi應(yīng)用產(chǎn)品,必然需要一套開發(fā)平臺來實現(xiàn)代碼編譯,下載,調(diào)試(DEBUG) 和測試等功能;

根據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)上搜索的結(jié)果,目前發(fā)現(xiàn)的開發(fā)GS1010的開發(fā)平臺只有兩種,一種是GainSpan公司原廠生產(chǎn)的軟件開發(fā)包裝:GS1010-SDK, 見圖三;

圖三 GS1010-SDK

另一種是GainSpan公司中國戰(zhàn)略合作伙伴深圳/成都無線龍通訊科技公司聯(lián)合開發(fā)的ARMRF-GS1010-PK軟件開發(fā)平臺,見圖四;

圖四 ARMRF-GS1010-PK開發(fā)系統(tǒng)

兩套開發(fā)系統(tǒng)各有技術(shù)特點, 適合于不同應(yīng)用, 表一是兩套開發(fā)平臺主要技術(shù)參數(shù)比較表:

表一 : GS1010開發(fā)平臺主要參數(shù)比較

從上面比較我們可以看出,GS1010-SDK優(yōu)點是采用了GREEN HILLS的高檔開發(fā)環(huán)境和RTOS,比較適合歐美市場高端客戶,缺點是價格較高;

ARMRF-GS1010-PK ,采用了國內(nèi)比較熟悉的KEIL ARM 平臺和uCOS-II作為 RTOS, 并且開發(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,為開發(fā)GS1010和無線傳感器網(wǎng)絡(luò),提供了新的選擇;

四/代碼開發(fā)和初步測試

設(shè)計WiFi 無線傳感器傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用,首先是代碼設(shè)計,開發(fā)系統(tǒng)中的嵌入式傳感器節(jié)點軟件包,提供了所需要全部相關(guān)源代碼,如果你是設(shè)計一個將各種傳感器的物理量,如溫度,光度,按一定時間間隔傳送的802.11網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng),你只需要先打開下面的工程文件: (見圖五)

圖五:無線傳感器嵌入式節(jié)點軟件工程文件

對于熟悉ARM單片機開發(fā)的工程師而言,這是一個大家都非常熟悉的畫面,你可以從頂層開始,對相關(guān)ARM 源代碼進行修改,包括改變傳送間隔,增加傳感器類型,增加控制外設(shè)等等,58個簡單和容易使用的API包括了對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和WI-FI網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娜靠刂乒δ堋?, 完成這些修改和增加代碼后,你可以輕松進行編譯,下載到多個開發(fā)板GS1010芯片 FLASH 內(nèi)部和進行調(diào)試,并實際運行….;

完成節(jié)點軟件初步測試后,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,通過屏幕,看到通過WI-FI網(wǎng)絡(luò)無線傳輸過來的傳感器信息, 如圖六所示;

圖六   傳感器曲線實時顯示

五/WI-FI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)并不那樣神秘和困難

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