无线传感器部署的连接架构和协议的解决方案对比-电子发烧友网

随着越来越多的人接受基于云的连接基础设施监控的概念，芯片和模块制造商正在加紧努力，为分布式传感器和远程访问引入点对点，聚合和网状网络连接。

这些更高级别的构建模块允许工程师和公司以比以往更快的速度创建和推出产品。不再需要研究和学习几个100页以上网络拓扑规范的复杂性。不再需要重复PCB布局和调整元件值，以找到最佳组合，最大限度地提高性能，同时最大限度地减少空间，功耗和成本。

此外，完成的OEM和评估模块/工具包之间存在紧密的关系，可让您参考预先开发的设计，修改它，进行一些实验，并在受约束的系统中重现结果。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），因此您可以修改OEM设备的本机功能，并且通常共享相同的处理器。

本文介绍了无线传感器领域的几个新条目以及支持它们的开发套件和演示单元。它讨论了我们可以在连接架构和协议方面做出的一些选择，并研究了每个解决方案的优缺点。

架构选择

每个新产品创意都带有它自己的一套限制。现有的构建模块标准将规定协议，频段，调制技术等。然而，迅速扩大推动将所有内容放到网上的多样化需求使得很难知道哪种具体解决方案最好;如果你足够坚硬，你可以在一个圆孔中放一个方形钉。但是，始终首选优化的流线型优雅解决方案。

简单的传感器和执行器在附近起作用，并且独立于任何网络存在，可以利用低成本的窄带传输方案。这可以包括非网络启用的警报系统，视频链接，能源管理系统（如偏远地区的太阳能跟踪）等。

这些体系结构通常可以是点对点，主从，对等或客户端 - 服务器体系结构，只要它们相对简单即可。保持协议简单允许通常不包含处理能力和内存资源的低成本微控制器来管理更高级别的网络功能，如动态重新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。点对点的好处是您可以轻松创建自己的通信链接，因为它们非常简单并且开销很小。

然而，更多的应用程序，如环境感应，动物跟踪，交通传感器，威胁探测器（化学，辐射，生物）等等正在创造更大的网状网络，需要更高水平的处理能力和资源。目标是找到通往Web的方式，当中间节点退出时，动态网格体系结构可以编织到接入点。这允许进行云连接和远程处理。

的ZigBee

ZigBee的一些协议和部件本身就是一种开箱即用的网状网络架构。 Atmel AT86RF233-ZUR等几款低成本，低功耗的外设收发器芯片是需要低功耗2.4 GHz ZigBee（或RF4CE或6LoWPAN）连接的无线传感器的理想选择（图1）。作为SPI访问的螺栓固定外围芯片，它支持高达2 Mbit/sec的数据速率，几乎可以由任何外部处理器驱动。它也可以放置在远离处理器的地方，可能提供更好的接收效果和更少的局部噪声。

无线传感器部署的连接架构和协议的解决方案对比

图1：螺栓固定的收发器芯片可以是非常全面和完整，但供应商提供的代码可能需要移植到您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益。

如果您不使用Atmel处理器，则可能需要移植堆栈软件以使用您选择的特定微控制器的资源和架构。详细信息在IEEE 802.15.4低功耗无线网络产品培训模块简介中提供。

因此，带有嵌入式微处理器的单芯片无线电通常可以提供与集成解决方案软件的最佳质量耦合。这有助于显着加快设计和测试速度。例如，考虑带有片上无线电的飞思卡尔Kinetis W系列MCU。该系列具有MKW01Z128CHN 1 GHz单芯片无线电和ARM Cortex-M0处理器等部件，可用于UHF和VHF 300 MHz至1 GHz频段。其表兄飞思卡尔KW2x系列将其扩展为功能更强大的ARM Cortex-M4处理器，同时具有更多闪存，RAM和USB。 MKW22D512VHA5等部件结合了高性能，低功耗处理器和良好的混合信号（12位A/D，16位D/A和片上模拟比较器）功能以及完全兼容的2.4 GHz 802.15。 4（管理ZigBee）标准（图2）。

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图2：集成在单芯片无线电中的高性能低功耗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势是其他关键特性。

节省时间

全面，灵活和模块化开发系统，如因为飞思卡尔塔式系统开发平台对于成功的设计非常重要。这些开发系统可以实现早期测试和加速设计。更重要的是，像这样的综合开发环境还允许集成供应商可能提供的其他技术。然而，就收音机而言，没有什么比全功能的OEM解决方案更快。

将设计转移到生产环境的最快方式是模块化和OEM形式，以及灵活的开发环境。以Digi International的XKA2C-Z7T-U ZigBee到云开发系统为例。

该套件包括Xbee网关，Pro模块和开发板。它可以测试低功耗，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. Cloud Kit视频展示了如何使用公司的Xbee版ZigBee控制路灯。

直接连接到云

随着Wi-Fi的公开和广泛可用性成为全球趋势，存在使设备直接连接到云的可能性。 Wi-Fi芯片和模块是这些类型系统的最佳选择。对于许多传感器系统，尺寸通常很重要，而尺寸越小越好。 3.3 V通用Econais EC19W-R2 Wi-Fi物联网模块声称是世界上最小的独立模块，带有嵌入式天线（时钟频率为16 mm x 14 mm x 2.8 mm）。

作为WiSmart系列收发器和开发系统的成员，它们具有独立应用的无主机模式，以及使用命令的非常有用的UART或SPI到Wi-Fi功能基于集的方法。低功耗集成32位处理器支持点对点客户端和组所有者模式，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。内置云集成服务，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表面贴装模块来自村田与电力IMP合作。带有软件的Murata LBWA1ZV1CD-716 Wi-Fi网络控制器包含STMicroelectronics STM32F405 32位ARM Cortex-M4处理器，可使用LBWA1ZV1CD-TEMP-A进行编程和开发，用于评估和测试（图3）。数字I/O以及模拟功能都包含在内，包括加速度计，音频输入和输出，色彩感应，温度感应等。

图3：模块化测试平台有助于快速开发新的电路板以及OEM版本，以加快产品上市速度。

通过分布式处理降低吞吐量需求

当传感器阵列部署在特定区域上时，使用位于中心的集线器聚合它们会更有效。这允许更好的范围，因为端到端距离加倍，并允许集线器进行一些基本处理，这可以减少发送到云的数据量。在这种情况下，在任何地方使用Wi-Fi只会在聚合器通常使用的相同频段和协议上造成不必要的拥挤。这意味着蓝牙低功耗等协议和标准在分布式无线传感器领域占有一席之地。

Anaren的智能蓝牙模块包括A20737AGR等集成无线（AIR）模块。这些是直接针对无线传感器的低成本表面贴装无线电模块。关键是该公司的多传感器开发套件（MSDK）。包括加速度计，磁性体，温度传感器等混合信号传感器，名为Atmosphere的在线开发工具可让设计人员创建代码，以便将蓝牙连接到智能移动设备

基于蓝牙网格的开发套件像CSR这样的CSR-CSR1010-10185-1A也可以使用PC，智能手机或平板电脑作为单独或同时聚合或控制潜在数百种蓝牙“智能物品”的手段。 CSR Mesh网络套件使用简单的直接连接方案，不需要集线器，路由器或其他接入点引导设备。这可以允许蓝牙LE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。每个模块都可以在较低级别的网络管理任务之上运行自己的应用程序（图4）。

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