物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點和傳感器無線連接設(shè)計

從大量的邊緣節(jié)點，到云端分析和控制應(yīng)用，任何基于物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的業(yè)務(wù)模型都依賴可靠、安全的無線通信。 在面對基于微控制器的傳感器和致動器設(shè)計時，開發(fā)人員可以使用許多現(xiàn)成的 MCU 開發(fā)平臺和工具鏈。 在過去，提供無線通信很難實現(xiàn)。 由于區(qū)域性的無線監(jiān)管認可要求，使用或建立自己的驗證型無線協(xié)議堆棧的需要，以及完全射頻的復(fù)雜性，設(shè)計工程師經(jīng)常會采用預(yù)批準的無線模塊，而不是要挑戰(zhàn)性地構(gòu)建分立的設(shè)計。

新一代無線 MCU 和模塊可以滿足物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點和傳感器的無線連接和相對較低的計算需求，而且不需要額外的 MCU 主機。 這些無主機或單機式器件和模塊加快并簡化了整個設(shè)計過程。 然而，問題并不僅僅是要有能夠滿足開發(fā)人員需求的合適模塊可用。 在當今的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境下，嵌入式工程師沒有時間從頭開始了解模塊的完整功能。 而且，軟件驅(qū)動程序、代碼片段和評估平臺的可獲得性正慢慢變得與器件的功能同樣重要。 開發(fā)人員越快實現(xiàn)器件與云的通信，就越可能將器件投入市場并獲得商業(yè)上的成功。

其中一個成功的無線 MCU 實例就是 Texas Instruments 的 CC3200 SimpleLink? 系列。 SimpleLink 系列是一個由評估板、代碼實例和 SDK 組成的完整生態(tài)系統(tǒng)。 CC3200 提供多種封裝尺寸，集成了 ARM? Cortex?-M4 應(yīng)用微控制器（運行頻率為 80 MHz）與 802.11 b/g/n Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)處理器子系統(tǒng)。 這種次級子系統(tǒng)具有自己專用的 ARM MCU 內(nèi)核，可從應(yīng)用 MCU 卸除所有 Wi-Fi 通信堆棧。

圖 1：CC3200 硬件概覽框圖。

CC3200 針對基于電池的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計進行了優(yōu)化，包含許多其他功能，例如電池管理功能和一整套外設(shè)接口，包括 GPIO、UART、SPI、PWM 和 4 通道 12 位 ADC。 主要功能集如圖 1 所示。 CC3200 除了帶有 256 kB RAM，還具有一個 256 位硬件加密引擎，用于快速 AES、DES 和 3DES 加密以及 SHA2 和 MD5 驗證。 通過其自身的電源管理子系統(tǒng)及集成的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，它不僅能夠適用廣泛的電壓范圍，而且還能夠具有低功耗模式；最低功耗模式使器件進入休眠模式，而 RTC 仍然運行。 在此模式下，所需電流小于 4 μA。

圖 2：CC3200 嵌入式軟件概覽。

圖 2 顯示了 CC3200 的另一面，即器件嵌入式軟件功能。 Wi-Fi 子系統(tǒng)支持 Station、Access Point 和 Wi-Fi Direct 模式以及 WPA2 Personal 和 Enterprise 安全和 WPS 2.0。 片上嵌入了 TCP/IP、TLS/SSL 和 HTTP 服務(wù)器堆棧。

圖 3 全面展示了 CC3200 的功能，重點顯示了 GPIO 和外設(shè)接口、電源管理以及相對少量且必需的附加無源元件。

圖 3：CC3200 功能框圖。

當您研究器件的引腳復(fù)用功能時，就會理解 CC3200 的設(shè)計思想。 針腳復(fù)用是比較流行的在最小封裝尺寸內(nèi)納入大量外設(shè)接口功能的做法，它允許將外設(shè)集映射到特定引腳。 通過硬件配置和寄存器控制組合可以實現(xiàn)引腳復(fù)用。 此過程的完整信息和映射選項均可從 TI CC3200 規(guī)格書中找到。 為了幫助進行設(shè)計，TI 創(chuàng)建了一個針對各種不同應(yīng)用案例的推薦引腳復(fù)用配置表（圖 4）。 此方法在廣泛的應(yīng)用初期階段有助于使設(shè)計成型，從而充分利用外設(shè)集和可用的引腳分配。

CC3200 推薦引腳分配分組使用 - 實例(1)
家用安全高端玩具Wi-Fi 語音 ++ 工業(yè)傳感器標簽家用安全玩具Wi-Fi 語音 ++ 工業(yè)Wi-Fi 遙控，帶 7x7 小鍵盤和語音傳感器門鎖火警玩具，帶或不帶攝像頭工業(yè)家電工業(yè)家電智能插頭工業(yè)家電GPIO外部 32 kHz(2)外部 32 kHz(2)






外部 TCXO 40 MHz（-40 至 85°C）
攝像頭 + I2S (Tx 或 Rx) + I2C + SPI + SWD + UART-Tx + (App Logger) 2 GPIO + 1 PWM + *4 層覆蓋從 Hib 喚醒I2S（Tx 或 Rx）+ 1 Ch ADC + 1x 4 線 UART + 1x 2 線 UART + 1bit SD Card + SPI + I2C + SWD + 3 GPIO + 1 PWM + 1 GPIO，帶從 Hib 喚醒I2S（Tx 或 Rx）+ 2 Ch ADC + 2 線 UART + SPI + I2C + SWD + 2 PMW + 6 GPIO + 3 GPIO，帶從 Hib 喚醒Cam + I2S（Tx 或 Rx）+ I2C + SWD + UART-Tx + (App Logger) 4 GPIO + 1PWM + *4 層覆蓋從 Hib 喚醒I2S（Tx 和 Rx）+ 1 Ch ADC + 2x 2 線 UART + 1bit SD Card + SPI + I2C + SWD + 4 GPIO + 1 PWM + 1 GPIO ，帶從 Hib 喚醒I2S（Tx 和 Rx）+ 1 Ch ADC + UART（僅 Tx）I2C + SWD + 15 GPIO + 1 PWM + 1 GPIO ，帶從 Hib 喚醒I2S（Tx 和 Rx）+ 2 Ch ADC + 2 線 UART + SPI + I2C + 3 PMW + 3 GPIO，帶從 Hib 喚醒 + 5 GPIO SWD +4 Ch ADC + 1x 4線 UART + 1x 2線 UART + SPI + I2C + SWD + 1 PWM + 6 GPIO + 1 GPIO ，帶從 Hib 喚醒（針對外部 40 MHz TCXO）3 Ch ADC + 2 線 UART + SPI + I2C + SWD + 3 PWM + 9 GPIO + 2 GPIO，帶從 Hib 喚醒2 Ch ADC + 2 線 UART + I2C + SWD + 3 PWM + 11 GPIO + 5 GPIO，帶從 Hib 喚醒
引腳編號11 號引腳分配10 號引腳分配9 號引腳分配8 號引腳分配7 號引腳分配6 號引腳分配5 號引腳分配4 號引腳分配3 號引腳分配2 號引腳分配1 號引腳分配

圖 4：CC3200 推薦引腳復(fù)用配置。

如果希望在應(yīng)用中采用 CC3200 器件，可供選擇的開發(fā)選項很多。 除了針對應(yīng)用設(shè)計自己的 PCB，還可以選擇使用包含屏蔽式 CC3200 的 CC3200 模塊，其尺寸僅為 20.5 x 17.5 x 1.5 mm，在緊湊模塊上集成了無源元件、晶體和芯片天線。

在對 CC3200 模塊進行原型開發(fā)時，CC3200 LaunchPad XL 評估板（圖 5）很有幫助。 該評估板提供了用戶 LED、按鈕、加速計和溫度傳感器等多種器件選擇，通過 USB 可以直接連接到 PC，配套 JTAG 仿真功能可進行 Flash 編程。

圖 5：CC3200 LaunchPad XL 評估板。

TI 包含許多 SimpleLink 系列專用資源，包括產(chǎn)品頁、軟件開發(fā) Wiki 以及專門面向云生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴的頁面。 SimpleLink SDK 可以從 Wiki 下載，它提供了許多實例應(yīng)用、應(yīng)用源代碼和技術(shù)信息。 TI 推薦了許多受行業(yè)喜愛的 IDE，可與 SDK 一起使用，其中包括其 Code Composer Studio 和 IAR Workbench 工作臺。 也提供了 Include 和 header 文件，以及 GCC make 腳本和其他庫功能。 代碼實例文檔說明十分詳細，并提供應(yīng)用書面描述、關(guān)鍵可配置參數(shù)及其運行方式。 對于每個實例，包含了全套 C 語言源代碼和 header 文件。其中一個實例展示了 CC3200 與站點“openweathermap.org”進行通信，以請求某一城市的天氣情況，并將其顯示在連接的超級終端上。 圖 6 可看到這一輸出。

圖 6：CC3200 獲取天氣應(yīng)用輸出。

其他代碼實例包括 MQTT 客戶端/服務(wù)器應(yīng)用的實現(xiàn)、電子郵件演示和充分利用休眠模式的基于傳感器的設(shè)計。

雖然 CC3200 SDK 中提供的應(yīng)用實例專注于 C/C++ 的使用，但也有許多其它選擇。 其中一個就是 MicroPython。 MicroPython 基于 Python 3 解釋性編程語言，是一次成功資助 Kickstarter 活動的成果，是專門針對微控制器而優(yōu)化的語言。 MicroPython 的網(wǎng)絡(luò)就緒型版本完全支持 CC3200 器件，并且可以從其網(wǎng)站下載。

提供 Wi-Fi 通信功能的 CC3200 SimpleLink 方法和應(yīng)用處理器已在物聯(lián)網(wǎng)市場獲得廣泛支持。 IBM 的一個例子就是通過使用 MQTT 將 CC3200 LaunchPad 連接到 IBM Watson 物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)平臺。 其它云平臺生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴包括 Temboo 和 Xively。

另一個預(yù)認證型獨立式 Wi-Fi 模塊系列就是來自 Silicon Labs 的 Bluegiga WF121 系列（圖 7）。 與 CC3200 一樣，它包含兩個主要元器件，一個使用 Microchip PIC32 系列 32 位微控制器、運行頻率為 80 MHz 的應(yīng)用微控制器和一個符合 2.4 GHz 802.11 b/g/n 規(guī)范的無線電。 該系列的詳細信息以及參考指南和應(yīng)用實例可以在這里找到。

圖 7：Silicon Labs Bluegiga WF121。

主機與無線收發(fā)器之間的通信通過 UART、USB 或 SPI 進行，如圖 8 所示。 這也顯示了軟件架構(gòu)。 既然可以使用 BGLib ANSI C 主機庫為微控制器進行應(yīng)用編程，那么也可以使用 Bluegiga 的腳本語言 BGScript。 此語言基于 BASIC 形式的編程結(jié)構(gòu)，提供了一種簡易的方法來學(xué)習(xí)如何創(chuàng)建較為復(fù)雜、強大的應(yīng)用。 此語言提供了命令和函數(shù)，用于設(shè)置和管理無線鏈接、安全、數(shù)據(jù)傳輸以及與可用外設(shè)、GPIO、SPI、I2C 等設(shè)備進行交互。

圖 8：Bluegiga 軟件環(huán)境。

BGScript 還可在完全獨立的 Bluegiga 系列模塊之間使用，包括那些提供藍牙連接的模塊。 圖 9 展示了一段簡短的讀取模塊 ADC 的 BGScript 代碼實例。

圖 9：讀取 ADC 的 BGScript 實例

Bluegiga DKWF121 是一個用于 Wi-Fi 獨立設(shè)計原型開發(fā)的評估板，使用了 WF121 模塊。 該評估板包含了該模塊的所有可用引腳分配，使之易于連接到試驗設(shè)計。 所有 GPIO 引腳都安排在圍繞一個大的原型開發(fā)區(qū)域的焊盤上。 Digi-Key 網(wǎng)站上有一個有用的在線目錄頁，其中提供了有關(guān) DKWF121 的所有使用入門信息。

如前所述，Bluegiga 系列還包含獨立的藍牙模塊，如 BLE113。 使用 BGScript 的應(yīng)用開發(fā)目標針對小型電池供電型應(yīng)用和配件，提供了一種極其方便且易于使用的方法來建立鏈路并傳輸數(shù)據(jù)。 Bluegiga 產(chǎn)品系列得到了廣大的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員和專業(yè)創(chuàng)客社區(qū)的極力支持，這也使得有些程序庫開始支持其他開發(fā)語言（例如用于 Node.js 的 bglib 和用于 Python 的 bgapi_py）。 圖 10 展示了使用 Node.js 庫將輸入的藍牙數(shù)據(jù)解析為其獨立變量的簡易性。

圖 10：在 Bluegiga BLE113 模塊上使用 Node.js BGLib 庫解析藍牙輸入數(shù)據(jù)。

使用預(yù)認證無線模塊大大加快了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計速度，而使用獨立無線模塊則進一步簡化了整個設(shè)計過程同時減少了整體 BOM 成本。 研究此方法時，建議嵌入式工程師不僅要考慮硬件功能，還要考慮軟件工具的數(shù)量、編程語言的靈活性以及可獲得的應(yīng)用實例數(shù)。 采用此方法，獨立的物聯(lián)網(wǎng)器件可快速投入市場，節(jié)省了昂貴的設(shè)計資源和預(yù)算。