傳感器的無線連接與應(yīng)用

對數(shù)據(jù)的渴望似乎取之不盡，用之不竭。從汽車燃油系統(tǒng)的氧氣水平到后院的雨水位，嵌入式系統(tǒng)和傳感器始終監(jiān)控我們周圍的一切。

直到最近，所有監(jiān)控都通過有線連接進(jìn)行。探頭和傳感器直接連接到電子或機(jī)電控制系統(tǒng)，監(jiān)控和記錄數(shù)據(jù)，或用于控制過程。

由于無線連接的費(fèi)用和復(fù)雜性意味著這種類型的遙測只能用于軍事，工業(yè)或空間應(yīng)用，因此只能通過無線嘗試最關(guān)鍵或最苛刻的任務(wù)。然而，無線技術(shù)已經(jīng)蓬勃發(fā)展到我們現(xiàn)在每天與眾多無線傳感器交互的可能性。

簡單發(fā)送

雖然特定要求將決定給定的應(yīng)用程序，但在實(shí)現(xiàn)基于傳感器的設(shè)計(jì)時(shí)，基本上有三種架構(gòu)選擇。這些是中斷，輪詢和時(shí)間分片?；谥袛嗟南到y(tǒng)將僅在發(fā)生觸發(fā)事件時(shí)發(fā)送，輪詢系統(tǒng)將僅在被詢問時(shí)報(bào)告，并且時(shí)間分片系統(tǒng)將以預(yù)定間隔報(bào)告。簡單的僅發(fā)送傳感器架構(gòu)將這些選擇限制為中斷或時(shí)間分片。

在最簡單的層面上，傳感器和閾值限制檢測器僅向監(jiān)控系統(tǒng)通知狀況。這可用于報(bào)警，包括入侵，填充水平，溫度過高等。這里的關(guān)鍵是單向通信允許在沒有嵌入式微控制器的情況下設(shè)計(jì)低成本，僅傳輸模塊。

例如，Micrel的一個(gè)簡單有效的僅發(fā)送部分是MICRF113，它是一個(gè)用于300到450 MHz范圍的幅移鍵控（ASK）發(fā)送器（見圖1）。這些是遠(yuǎn)程傳感器鏈路的理想選擇，因?yàn)檫@些頻段通常具有比2.4和5GHz頻段傳輸更長的范圍。

由于這些類型的僅發(fā)送部件通常采用電池供電，因此MICRF113的一個(gè)很好的特性是它能夠一直工作到1.8V。使用晶體或陶瓷諧振器，這些部件支持比特率高達(dá)20 Kbits/s。

一個(gè)簡單的狀態(tài)機(jī)可以跳閘一次性，短暫地將設(shè)定頻率傳輸?shù)?a target="_blank">接收器。這可以連續(xù)循環(huán)，直到觸發(fā)條件返回到閾值以下，或者繼續(xù)作為一次性事件直到手動(dòng)重置。無論哪種方式，小型SOT23低組件數(shù)設(shè)計(jì)都可以非常有效地為事件檢測提供可靠的無線鏈路。增加一個(gè)微控制器為更復(fù)雜的操作打開了大門，不僅包括檢測事件，還包括檢測和傳輸模擬電平。它還允許RF鏈路成為收發(fā)器，增加了更多的功能和功能。

圖1：Micrel發(fā)射器的低元件數(shù)使其成為理想的候選者適用于小型，低功耗，埋地或遠(yuǎn)程事件傳感器。

另一個(gè)非常適合這些類型設(shè)計(jì)的器件是ADI公司的ADF7012，它與Micrel器件一樣，使用串行輸入數(shù)據(jù)線。它還具有串行控制總線，用于控制寄存器，模式和掉電配置（低至《0.1μA）。

該部分的一個(gè)很好的特性是它可以在標(biāo)準(zhǔn)ASK或FSK模式下運(yùn)行，以及高斯ASK和FSK（見圖2）。預(yù)濾波高斯形式具有平滑的符號(hào)轉(zhuǎn)換，其可以將傳輸保持在較窄的帶空間中。這有助于實(shí)現(xiàn)1 ppm步進(jìn)控制頻率的精細(xì)可調(diào)性，當(dāng)溫度和漂移發(fā)生在75 MHz至1 GHz頻段時(shí)，中心頻率保持在軌道上。

圖2：ADI公司ADF7012中使用的高斯模式調(diào)制將發(fā)射限制在窄帶，低漂移和中心頻率偏移。

注意嵌入式微控制器是如何增加功能的理想方式，無線或埋地傳感器的可靠性和準(zhǔn)確性。微控制器不僅可以監(jiān)控事件并區(qū)分錯(cuò)誤警報(bào)，還可以使用查找表，曲線擬合和插值技術(shù)等技術(shù)來提高準(zhǔn)確性。

微控制

當(dāng)決定采用嵌入式微控制器時(shí)，芯片上的Silicon Labs Si4010系統(tǒng)非常適合僅傳輸，以及促進(jìn)雙向鏈路。 RF模擬內(nèi)核與核心8051型微控制器相結(jié)合，包括RAM，閃存，EEPROM和Novram。 （注意：因?yàn)楹诵囊部梢允墙邮掌?，所以可以采用輪詢操作模式。?/p>

當(dāng)用于傳感器接口時(shí)，該部分的一個(gè)有趣特性是其內(nèi)置的硬件高級(jí)加密加速器。通常，您不會(huì)認(rèn)為傳感器數(shù)據(jù)需要加密。但是，可能存在所有協(xié)議交互都被加密以幫助保護(hù)無線網(wǎng)絡(luò)免受干擾的應(yīng)用。

另一個(gè)有趣的功能是由間隔時(shí)鐘門控的內(nèi)置高速頻率計(jì)數(shù)器（見圖3）。頻率計(jì)數(shù)器模式可以很容易地將線性脈沖寬度和基于占空比的測量直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，以便傳輸?shù)浇邮照尽?/p>

圖3：Silicon Labs Si4010片上系統(tǒng)的內(nèi)置頻率計(jì)數(shù)器可以直接轉(zhuǎn)換脈沖寬度輸出或頻率值的傳感器傳輸?shù)臄?shù)字值。

采用小型10引腳MSOP（具有減少的I/O）或更大的14引腳SOIC，是處理器，存儲(chǔ)器，LDO，電池監(jiān)視器，曼徹斯特編碼器，當(dāng)然還有RF階段。

這部分的另一個(gè)不錯(cuò)的功能是內(nèi)置溫度傳感器。這可用于調(diào)整傳感器位置處的傳感器數(shù)據(jù)以補(bǔ)償溫度變化。請注意，該部件具有數(shù)字I/O，并且需要用于線性傳感器的A/D轉(zhuǎn)換器。

圖4：與TI CC2530一樣復(fù)雜，建立高質(zhì)量無線電鏈路所需的外部元件非常少，特別是如果您的傳感器可以直接連接到A/D輸入。

包含RF和嵌入式微處理器的類似系列器件來自德州儀器（參見圖4）。例如，CC2530還包含一個(gè)嵌入式8位8051處理器和一個(gè)完全兼容的802.15.4 ZigBee收發(fā)器。

這允許傳感器陣列在更強(qiáng)大的集成系統(tǒng)級(jí)別上運(yùn)行。作為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，來自傳感器，控制器，執(zhí)行器，數(shù)據(jù)記錄器等的數(shù)據(jù)包都可以成為更復(fù)雜系統(tǒng)的一部分。然而，權(quán)衡的是，這不是一個(gè)有線和解決方案。這些部件的資源非常復(fù)雜，包括8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器，電池監(jiān)視器，溫度傳感器，定時(shí)器，UART，AES單元，片上穩(wěn)壓器以及非常全面的無線電等組件。更重要的是，這些部件和這種架構(gòu)可用于形成非常大且復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。

幸運(yùn)的是，TI和Digi-Key提供了一整套評(píng)估和開發(fā)套件，例如CC2530 Mini ZNP套件，其中包括三個(gè)節(jié)點(diǎn)（兩個(gè)移動(dòng)和一個(gè)基座），可用于評(píng)估，開發(fā)和測試ZigBee連接設(shè)備。堆棧軟件還可用于幫助最小化滾動(dòng)自己的兼容堆棧所需的專業(yè)知識(shí)和時(shí)間。

應(yīng)該注意，您不必實(shí)現(xiàn)完整的ZigBee協(xié)議。很多人沒有。大量應(yīng)用程序只需要連接。此外，并非每個(gè)功能和功能都需要電路支持。盡管CC2530非常復(fù)雜，但創(chuàng)建良好的無線電鏈路所需的外部元件卻很少。仍然可以使用這些部分建立簡單的非網(wǎng)格點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。這使設(shè)計(jì)人員可以自由地實(shí)現(xiàn)他們想要開發(fā)的任何協(xié)議。