基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的WiFi無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品綜述

張紅英

西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西西安 710049

1 基于WiFi的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)是指將傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸、儲(chǔ)存、處理與分析技術(shù)集成的現(xiàn)代信息技術(shù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量分布式傳感器節(jié)點(diǎn)組成的面向任務(wù)型的自組織網(wǎng)絡(luò)，主要由存儲(chǔ)器、處理器、傳感器、無(wú)線通訊和電池等硬件組成。

1.2 WiFi無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

WiFi（Wireless Fidelity）是類似Zigbee的一種WLAN的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是一種短程無(wú)線傳輸技術(shù)，能夠在數(shù)百米范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入的無(wú)線電信號(hào)。

事實(shí)上WiFi是比Zigbee更早出現(xiàn)的一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)比較成熟，覆蓋范圍廣于Zigbee。另外Zigbee傳輸速率通常在250Kbps以下，而WiFi速率則可達(dá)11Mbps，這是WiFi功耗更大需要外接電源的原因，從而限制了其發(fā)展。但是近年來(lái)這一缺點(diǎn)利用休眠-喚醒或是能量捕獲技術(shù)得到了有效解決，所以基于WiFi技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)正在重新快速發(fā)展起來(lái)。

2 基于WiFi的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建主要是指無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建，傳感器部分主要負(fù)責(zé)信息的采集并將其他信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并送給微控制器；微控制器需要接受傳感器的信號(hào)并進(jìn)行相應(yīng)的處理；射頻模塊負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)，電源模塊則為系統(tǒng)的工作提供穩(wěn)定可靠的能源。

基于單片機(jī)的無(wú)線傳感器產(chǎn)品最大特點(diǎn)即是將微處理模塊和RF收發(fā)模塊集成，一般可通過(guò)內(nèi)部的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)線射頻傳輸。比如GainSpan公司的GS1010芯片，它內(nèi)部集成了兩塊ARM，其中一片用于數(shù)據(jù)處理，另外一片用于無(wú)線傳輸。GS1010 的APP CPU 對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，隨后再將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，再通過(guò)WLAN CPU 將數(shù)據(jù)打包成符合IEEE802.11 協(xié)議的數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送出去；接收端用符合IEEE802.11b/g 協(xié)議的接入點(diǎn)接收無(wú)線載波發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。

3 基于單片機(jī)技術(shù)的WiFi產(chǎn)品

嵌入式WiFi產(chǎn)品形式各異，基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的WiFi無(wú)線產(chǎn)品主要有NPE公司的 WiFi-IT!，GainSpan公司的GS1010，RFM公司的WSN802G等。下面我們將選擇這幾個(gè)具有代表性的產(chǎn)品進(jìn)行介紹，并對(duì)部分產(chǎn)品進(jìn)行性能測(cè)試。

3.1 GS1010芯片簡(jiǎn)介

3.1.1 GS1010結(jié)構(gòu)

GS1010是一個(gè)高度集成、超低功耗WiFi無(wú)線片上系統(tǒng)，它包含一個(gè)802.11射頻前端、媒體控制器（MAC）和基帶處理器，片上FLASH 和片上SRAM，兩個(gè)ARM7 處理器，和豐富的IO 外設(shè)。

3.1.2 產(chǎn)品的主要特點(diǎn)

1）體積?。核匈Y源都集中在一個(gè)體積是10mm×10mm×0.85mm的芯片內(nèi)，極大的節(jié)約了PCB的面積；

2）極低功耗：采用休眠-喚醒技術(shù)極大降低了傳輸功耗；

3）高傳輸速率：數(shù)據(jù)最高傳輸速率可達(dá)11Mbps；

4）開發(fā)簡(jiǎn)單：使得從有線到無(wú)線的技術(shù)過(guò)渡中，將不再需要重新學(xué)習(xí)和熟悉ARM單片機(jī)的結(jié)構(gòu)/指令系統(tǒng)/編譯開發(fā)工具和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

3.1.3 GEPS

GS1010所特有的開發(fā)環(huán)境GEPS使得第三方公司或是用戶能夠更加系統(tǒng)地開發(fā)自己需要實(shí)現(xiàn)的功能，為了幫助客戶縮短開 發(fā)周期， GainSpan還提供了一整套包括SDK、評(píng)估平臺(tái)、開發(fā)平臺(tái)在內(nèi)的軟硬件工具。其軟件棧包括了各種I/O驅(qū)動(dòng)和WLAN固件、RTOS、網(wǎng)絡(luò)棧、系統(tǒng)服務(wù)、WLAN和I/O服務(wù)模塊、各種應(yīng)用編程接口以及應(yīng)用軟件。GS1010的SDK能夠幫助工程師節(jié)省大量的時(shí)間。 而硬件開發(fā)平臺(tái)則能夠支持溫度、濕度、光敏、壓力、加速度等各種傳感器，并預(yù)留了客戶自選的傳感器接口和調(diào)試以及程序燒錄接口。

3.2 NPE WiFi-IT!

WiFi-IT! 802.11 WLAN module具有自己的開發(fā)語(yǔ)言WiFi-IT!Basic，這一開發(fā)語(yǔ)言是基于其他基礎(chǔ)語(yǔ)言而專門為無(wú)線通訊設(shè)計(jì)的。另外與之配套的開發(fā)環(huán)境IDE類似于其他普通單片機(jī)的開發(fā)環(huán)境，安裝過(guò)程簡(jiǎn)單，用戶自己可通過(guò)創(chuàng)建工程、編寫代碼、編譯程序和下載調(diào)試程序等過(guò)程完成軟件的設(shè)計(jì)。

3.3 RFM WSN802G

WSN802G 是由RFM公司在采用GainSpan公司GS1010系列芯片的基礎(chǔ)上開發(fā)的功能比較具有針對(duì)性的產(chǎn)品。其僅有兩個(gè)可以采集信號(hào)的輸入接口DIN0和DIN1，一個(gè)主要是用于測(cè)試，另外一個(gè)可供用戶直接測(cè)量信號(hào)。下文將使用DIN1來(lái)測(cè)試環(huán)境溫度，用戶需要做的即是將溫度傳感器輸出的信號(hào)數(shù)字化后送入DIN1中，通過(guò)本產(chǎn)品自帶測(cè)試軟件WSNConfig.exe配置好無(wú)線路由以及芯片的IP地址即可實(shí)現(xiàn)測(cè)試。

本產(chǎn)品的不足之處是所能同時(shí)采集的信號(hào)種類較少，因其僅有兩個(gè)輸入接口，另外內(nèi)部集成的兩個(gè)ARM并沒(méi)有物盡其用，因?yàn)橛脩舨荒茏灾鞯亻_發(fā)這一功能。被產(chǎn)品適用對(duì)象較為固定，一般不適合欲重新開發(fā)更多功能的研發(fā)者使用，主要適用于如檢測(cè)某幾個(gè)特定環(huán)境中的溫度變化等比較直觀的信息。

4 WSN802G測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)試

本設(shè)計(jì)購(gòu)買RFM公司的WSN802G芯片，自行設(shè)計(jì)出一套環(huán)境測(cè)溫系統(tǒng)，本系統(tǒng)利用溫度傳感器測(cè)量溫度，傳輸給WSN802G芯片，經(jīng)過(guò)處理再無(wú)線傳輸至上位機(jī)系統(tǒng)。上位機(jī)我們是用支持WiFi無(wú)線傳輸?shù)腜C機(jī)實(shí)現(xiàn)的，只要加入無(wú)線路由器，動(dòng)態(tài)地給下位機(jī)和上位機(jī)配置好IP地址，即可實(shí)現(xiàn)二者之間的通訊。

我們將傳感器置于室溫下，測(cè)量系統(tǒng)和PC機(jī)距離10m左右時(shí)得到測(cè)試結(jié)果如下圖所示：

圖1 測(cè)試結(jié)果

進(jìn)一步將測(cè)試距離增大，或者是經(jīng)過(guò)障礙物，在產(chǎn)品給定條件下測(cè)試結(jié)果仍然比較精確。

5 結(jié)論及展望

伴隨著關(guān)于WiFi技術(shù)的一些問(wèn)題的解解決，基于WiFi的嵌入式微處理器片上系統(tǒng)今年來(lái)發(fā)展蒸蒸日上，本文在分析構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要技術(shù)要點(diǎn)之上，詳細(xì)介紹了幾款國(guó)外應(yīng)用較為廣泛具有代表性的產(chǎn)品，對(duì)比了各類產(chǎn)品要點(diǎn)，并對(duì)部分產(chǎn)品進(jìn)行了性能測(cè)試，能夠?yàn)殚_發(fā)者開發(fā)新產(chǎn)品提供一定的依據(jù)。

[1]郁萬(wàn)里，黃艷秋.基于WiFi 的位移傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì).中國(guó)科技論文在線.

[2]宮鵬.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)環(huán)境應(yīng)用進(jìn)展[J].遙感學(xué)報(bào)，2009，7.

[3]徐磊.基于Zigbee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2009，3.

[4]http://www.RFM.com/.

[5]http://www.gspain.com/.