微功耗WiFi無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)

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。

　　圖畫一： 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……

　　圖畫二： 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…。

　　圖畫三： 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。

　　 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?。?，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;

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

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　　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?。?nbsp;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。