物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的快速增長(zhǎng)元素是無線傳感器。這些設(shè)備是物聯(lián)網(wǎng)的眼睛和耳朵，提供分析和大數(shù)據(jù)應(yīng)用程序做出明智決策所需的大量數(shù)據(jù)。在工業(yè)應(yīng)用中，傳感器可以提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，以優(yōu)化化學(xué)處理和材料轉(zhuǎn)移，支持更高水平的自動(dòng)化，提高能源電網(wǎng)效率，并使許多其他應(yīng)用程序無法交付。

MCU將在無線傳感器應(yīng)用的核心。簡(jiǎn)化無線傳感器連接實(shí)施的新設(shè)備使得即使是價(jià)格最低的系統(tǒng)也能夠比以往更輕松地添加這些功能。本文將介紹這些新設(shè)備提供的一些實(shí)現(xiàn)選項(xiàng)，以說明將數(shù)據(jù)從MCU移動(dòng)到云是多么容易。

無線MCU上線

最近推出的MCU正在增加集成的無線通信功能，可以連接到各種無線標(biāo)準(zhǔn)。這些新設(shè)備采用兩種常用方法之一來實(shí)現(xiàn)無線通信。一些設(shè)備使用可以實(shí)現(xiàn)各種標(biāo)準(zhǔn)的靈活無線子系統(tǒng)。其他設(shè)備專注于一個(gè)或兩個(gè)通用和類似標(biāo)準(zhǔn)，以針對(duì)特定應(yīng)用優(yōu)化其解決方案。

靈活的實(shí)施通常提供可編程無線電“前端”，管理所有通用無線“構(gòu)建模塊”，如作為調(diào)制選項(xiàng)，包括高斯頻移鍵控（GFSK），頻移鍵控（FSK），四級(jí)GFSK（4GFSK），四級(jí)FSK（4FSK）和開關(guān)鍵控（OOK）。其他常見的硬件模塊包括低噪聲放大器，混頻器，可編程增益放大器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)據(jù)包處理邏輯以及FIFO存儲(chǔ)器。這些無線構(gòu)建模塊可以通過MCU軟件用于實(shí)現(xiàn)各種基于無線電的標(biāo)準(zhǔn)。通常，MCU制造商提供高級(jí)應(yīng)用程序編程接口（API），實(shí)現(xiàn)通用標(biāo)準(zhǔn)以簡(jiǎn)化開發(fā)。

靈活方法的一個(gè)例子是Silicon Labs EZR32LG 32位無線MCU，其框圖如下：如下圖1所示。靈活的無線收發(fā)器被視為外設(shè)，并使用SPI接口與MCU通信。 EZR32LG采用多種先進(jìn)的節(jié)能模式，這些模式在低功耗無線傳感應(yīng)用中特別有用，每個(gè)模塊可用的模式在程序框圖中采用顏色編碼，深藍(lán)色表示可在其中運(yùn)行的模塊最低能量模式，以及最輕的綠色指示在較高能量模式下的操作。當(dāng)不需要節(jié)能時(shí)，高能量模塊可以關(guān)閉，而低能量模塊繼續(xù)運(yùn)行。

圖1：Silicon Labs EZR32LG無線MCU框圖。 （由Silicon Labs提供）

實(shí)現(xiàn)具有無線連接的MCU的另一種方法是關(guān)注一些通用標(biāo)準(zhǔn)，并以更專用的方式實(shí)施它們。這通常可以降低成本和總體功耗，但不包括更靈活實(shí)施的各種標(biāo)準(zhǔn)。

更靈活的實(shí)現(xiàn)可能會(huì)在需要無線橋接元素的應(yīng)用程序中找到家庭。在橋接應(yīng)用中，各種傳統(tǒng)，定制和新傳感器共存，因此靈活的實(shí)施可以與每個(gè)傳感器通信并在不同標(biāo)準(zhǔn)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命并降低更換成本。低成本傳感器可以實(shí)現(xiàn)固定的無線標(biāo)準(zhǔn)，然后依靠更靈活的橋接設(shè)備將它們連接到系統(tǒng)的其余部分。

作為具有更多目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的無線MCU的示例，讓我們考慮一下支持藍(lán)牙低功耗（LE）的德州儀器CC2640無線MCU。 CC2640使用靈活的片上無線子系統(tǒng)，在無線模塊內(nèi)的Cortex-M0控制MCU上實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙LE（BLE）協(xié)議。如下圖2所示，BLE無線電固件在ROM中為無線電控制MCU提供，大大簡(jiǎn)化了開發(fā)過程。 Cortex-M3用于運(yùn)行更高級(jí)別的功能，例如BLE堆棧，RTOS，BLE配置文件和服務(wù)，最后是用戶應(yīng)用程序。 MCU外設(shè)可用于實(shí)現(xiàn)用戶應(yīng)用所需的任何其他時(shí)序和通信功能。

圖2：德州儀器CC2640 BLE無線MCU框圖。 （德州儀器公司提供）

無線MCU通常包括其他專用功能，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，尤其是管理電源。例如，CC2640具有自主傳感器接口，可以獨(dú)立于MCU喚醒，執(zhí)行傳感器讀數(shù)，收集數(shù)據(jù)，并確定主CPU是否必須退出低功耗模式。此外，CC2640可以斷電，低功耗RTC用于周期性地使器件退出低功耗模式，而特殊的SRAM模塊可用于在低功耗狀態(tài)下保持?jǐn)?shù)據(jù)。寬電壓工作范圍還簡(jiǎn)化了基于電池的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

套件和參考設(shè)計(jì)加速了開發(fā)

MCU制造商通過提供以創(chuàng)紀(jì)錄的時(shí)間開發(fā)無線傳感器變得容易完整的開發(fā)環(huán)境。例如，德州儀器（TI）提供其傳感器標(biāo)簽參考設(shè)計(jì)（CC2650STK），其中包括10多個(gè)傳感器和接口;并且可以開箱即用，在iPad或智能手機(jī)與云存儲(chǔ)之間傳輸數(shù)據(jù)和命令。您可以使用Web瀏覽器訪問基于云的傳感器讀數(shù)，并通過Web界面向傳感器標(biāo)簽發(fā)出簡(jiǎn)單命令。這種功能使您可以輕松實(shí)現(xiàn)自己的無線傳感器。

Silicon Labs還為氣象站（指定部件號(hào)SLSTK3201A）提供了傳感器參考設(shè)計(jì)，可用作各種物品的起點(diǎn)。無線傳感器設(shè)計(jì)。該參考設(shè)計(jì)包括用于濕度，溫度，紫外線，紅外線和接近度的傳感器。接近檢測(cè)器支持常用手勢(shì)，如懸停和滑動(dòng)，以說明如何通過手部移動(dòng)捕獲簡(jiǎn)單的命令。

示例無線傳感器解決方案

我們現(xiàn)在可以看一個(gè)低功耗無線傳感器的示例實(shí)現(xiàn)，它說明了為簡(jiǎn)單傳感器添加無線功能是多么容易。一種非常常見的傳感器應(yīng)用程序可捕獲通過卡車或鐵路運(yùn)輸?shù)漠a(chǎn)品的溫度和濕度讀數(shù)。這些讀數(shù)在裝運(yùn)后進(jìn)行審查，以確保產(chǎn)品保持新鮮。下面的圖3顯示了一個(gè)極低功耗實(shí)現(xiàn)的框圖，該實(shí)現(xiàn)使用CR2032紐扣電池為傳感器供電長(zhǎng)達(dá)10年。納米功率系統(tǒng)定時(shí)器通過激活超低泄漏開關(guān)周期性地將系統(tǒng)從完全關(guān)閉狀態(tài)喚醒，以向系統(tǒng)供電。 MCU（在本例中為TI CC2650）喚醒并從濕度和溫度傳感器捕獲一組讀數(shù)。當(dāng)捕獲到足夠的數(shù)據(jù)時(shí)，MCU會(huì)記錄數(shù)據(jù)并識(shí)別溫度或濕度水平超過任何最大或最小警報(bào)級(jí)別的情況?？梢愿鶕?jù)交付的產(chǎn)品類型和相關(guān)的最佳條件定制警報(bào)級(jí)別。例如，西紅柿具有與萵苣不同的最佳溫度和濕度分布。事實(shí)上，西紅柿具有隨時(shí)間變化的特征，因?yàn)樽畛跣枰恍┏墒欤缓笠坏┏墒炀捅仨毐３中迈r度。在通過無線鏈路創(chuàng)建和發(fā)送報(bào)告時(shí)，MCU可以考慮所有這些因素。

圖3：無線傳感器實(shí)現(xiàn)框圖。 （德州儀器公司提供）

一旦實(shí)施藍(lán)牙LE等標(biāo)準(zhǔn)，就可以輕松將其連接到支持藍(lán)牙LE的智能手機(jī)或平板電腦。在上面的示例設(shè)計(jì)中，基于平板電腦的界面可以監(jiān)控卡車或有軌車內(nèi)的傳感器，并將數(shù)據(jù)周期性地從傳感器移動(dòng)到云存儲(chǔ)（可能使用德州儀器傳感器標(biāo)簽參考設(shè)計(jì)作為起點(diǎn)）。遠(yuǎn)程流量管理員可以使用這些數(shù)據(jù)以及來自其他所有產(chǎn)品傳輸系統(tǒng)的類似數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)時(shí)新鮮度和成熟度參數(shù)動(dòng)態(tài)地將貨物發(fā)送到最佳位置。

結(jié)論

隨著對(duì)無線傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)元素的需求不斷增長(zhǎng)，MCU（物聯(lián)網(wǎng)傳感器的主要控制器）需要連接到云端。正如我們已經(jīng)證明的那樣，片上無線MCU外設(shè)，獨(dú)立無線模塊，軟件工具和硬件套件的最新創(chuàng)新使得將MCU連接到云變得容易。