作者：賽普拉斯半導(dǎo)體 Ajay Bharadwaj，Balaji Mamidala

一個(gè)或多個(gè)傳感器獲得信號(hào)，系統(tǒng)發(fā)送和處理從傳感器獲得的數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)交流彼此的數(shù)據(jù)或者集中到一點(diǎn)。

因此傳感器網(wǎng)絡(luò)可以歸類(lèi)為一種數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器和處理實(shí)際信息的線路構(gòu)成，數(shù)據(jù)分發(fā)網(wǎng)絡(luò)涉及到通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，傳送和處理?shù)據(jù)方法。使用的基本網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫切汀?a target="_blank">環(huán)形、總線型和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇取決于應(yīng)用，數(shù)據(jù)處理類(lèi)型和需求。改善PC與現(xiàn)實(shí)世界連接性的需求正蓄勢(shì)待發(fā)。用到了很多傳感器和激勵(lì)，整合可用數(shù)據(jù)將它們互聯(lián)正成為必然。

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量持續(xù)增加，有線連接有可能不能使用，因?yàn)橛行﹤鞲衅饕胖迷谄h(yuǎn)地區(qū)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的成本也在下降，感應(yīng)節(jié)點(diǎn)能到達(dá)的范圍也更寬了。低功率無(wú)線技術(shù)還有許多先進(jìn)性，它可以用來(lái)設(shè)計(jì)更有效的系統(tǒng)。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)相比還能提供更好的可擴(kuò)展性，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中加入一個(gè)新節(jié)點(diǎn)更容易。傳感器網(wǎng)絡(luò)需要平衡傳感器節(jié)點(diǎn)的性能和壽命。無(wú)線節(jié)點(diǎn)可動(dòng)態(tài)配置來(lái)權(quán)衡，并且可以自動(dòng)操作進(jìn)行局部控制和電源管理。許多無(wú)線協(xié)議可以用作傳感器網(wǎng)絡(luò)，例如Zigbee、藍(lán)牙技術(shù)、GSM、Wi-Fi等。無(wú)線協(xié)議的選擇取決于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需要。

低功耗能力

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只需要很少的維護(hù)，使用同一塊電池就可以工作好幾天，有時(shí)是幾個(gè)月。因此，低功率設(shè)計(jì)在現(xiàn)實(shí)世界的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中是非?？量痰模⑶疫€有一個(gè)基本要求，傳感器節(jié)點(diǎn)處理和傳送傳感器數(shù)據(jù)時(shí)要有非常低的功耗。

傳感節(jié)點(diǎn)中的傳感器通常測(cè)量緩慢變化的模擬量，節(jié)點(diǎn)只需要激活很短的一段時(shí)間來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入休眠。這就意味著傳感器節(jié)點(diǎn)必須有優(yōu)秀的待機(jī)電流。并且，大部分的數(shù)據(jù)傳輸是從傳感器節(jié)點(diǎn)到基站。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與通訊協(xié)議必須利用這種不對(duì)稱(chēng)的傳感器節(jié)點(diǎn)到基站的傳感通訊。低功耗傳感器設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。具備低功率功能傳感器的微型機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）也是很關(guān)鍵的。傳感器節(jié)點(diǎn)可能工作在不同的、來(lái)源密集分布的節(jié)點(diǎn)環(huán)境中。傳感器節(jié)點(diǎn)也需要使用非常低的功率在噪聲環(huán)境中傳輸。

傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)集合

來(lái)自傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)必須在一個(gè)集中的地點(diǎn)匯集和處理。傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)處理可分為數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)傳輸由傳感器網(wǎng)絡(luò)中路由的信息處理。這些信息也可能是從傳感器獲得的數(shù)據(jù)或來(lái)自其它傳感器的數(shù)據(jù)請(qǐng)求。現(xiàn)在已經(jīng)有很多傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a target="_blank">算法。

數(shù)據(jù)采集算法在通信中數(shù)量特別大，從傳感節(jié)點(diǎn)開(kāi)始到結(jié)束都在通訊。在這種情況下，需要權(quán)衡的是延遲和功耗。在直接傳輸情況下，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)直接將所收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到中央網(wǎng)絡(luò)（在節(jié)點(diǎn)具備GSM能力的情況下）。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上面會(huì)跑一個(gè)操作系統(tǒng)。這使得擴(kuò)充增加更多的無(wú)線傳感器變得更容易。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)類(lèi)似于嵌入式操作系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兪菫槟硞€(gè)應(yīng)用專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的，并不是通用的。而且，由于該系統(tǒng)有低功率和低成本的要求，所以不能用通用操作系統(tǒng)?？紤]到大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)不需要實(shí)時(shí)能力，可以選擇較小的操作系統(tǒng)，如專(zhuān)為傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的TinyOS。

圖2顯示了一個(gè)典型的使用GSM（全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)。這里所有的傳感器把其數(shù)據(jù)送到一個(gè)集中的服務(wù)器。服務(wù)器控制每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)；然而，傳感器節(jié)點(diǎn)之間不能通訊。服務(wù)器必須干涉任何兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信。

圖2：傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型實(shí)現(xiàn)

GSM調(diào)制解調(diào)器

GSM（全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）是移動(dòng)電話現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)之一。雖然最初僅用于語(yǔ)音通信，它已經(jīng)通過(guò)GPRS（通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)）和EDGE（增強(qiáng)型數(shù)據(jù)速率GSM演進(jìn)技術(shù)）實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通訊能力。GSM調(diào)制解調(diào)器是調(diào)制解調(diào)器的一個(gè)類(lèi)型，其接受 SIM（用戶識(shí)別模塊），就像移動(dòng)電話一樣工作。GSM調(diào)制解調(diào)器可以用于低功耗模式，或者不用時(shí)可以關(guān)閉。

由GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的費(fèi)用也在迅速下降。并且，GSM調(diào)制解調(diào)器可以使用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議容易地連接到微控制器。移動(dòng)電話處理聲音和數(shù)據(jù)的情況也越來(lái)越多。大多數(shù)GSM調(diào)制解調(diào)器具備TCP / IP堆棧，可以用來(lái)在安全通道傳送數(shù)據(jù)。這也降低了應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性，使微控制器可以簡(jiǎn)單地連接到GSM調(diào)制解調(diào)器。

GSM調(diào)制解調(diào)器可以連接到任何一個(gè)IP（網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）地址并傳送數(shù)據(jù)。多個(gè)調(diào)制解調(diào)器可以向一個(gè)單一的IP地址發(fā)送數(shù)據(jù)，所有的數(shù)據(jù)可以在世界上任何一個(gè)地方集中和處理。用戶可以基于網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)配置每個(gè)調(diào)制解調(diào)器。在某些網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)就具備GSM能力。其它節(jié)點(diǎn)會(huì)把數(shù)據(jù)發(fā)送到這個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)，然后再傳送到中央服務(wù)器。這可以減少整體系統(tǒng)的成本，但如果節(jié)點(diǎn)不是群集在一起，就不能這樣實(shí)現(xiàn)了。

GSM調(diào)制解調(diào)器還可以提供即時(shí)警報(bào)，可以通過(guò)SMS（短消息服務(wù)）或根據(jù)情況把數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€(gè)不同的高優(yōu)先級(jí)的IP地址。這些特性可用于容錯(cuò)和冗余校驗(yàn)。

讓我們看一個(gè)GSM調(diào)制解調(diào)器的例子（SIM300），其通過(guò)一個(gè)串行端口與微控制器通訊。調(diào)制解調(diào)器有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)指令集，AT指令。這些指令控制調(diào)制解調(diào)器和微控制器之間的操作。微控制器通過(guò)UART（通用異步收發(fā)器）接口在一個(gè)特定的波特率發(fā)送這些指令。

使用特定指令可以配置調(diào)制解調(diào)器，那么通過(guò)串口發(fā)送的數(shù)據(jù)就可以傳送到中央服務(wù)器。因此，與GSM調(diào)制解調(diào)器的接口簡(jiǎn)化了傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采集和處理。

完整的系統(tǒng)實(shí)施

一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)模擬信號(hào)鏈，還需要大量的數(shù)字外圍接口。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可能要連接到不同類(lèi)型的傳感器，這就需要接口和I/O的靈活性。單個(gè)節(jié)點(diǎn)的可編程性在一個(gè)成功的傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)中起著至關(guān)重要的作用。

圖3：使用PSoC實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的框圖

圖4：使用PSoC實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部設(shè)計(jì)

賽普拉斯的PSoC混合信號(hào)可編程控制器可以提供模擬和數(shù)字系統(tǒng)，其可配置成為每個(gè)節(jié)點(diǎn)所需的功能。這就不需要為不同類(lèi)型的傳感器配備專(zhuān)門(mén)的硬件。這種片上系統(tǒng)（SoC）微控制器還可以只用一顆芯片就可處理傳感器節(jié)點(diǎn)所需的所有任務(wù)，其包括ADC，DAC，PGA，比較器，放大器，數(shù)字濾波功能，DMA，LCD控制器，等等。

使用SoC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以快速設(shè)計(jì)和頻繁改變來(lái)配合傳感器節(jié)點(diǎn)的定制。PSoC睡眠方式有很低的功耗，非常適合這類(lèi)應(yīng)用。

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