一 WiFi 無線傳感器傳感器網絡廣闊的應用前景

無線傳感器網絡由部署在檢測區域內的大量、廉價、微型、節能傳感器節點組成，通過無線通信方式自我形成網絡系統，其主要目的是協同地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，接收命令并與控制中心交換有關現實世界的信息。如果說互聯網構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，無線傳感器網絡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，改變人類與自然界的交互方式。

無線傳感器網絡被美國商業周刊列為21世紀最有影響的改變世界的十大技術之一，還被麻省理工學院(MIT)技術評論列為全球未來的三大高科技產業;

和目前國內已經比較普及的802.15.4標準和ZigBee無線傳感器網絡比較，WiFi /IEEE 802.11b/g網絡是更成熟的技術，在設備互操作上所具備明顯優勢;這種基于IP的聯網技術能夠非常方便的實現和已經安裝在企業和家庭中的網絡進行無縫連接,而且還應具有更好的安全性.

當WiFi /IEEE 802.11b/g 的無線網絡信號,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,每一個商業樓宇上空的時候,下列的圖畫將變為現實:

圖一中可見: 千家萬戶家庭中的各種電表,水表,煤氣表內的低功耗無線WiFi SoC,通過WI-FI無線網絡,以很低的功耗,和供電公司等能源通過者保持著網絡實時聯系 ,家庭內的數字顯示系統,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,如果你的能源設備出現問題,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…..

圖二中可見: 都市林立的商業大樓內部,數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,全部采用已經具有的WiFi 無線SoC為核心的節點進行自動無線連接,中心控制系統,根據這些無線傳感器的大量的信息,調節空調系統,監控大樓安全,是商業大廈更安全,更節能….

圖三中可見: 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,通過倉庫內已經廣泛布設的802.11無線網絡,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……

從發展的眼光看, WiFi 無線傳感器傳感器網絡的應用領域包括各種無線傳感器，無線實時定位網絡，射頻識別(RFID) 網絡，數字家庭網絡，安全監視網絡等等,具有非常廣闊的應用前景和商業前景;

二 選擇合適的無線WiFi SoC (單片機)

長期以來,雖然802.11標準已經成為了全球無線網絡發展的主流方向之一,但是在很多人印象中, WiFi /IEEE 802.11b/g技術功耗比較高,只適用于電腦之間的無線連接和其他高速無線連接應用,其實,無線技術和SoC技術的演進,近年來,已經出現了下面提到的多個適合于低功耗應用的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絡設計;

G2 Microsystems 公司開發的 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;

G2C501 片上系統

圖一 G2C501 片上系統

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新企業), 這個以兩個經典ARM7微控制器器為內核的32位“ARM射頻SoC (ARM無線片上系統), 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平方毫米大小)，實現了Wi-Fi系統的單片機化,無線化，微型化，使設計者可以采用GS1010單片機來設計微型遙控器，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品和多種應用產品。

同時, 該芯片功耗非常低，GS1010能夠確保在一節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用中的喚醒間隔)。

GS1010芯片內部框圖見圖二所示;

GS1010 WI-FI 無線 SoC框圖

圖二 GS1010 WI-FI 無線 SoC框圖

以上兩種WI-FI無線芯片,各有千秋,針對不同的應用,有各自不同的技術特點,但是GS1010由于內置384K FLASH ,所以不需要任何外部芯片,就可以構成一個完整的應用系統,更像一個正真的單片機, 而且使用大家比較熟悉的ARM7結構,對很多已經熟悉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ARM單片機應用,容易入門開發等, 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/選擇合適的開發系統

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,國內也習慣稱為ARM單片機, 和其他ARM單片機開發一樣, 用戶需要設計自己的 WiFi應用產品,必然需要一套開發平臺來實現代碼編譯,下載,調試(DEBUG) 和測試等功能;

根據在互聯網上搜索的結果,目前發現的開發GS1010的開發平臺只有兩種,一種是GainSpan公司原廠生產的軟件開發包裝:GS1010-SDK, 見圖三;

圖三 GS1010-SDK

另一種是GainSpan公司中國戰略合作伙伴深圳/成都無線龍通訊科技公司聯合開發的ARMRF-GS1010-PK軟件開發平臺,見圖四;

圖四 ARMRF-GS1010-PK開發系統

兩套開發系統各有技術特點, 適合于不同應用, 表一是兩套開發平臺主要技術參數比較表:

表一 : GS1010開發平臺主要參數比較

從上面比較我們可以看出,GS1010-SDK優點是采用了GREEN HILLS的高檔開發環境和RTOS,比較適合歐美市場高端客戶,缺點是價格較高;

ARMRF-GS1010-PK ,采用了國內比較熟悉的KEIL ARM 平臺和uCOS-II作為 RTOS, 并且開發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GS1010和無線傳感器網絡,提供了新的選擇;

四/代碼開發和初步測試

設計WiFi 無線傳感器傳感器網絡的應用,首先是代碼設計,開發系統中的嵌入式傳感器節點軟件包,提供了所需要全部相關源代碼,如果你是設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網絡的系統,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點軟件工程文件

對于熟悉ARM單片機開發的工程師而言,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,增加控制外設等等,58個簡單和容易使用的API包括了對網絡協議棧和WI-FI網絡傳輸的全部控制功能…., 完成這些修改和增加代碼后,你可以輕松進行編譯,下載到多個開發板GS1010芯片 FLASH 內部和進行調試,并實際運行….;

完成節點軟件初步測試后,你可以連接WI-FI AP ( wireless access point,)

運行WI-FI 傳感器網絡PC表演軟件,你可以在PC上,通過屏幕,看到通過WI-FI網絡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無線傳感器網絡開發并不那樣神秘和困難

從上面的簡單介紹來看,只要你已經熟悉ARM單片機和KEIL開發環境和uCOS-II, 即使還對802.11無線傳感器網絡不是很熟悉,但是是借助完整的和強大的軟件開發平臺和容易使用的無線WiFi SoC芯片, WI-FI無線傳感器網絡開發并不那么神秘和困難.