传感器的无线连接与应用

对数据的渴望似乎取之不尽，用之不竭。从汽车燃油系统的氧气水平到后院的雨水位，嵌入式系统和传感器始终监控我们周围的一切。

直到最近，所有监控都通过有线连接进行。探头和传感器直接连接到电子或机电控制系统，监控和记录数据，或用于控制过程。

由于无线连接的费用和复杂性意味着这种类型的遥测只能用于军事，工业或空间应用，因此只能通过无线尝试最关键或最苛刻的任务。然而，无线技术已经蓬勃发展到我们现在每天与众多无线传感器交互的可能性。

简单发送

虽然特定要求将决定给定的应用程序，但在实现基于传感器的设计时，基本上有三种架构选择。这些是中断，轮询和时间分片。基于中断的系统将仅在发生触发事件时发送，轮询系统将仅在被询问时报告，并且时间分片系统将以预定间隔报告。简单的仅发送传感器架构将这些选择限制为中断或时间分片。

在最简单的层面上，传感器和阈值限制检测器仅向监控系统通知状况。这可用于报警，包括入侵，填充水平，温度过高等。这里的关键是单向通信允许在没有嵌入式微控制器的情况下设计低成本，仅传输模块。

例如，Micrel的一个简单有效的仅发送部分是MICRF113，它是一个用于300到450 MHz范围的幅移键控(ASK)发送器(见图1)。这些是远程传感器链路的理想选择，因为这些频段通常具有比2.4和5GHz频段传输更长的范围。

由于这些类型的仅发送部件通常采用电池供电，因此MICRF113的一个很好的特性是它能够一直工作到1.8V。使用晶体或陶瓷谐振器，这些部件支持比特率高达20 Kbits/s。

一个简单的状态机可以跳闸一次性，短暂地将设定频率传输到接收器。这可以连续循环，直到触发条件返回到阈值以下，或者继续作为一次性事件直到手动重置。无论哪种方式，小型SOT23低组件数设计都可以非常有效地为事件检测提供可靠的无线链路。增加一个微控制器为更复杂的操作打开了大门，不仅包括检测事件，还包括检测和传输模拟电平。它还允许RF链路成为收发器，增加了更多的功能和功能。

图1：Micrel发射器的低元件数使其成为理想的候选者适用于小型，低功耗，埋地或远程事件传感器。

另一个非常适合这些类型设计的器件是ADI公司的ADF7012，它与Micrel器件一样，使用串行输入数据线。它还具有串行控制总线，用于控制寄存器，模式和掉电配置(低至《0.1μA)。

该部分的一个很好的特性是它可以在标准ASK或FSK模式下运行，以及高斯ASK和FSK(见图2)。预滤波高斯形式具有平滑的符号转换，其可以将传输保持在较窄的带空间中。这有助于实现1 ppm步进控制频率的精细可调性，当温度和漂移发生在75 MHz至1 GHz频段时，中心频率保持在轨道上。

图2：ADI公司ADF7012中使用的高斯模式调制将发射限制在窄带，低漂移和中心频率偏移。

注意嵌入式微控制器是如何增加功能的理想方式，无线或埋地传感器的可靠性和准确性。微控制器不仅可以监控事件并区分错误警报，还可以使用查找表，曲线拟合和插值技术等技术来提高准确性。

微控制

当决定采用嵌入式微控制器时，芯片上的Silicon Labs Si4010系统非常适合仅传输，以及促进双向链路。 RF模拟内核与核心8051型微控制器相结合，包括RAM，闪存，EEPROM和Novram。 (注意：因为核心也可以是接收器，所以可以采用轮询操作模式。)

当用于传感器接口时，该部分的一个有趣特性是其内置的硬件高级加密加速器。通常，您不会认为传感器数据需要加密。但是，可能存在所有协议交互都被加密以帮助保护无线网络免受干扰的应用。

另一个有趣的功能是由间隔时钟门控的内置高速频率计数器(见图3)。频率计数器模式可以很容易地将线性脉冲宽度和基于占空比的测量直接转换为数字值，以便传输到接收站。

图3：Silicon Labs Si4010片上系统的内置频率计数器可以直接转换脉冲宽度输出或频率值的传感器传输的数字值。

采用小型10引脚MSOP(具有减少的I/O)或更大的14引脚SOIC，是处理器，存储器，LDO，电池监视器，曼彻斯特编码器，当然还有RF阶段。

这部分的另一个不错的功能是内置温度传感器。这可用于调整传感器位置处的传感器数据以补偿温度变化。请注意，该部件具有数字I/O，并且需要用于线性传感器的A/D转换器。

图4：与TI CC2530一样复杂，建立高质量无线电链路所需的外部元件非常少，特别是如果您的传感器可以直接连接到A/D输入。

包含RF和嵌入式微处理器的类似系列器件来自德州仪器(参见图4)。例如，CC2530还包含一个嵌入式8位8051处理器和一个完全兼容的802.15.4 ZigBee收发器。

这允许传感器阵列在更强大的集成系统级别上运行。作为网状网络，来自传感器，控制器，执行器，数据记录器等的数据包都可以成为更复杂系统的一部分。然而，权衡的是，这不是一个有线和解决方案。这些部件的资源非常复杂，包括8通道12位A/D转换器，电池监视器，温度传感器，定时器，UART，AES单元，片上稳压器以及非常全面的无线电等组件。更重要的是，这些部件和这种架构可用于形成非常大且复杂的网络。

幸运的是，TI和Digi-Key提供了一整套评估和开发套件，例如CC2530 Mini ZNP套件，其中包括三个节点(两个移动和一个基座)，可用于评估，开发和测试ZigBee连接设备。堆栈软件还可用于帮助最小化滚动自己的兼容堆栈所需的专业知识和时间。

应该注意，您不必实现完整的ZigBee协议。很多人没有。大量应用程序只需要连接。此外，并非每个功能和功能都需要电路支持。尽管CC2530非常复杂，但创建良好的无线电链路所需的外部元件却很少。仍然可以使用这些部分建立简单的非网格点对点网络。这使设计人员可以自由地实现他们想要开发的任何协议。