基于Wi-Fi模塊/MCU的智能建筑物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的眼睛和耳朵。它們提供了解環(huán)境所需的數(shù)據(jù)，因此可以對(duì)需要采取的活動(dòng)做出明智的決策。特別是智能建筑可以從廣泛部署的傳感器中受益，從而可以控制能量使用以實(shí)現(xiàn)最佳照明，加熱和空調(diào)。傳感器可以增強(qiáng)建筑安全性，以檢測(cè)員工的安全級(jí)別并控制建筑物或房間的訪問。在緊急情況下，可以增強(qiáng)安全性，以提供安全出口通知，并在停電期間提供應(yīng)急照明。

傳感器通常在非常低的功率下運(yùn)行，這可能會(huì)限制他們長(zhǎng)距離通信的能力并以高數(shù)據(jù)速率。通常，橋接設(shè)備用于收集和處理各種本地低功率傳感器讀數(shù)，然后使用長(zhǎng)距離協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)聚合數(shù)據(jù)。采用Wi-Fi ?模塊，用戶可編程的嵌入式MCU可輕松創(chuàng)建中級(jí)物聯(lián)網(wǎng)橋接系統(tǒng)。本文將介紹其中一些模塊，通過示例實(shí)現(xiàn)，說明基于Wi-Fi模塊/MCU的設(shè)計(jì)如何在智能建筑物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中輕松聚合和傳遞傳感器數(shù)據(jù)。

橋接提高功效

在智能建筑中，傳感器可以產(chǎn)生非常廣泛的數(shù)據(jù)帶寬。環(huán)境監(jiān)視器每秒只能傳輸少量字節(jié)的數(shù)據(jù)，而安全攝像機(jī)可能在同一時(shí)間段內(nèi)傳輸數(shù)兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。當(dāng)聚合和緩沖許多傳感器時(shí)，即使是低帶寬連接也會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)流量。通常，以更高的數(shù)據(jù)速率“突發(fā)”數(shù)據(jù)而不是一次發(fā)送一個(gè)小數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓β市室叩枚唷?/p>

為了管理廣泛的數(shù)據(jù)帶寬要求和范圍無(wú)線信號(hào)的距離可以跨越智能建筑，需要橋接設(shè)備。此外，橋接設(shè)備可用于優(yōu)化自動(dòng)低功率傳感器的功率要求，其中電池壽命，特別是在緊急情況下，可能是至關(guān)重要的。橋接設(shè)備必須處理各種無(wú)線協(xié)議，從藍(lán)牙?低能耗（藍(lán)牙LE）到全系列的Wi-Fi連接方案。強(qiáng)大的智能建筑設(shè)計(jì)的其他要求包括本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)，斷電時(shí)的本地能量存儲(chǔ)，以及用于狀態(tài)，診斷和本地控制的簡(jiǎn)單用戶界面。

實(shí)施因素

實(shí)施Wi-Fi連接可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。如果從頭開始設(shè)計(jì)，則操作各種協(xié)議層和消息處理任務(wù)可能需要大量資源。集成的Wi-Fi模塊（通常包含天線并經(jīng)過特定Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證）可以消除絕大多數(shù)Wi-Fi實(shí)施任務(wù)。這些模塊通常通過經(jīng)過驗(yàn)證的UART接口或更現(xiàn)代的SPI或I 2 C風(fēng)格提供簡(jiǎn)單的串行接口。模塊集成了所有協(xié)議處理任務(wù)，通常是模塊化MCU，因此簡(jiǎn)單的主機(jī)命令可以訪問所有關(guān)鍵的Wi-Fi連接功能。

帶集成MCU的Wi-Fi模塊示例是STMicroelectronics的SPWF01系列（例如SPWF01SA.11）。它采用單芯片802.11 b/g/n收發(fā)器配置，集成STM32微控制器，具有廣泛的GPIO套件。這些模塊還集成了定時(shí)時(shí)鐘和穩(wěn)壓器，可提供完整緊湊的解決方案?；诰哂?.5 MB閃存或512 kB閃存的集成閃存，存在兩個(gè)模塊選項(xiàng)。該模塊還可以配置嵌入式微型2.45 GHz ISM頻段天線或u.fl連接器，用于外部天線連接。這些模塊具有低功耗和小外形尺寸，甚至可用于基于電池的應(yīng)用。下面的圖1說明了這些模塊的緊湊性。

圖1：STMicroelectronics串行到Wi-Fi模塊。 （由STMicroelectronics提供）

這些模塊包括一個(gè)集成的全功能TCP/IP協(xié)議棧，增加了Web服務(wù)器和其他應(yīng)用服務(wù)功能。該軟件包還包括一個(gè)AT命令層接口，用于通過UART串口簡(jiǎn)化對(duì)堆棧的訪問。

將Wi-Fi模塊與用戶可訪問的MCU一起使用的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是通常降級(jí)到主控制MCU的管理任務(wù)可以卸載到模塊。這有助于更好地劃分系統(tǒng)功能，并且如果模塊可以在主MCU處于低功耗模式時(shí)自主運(yùn)行，則可以顯著降低功耗。特別是，橋接應(yīng)用程序可以在Wi-Fi連接接收數(shù)據(jù)時(shí)使用此功能。如果可以緩沖接收的數(shù)據(jù)直到接收到完整的消息，則主處理器可以保持低功率模式，直到需要消息處理。相反，如果不需要Wi-Fi模塊，例如在準(zhǔn)備傳輸BLE消息時(shí)，可以將模塊置于低功耗狀態(tài)，直到需要進(jìn)行消息傳輸。

套件加速開發(fā)

評(píng)估和開發(fā)Wi-Fi設(shè)計(jì)的最快方法之一是使用MCU制造商提供的眾多開發(fā)套件之一。這些套件包括您可以利用的所有硬件，可用于創(chuàng)建您自己的設(shè)計(jì)。

此類套件的一個(gè)很好的說明性示例是Atmel SAMW25-XPRO評(píng)估套件。該套件包括下面圖2所示的電路板，顯示電路板的正面和背面。該套件基于Atmel ARM ? Cortex ? -M0 + MCU技術(shù)。擴(kuò)展連接器可與各種其他Atmel板一起使用，包括帶MicroSD卡接口的傳感器IO，或帶LED和機(jī)械按鈕的顯示面板?？梢葬槍?duì)套件的示例設(shè)計(jì)包括簡(jiǎn)單的用戶功能，例如掃描接入點(diǎn)，連接到安全WPS，以及如何以特定Wi-Fi模式（站點(diǎn)，接入點(diǎn)和客戶端）啟動(dòng)，以及更復(fù)雜的示例應(yīng)用包括協(xié)議處理，甚至完整的天氣監(jiān)測(cè)和報(bào)告演示。

圖2：Atmel SAMW25-XPRO評(píng)估套件硬件。 （由Atmel提供）

智能建筑傳感器橋設(shè)計(jì)示例

我們現(xiàn)在可以看一下智能建筑Wi-Fi網(wǎng)橋的示例實(shí)現(xiàn)，它說明了使用無(wú)線連接來聚合傳感器數(shù)據(jù)是多么容易。圖3顯示了智能構(gòu)建Wi-Fi網(wǎng)橋示例的框圖，該網(wǎng)橋具有藍(lán)牙LE和Wi-Fi連接，本地存儲(chǔ)以及用于緊急備份的本地電源管理。賽普拉斯PSoC 4 SoC（例如，CY8C4247LQI-BL483）提供與本地藍(lán)牙LE環(huán)境傳感器的連接。 ST SPWF01連接到Wi-Fi，模塊內(nèi)MCU可以為不使用無(wú)線協(xié)議的共置傳感器提供有線連接。為了在斷電期間繼續(xù)運(yùn)行，可以將太陽(yáng)能電源路由到橋接器，并且可以使用Linear Technologies LTC3588能量收集電源管理集成電路（PMIC）來最佳地捕獲和存儲(chǔ)電力。例如，凌力爾特公司的LTC3225超級(jí)電容充電器可用于在Maxwell Technologies BCAP0050超級(jí)電容器上存儲(chǔ)能量，這樣即使沒有太陽(yáng)能，電橋也可以通過最低限度的電力為其提供必要的應(yīng)急服務(wù)?？赡?。

圖3：智能建筑傳感器 - 橋接器實(shí)現(xiàn)框圖

大部分的低級(jí)實(shí)現(xiàn)智能建筑傳感器橋可從設(shè)備制造商處獲得，特別是通過Wi-Fi和藍(lán)牙低功耗的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議可用作示例設(shè)計(jì)或軟件庫(kù)。這使得開發(fā)人員可以專注于他們獨(dú)特的差異化功能，可能是為了提高緊急情況下的能力，改進(jìn)低功耗操作，或使用本地化智能算法進(jìn)行智能數(shù)據(jù)聚合，以測(cè)量和預(yù)測(cè)建筑物使用模式，從而更好地管理建筑物供暖和制冷?？偠灾S著智能建筑幾乎每個(gè)部分對(duì)智能傳感器的需求不斷增長(zhǎng)，傳感器數(shù)據(jù)聚合和橋接要求也將不斷增長(zhǎng)。使用MCU和Wi-Fi模塊以及制造商提供的相關(guān)套件和設(shè)計(jì)示例將大大簡(jiǎn)化這些新設(shè)備帶來的實(shí)施挑戰(zhàn)。