基于單片機實現(xiàn)的WiFi無線傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)品綜述

張紅英

西安交通大學電氣工程學院，陜西西安 710049

1 基于WiFi的無線傳感器網(wǎng)絡

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡概述

無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）技術是指將傳感器技術、自動控制技術、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸、儲存、處理與分析技術集成的現(xiàn)代信息技術。無線傳感器網(wǎng)絡是由大量分布式傳感器節(jié)點組成的面向任務型的自組織網(wǎng)絡，主要由存儲器、處理器、傳感器、無線通訊和電池等硬件組成。

1.2 WiFi無線傳感器網(wǎng)絡

WiFi（Wireless Fidelity）是類似Zigbee的一種WLAN的技術標準，是一種短程無線傳輸技術，能夠在數(shù)百米范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入的無線電信號。

事實上WiFi是比Zigbee更早出現(xiàn)的一種技術標準，技術比較成熟，覆蓋范圍廣于Zigbee。另外Zigbee傳輸速率通常在250Kbps以下，而WiFi速率則可達11Mbps，這是WiFi功耗更大需要外接電源的原因，從而限制了其發(fā)展。但是近年來這一缺點利用休眠-喚醒或是能量捕獲技術得到了有效解決，所以基于WiFi技術的無線傳感器網(wǎng)絡正在重新快速發(fā)展起來。

2 基于WiFi的無線傳感器網(wǎng)絡的構建

無線傳感器網(wǎng)絡的構建主要是指無線網(wǎng)絡傳感器節(jié)點的構建，傳感器部分主要負責信息的采集并將其他信號轉變?yōu)殡娦盘柌⑺徒o微控制器；微控制器需要接受傳感器的信號并進行相應的處理；射頻模塊負責發(fā)送數(shù)據(jù)，電源模塊則為系統(tǒng)的工作提供穩(wěn)定可靠的能源。

基于單片機的無線傳感器產(chǎn)品最大特點即是將微處理模塊和RF收發(fā)模塊集成，一般可通過內(nèi)部的單片機實現(xiàn)無線射頻傳輸。比如GainSpan公司的GS1010芯片，它內(nèi)部集成了兩塊ARM，其中一片用于數(shù)據(jù)處理，另外一片用于無線傳輸。GS1010 的APP CPU 對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，隨后再將數(shù)據(jù)進行打包，再通過WLAN CPU 將數(shù)據(jù)打包成符合IEEE802.11 協(xié)議的數(shù)據(jù)無線發(fā)送出去；接收端用符合IEEE802.11b/g 協(xié)議的接入點接收無線載波發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。

3 基于單片機技術的WiFi產(chǎn)品

嵌入式WiFi產(chǎn)品形式各異，基于單片機設計的WiFi無線產(chǎn)品主要有NPE公司的 WiFi-IT!，GainSpan公司的GS1010，RFM公司的WSN802G等。下面我們將選擇這幾個具有代表性的產(chǎn)品進行介紹，并對部分產(chǎn)品進行性能測試。

3.1 GS1010芯片簡介

3.1.1 GS1010結構

GS1010是一個高度集成、超低功耗WiFi無線片上系統(tǒng)，它包含一個802.11射頻前端、媒體控制器（MAC）和基帶處理器，片上FLASH 和片上SRAM，兩個ARM7 處理器，和豐富的IO 外設。

3.1.2 產(chǎn)品的主要特點

1）體積小：所有資源都集中在一個體積是10mm×10mm×0.85mm的芯片內(nèi)，極大的節(jié)約了PCB的面積；

2）極低功耗：采用休眠-喚醒技術極大降低了傳輸功耗；

3）高傳輸速率：數(shù)據(jù)最高傳輸速率可達11Mbps；

4）開發(fā)簡單：使得從有線到無線的技術過渡中，將不再需要重新學習和熟悉ARM單片機的結構/指令系統(tǒng)/編譯開發(fā)工具和實時操作系統(tǒng)。

3.1.3 GEPS

GS1010所特有的開發(fā)環(huán)境GEPS使得第三方公司或是用戶能夠更加系統(tǒng)地開發(fā)自己需要實現(xiàn)的功能，為了幫助客戶縮短開 發(fā)周期， GainSpan還提供了一整套包括SDK、評估平臺、開發(fā)平臺在內(nèi)的軟硬件工具。其軟件棧包括了各種I/O驅動和WLAN固件、RTOS、網(wǎng)絡棧、系統(tǒng)服務、WLAN和I/O服務模塊、各種應用編程接口以及應用軟件。GS1010的SDK能夠幫助工程師節(jié)省大量的時間。 而硬件開發(fā)平臺則能夠支持溫度、濕度、光敏、壓力、加速度等各種傳感器，并預留了客戶自選的傳感器接口和調(diào)試以及程序燒錄接口。

3.2 NPE WiFi-IT!

WiFi-IT! 802.11 WLAN module具有自己的開發(fā)語言WiFi-IT!Basic，這一開發(fā)語言是基于其他基礎語言而專門為無線通訊設計的。另外與之配套的開發(fā)環(huán)境IDE類似于其他普通單片機的開發(fā)環(huán)境，安裝過程簡單，用戶自己可通過創(chuàng)建工程、編寫代碼、編譯程序和下載調(diào)試程序等過程完成軟件的設計。

3.3 RFM WSN802G

WSN802G 是由RFM公司在采用GainSpan公司GS1010系列芯片的基礎上開發(fā)的功能比較具有針對性的產(chǎn)品。其僅有兩個可以采集信號的輸入接口DIN0和DIN1，一個主要是用于測試，另外一個可供用戶直接測量信號。下文將使用DIN1來測試環(huán)境溫度，用戶需要做的即是將溫度傳感器輸出的信號數(shù)字化后送入DIN1中，通過本產(chǎn)品自帶測試軟件WSNConfig.exe配置好無線路由以及芯片的IP地址即可實現(xiàn)測試。

本產(chǎn)品的不足之處是所能同時采集的信號種類較少，因其僅有兩個輸入接口，另外內(nèi)部集成的兩個ARM并沒有物盡其用，因為用戶不能自主地開發(fā)這一功能。被產(chǎn)品適用對象較為固定，一般不適合欲重新開發(fā)更多功能的研發(fā)者使用，主要適用于如檢測某幾個特定環(huán)境中的溫度變化等比較直觀的信息。

4 WSN802G測溫系統(tǒng)測試

本設計購買RFM公司的WSN802G芯片，自行設計出一套環(huán)境測溫系統(tǒng)，本系統(tǒng)利用溫度傳感器測量溫度，傳輸給WSN802G芯片，經(jīng)過處理再無線傳輸至上位機系統(tǒng)。上位機我們是用支持WiFi無線傳輸?shù)腜C機實現(xiàn)的，只要加入無線路由器，動態(tài)地給下位機和上位機配置好IP地址，即可實現(xiàn)二者之間的通訊。

我們將傳感器置于室溫下，測量系統(tǒng)和PC機距離10m左右時得到測試結果如下圖所示：

圖1 測試結果

進一步將測試距離增大，或者是經(jīng)過障礙物，在產(chǎn)品給定條件下測試結果仍然比較精確。

5 結論及展望

伴隨著關于WiFi技術的一些問題的解解決，基于WiFi的嵌入式微處理器片上系統(tǒng)今年來發(fā)展蒸蒸日上，本文在分析構建無線傳感器網(wǎng)絡主要技術要點之上，詳細介紹了幾款國外應用較為廣泛具有代表性的產(chǎn)品，對比了各類產(chǎn)品要點，并對部分產(chǎn)品進行了性能測試，能夠為開發(fā)者開發(fā)新產(chǎn)品提供一定的依據(jù)。

[1]郁萬里，黃艷秋.基于WiFi 的位移傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的軟件設計.中國科技論文在線.

[2]宮鵬.無線傳感器網(wǎng)絡技術環(huán)境應用進展[J].遙感學報，2009，7.

[3]徐磊.基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡定位技術研究[D].哈爾濱工程大學，2009，3.

[4]http://www.RFM.com/.

[5]http://www.gspain.com/.