设计WSN无线传感网络,选料有何诀窍?

物联网的兴起带旺了很多新兴的技术和产品,无线传感网络(Wireless Sensor Network,简称WSN)就是其中之一。对于WSN最简单的理解就是,将传统的传感器技术和网络通讯融合在一起,让物联网节点同时具备感知和通信能力,使无处不在的传感器不再是各自为战的数据孤岛,而是构成一个可靠、高效、智能的数据“生产”和传输体系,因此WSN也被认为是物联网的核心支撑技术之一。

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不过WSN这个概念说起来简单,但在实际设计过程中并不是将已有功能电路和模块简单地拼凑在一起,还是会遇到很多新的挑战。

WSN的设计挑战

如果我们去拆解一个WSN的节点设备,会发现其主要包含传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块几部分(如图1)。

“图1,WSN节点设备的结构”
图1,WSN节点设备的结构

传感器模块:负责采集特定感测对象发出的信号,并将其转化为可处理的数据。

处理器模块:对整个WSN节点设备进行控制,处理和存储本身采集的及从其他节点设备发来的数据。

无线通信模块:与其他节点设备进行无线通信,交换应用数据和网络管理控制数据。根据WSN的应用场景,需要支持不同的无线通信协议。

能量供应模块:提供WSN节点运行所需的能量和电源管理功能。由于WSN节点通常要求具备低功耗的特性,因此会采用电池供电,甚至是会采用能量采集技术从环境中捕获所需的能源。

可见,人们心目中的理想WSN节点设备应该是一个多功能的完整系统:一方面它需要具备足够的性能,甚至在某些应用中可以对数据进行预处理,完成更智能的边缘计算任务;另一方面它作为需要大规模部署的设备,也会受到功耗、成本、可靠性等方面的约束。因此WSN节点的设计,就是一个在诸多要求中不断权衡以达到最优均衡的过程,这是十分考验开发者功力的。而在这个过程中,每一个关键元器件的选型都不能随便。

传感器模块的选料

作为物联网数据的源头,WSN中传感器模块的设计是关键的第一步,也是确保数据质量的核心。寻找能在WSN传感器模块中胜任的元器件,选料时除了要观察其是否能够满足相关性能要求之外,还有三个要素需要重点考量:

1、可配置
如果有可选的多种工作模式,方便开发者根据需要灵活配置,会让WSN具备更广泛的适应性。

2、低功耗
功耗显然是WSN节点的硬指标,任何有利于降低系统功耗的举措在选料时都是惹眼的“加分项”。

3、高集成
更高的集成度,会让WSN节点在减小外形、控制成本等方面更加游刃有余,为大规模部署和应用创造条件。

按照这样的选料标准,究竟什么样的元器件才有资格“入选”?下面我们通过几个实例详细说明。

可配置的ADC

从图1中可以看到,ADC是WSN传感器模块中必备的功能电路,它的职责就是将传感器探测到的模拟信号转化为处理器可以“读懂”和处理的数字信号,ADC的优劣会直接影响到物联网中数据的精度和质量。

Analog Devices推出的AD7768是一款性能上十分出色的ADC,这是一个8通道(AD7768-4为4通道)、24位、Σ-Δ型ADC,每个通道都包括一个Σ-Δ调制器和数字滤波器,以提供交流和直流信号的同步采样,可实现最高256kSPS的输出数据速率,108dB动态范围,高达110.8kHz的输入带宽、±2 ppm积分非线性(INL)、±50 μV失调误差和±30 ppm增益误差的性能,非常适合在传感器后端做数据转化之用。

“图2,AD7768的系统框图(资料来源:ADI)”
图2,AD7768的系统框图(资料来源:ADI)

除了上述这些ADC性能的典型指标,AD7768在可配置性方面有特别的设计——它提供快速、中速和低功耗三种工作模式,使得用户可在输入带宽、输出数据速率和功耗之间进行权衡和选择,以优化噪声和功耗特性(详见表1)。AD7768的这一灵活性使其在低功耗直流和高性能交流测量模块中,成为最为适合、可重复使用的平台,自然是WSN传感器模块的理想选择。

“表1:AD7768三种可配置的工作模式(资料来源:ADI)”
表1:AD7768三种可配置的工作模式(资料来源:ADI)

高集成的传感器

随着设计和工艺的进步,半导体器件的集成度在不断提高,市场上出现了将传感器和ADC集成在单一封装内的方案,这对于要求空间紧凑的WSN节点来说当然是个好消息。

比如Analog Devices公司的3轴MEMS加速度计ADXL362,就是其中一个代表性的产品,从图3中可以看到,在该器件中除了加速度传感器,还集成了一个12位ADC,可以直接提供数字信号输出,通过SPI与主处理器进行数据通信,这显然会让整个系统更为简洁。

“图3,3轴MEMS加速度计ADXL362框图(资料来源:ADI)”
图3,3轴MEMS加速度计ADXL362框图(资料来源:ADI)

特别值得一提的是,由于内置了一些列系统级节能特性,ADXL362在功耗优化方面表现非常突出。这些低功耗特性包括:

  • 与使用功率占空比来实现低功耗的加速度计不同,ADXL362没有通过欠采样混叠输入信号,而是采用全数据速率对传感器的整个带宽进行采样。

  • 支持可调阈值的睡眠和唤醒工作模式,待机电流仅为10nA,在工作模式下测量速率为6Hz时功耗低至270nA。

  • 具有可自主中断处理,而无需微控制器干预,系统其余部分可以完全关断,有效降低功耗。

  • 深度嵌入式FIFO,最大限度减轻主机处理器负荷。

  • 唤醒状态输出支持实现独立的运动激活开关。

这些优化功耗的举措,使得ADXL362即使是通过纽扣电池供电,也毫无压力。这样的特性正是WSN节点所需要的。因此ADXL362对于工业应用预测性维护所需的振动检测应用,是不错的选择。

在追求高集成性的道路上,有些器件走得更远。Analog Devices的精密微型MEMS惯性测量单元 (IMU)ADIS16505,在一个15mm × 15mm × 5mm的BGA封装内,集成了一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计,同时集成了可优化动态性能的信号调理功能,可在各种条件下提供准确的传感器测量。每个传感器的灵敏度、偏置、对准、线性加速(陀螺仪偏置)和冲击点(加速度计位置)的校准均可在工厂生产过程中完成,大大缩短了系统集成时间。可以说,ADIS16505为在工业系统中实现精确的多轴惯性检测,提供了一种简单且经济高效的方法。

“图4,ADIS16505精密微型MEMS
图4,ADIS16505精密微型MEMS IMU框图(资料来源:ADI)

系统解决方案

以上我们以传感器节点为例,探讨了WSN节点设计选料中需要注意的一些关键要素。不过这对于一个完整的WSN系统设计,显然还不足够,想要做出一个“完美”的设计,还要具备更多传感器、信号处理、RF等方面的专业知识和经验,对大多数物联网应用开发者来说这显然是一个不低的门槛。

为了应对这一设计挑战,Analog Devices公司推出了完整的WSN系统级解决方案,从信号检测所需的传感器、ADC,到处理器、RF模块所需的核心器件,以及电源、放大器等配套物料,都有经过验证的产品可以提供,开发者可以方便地从中挑选和评估自己所需的元器件,而无需从成百上千的产品中“大海捞针”,让WSN的设计流程大为简化。

“图5,Analog
图5,Analog Devices完整的WSN系统级解决方案(资料来源:ADI)

总之,WSN已经成为物联网中一个极具前景的技术方向,在工业、农业、环境监测、智能建筑、智慧城市、医疗健康、军事国防等领域都有巨大的应用空间,但是作为一个新兴的产品品类,WSN在设计上也面临着诸多挑战,在核心元器件选料上需要更为用心。掌握WSN特性,抓住相关元器件选型的要点,以及找到可以提供完整的系统解决方案的供应商,这都是加速WSN研发进程的诀窍。

最后,我们将本文中所涉及的一些WSN相关的设计和选型资源归纳如下,希望对大家有所助力↓↓↓

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