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楼宇自动化/工业现场的变革——ADI无线传感器网络开发套件EV-ADRN-WSN-1Z评测

ADI_Amy 員工 在 2015-10-13 建立的討論區
最後回覆由ADI_Amy於2015-10-19提供

本文转自爱板网,原文链接:http://www.eeboard.com/evaluation/wsn-blunch-eva/

 

 

随着物联网应用的不断突破,我们越来越能感觉到在实际生活中IoT带来的便利性,比如目前比较先进的楼宇自动化照明,通过各类传感器如红外监测或者是声音监测,一旦感应到事件则自动触发照明,这样的功能,遍布在大楼每一处需要的地方,然后再通过无线网络实现监视、控制,这就成了目前极为流行的楼宇自动化照明控制,其中我们所需要应对的难题是如何在楼宇复杂的环境中使无线网络能达到较高的通信质量。针对这样的情况,ADI推出了一整套基于Sub-GHz技术的无线传感器节点(WSN)解决方案——EV-ADRN-WSN-1Z,通过部署低功耗传感器和其他测量系统,以无线方式实现各种复杂环境下数据采集、控制,从而大大加增强自动化管理监测和维护。

 

目前ADI的这套无线传感器网络开发套件有两个版本,Bunch版以及Cluster版,两者最大的区别在于无线通信控制系统的不同:

  • Bunch版本:采用ADI ADuCRF101无线单芯片解决方案(集成TRx + ARM Cortex M3 MCU)
  • Cluster版本:采用ADI ADF7024 Sub-GHz ISM频段收发器+瑞萨16位MCU (RL78-G13)

 

EV-ADRN-WSN-1Z

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套件内包括了一块网关节点板EV-ADuCRF101MKxZ,两块多传感器节点板EV-BUNCH-WSN,一个仿真调试器以及开发套件周边的一些配件:天线、miniUSB线,4GB的资料U盘。其中,两块多传感器节点板的硬件是一模一样的,在此唯一的区别是出厂的时候烧录了不同的固件,从官网资料上来看,一块传感器板主要是传输三轴加速度计的数据,另一块传输温湿度的数据。


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整套开发套件的工作原理是通过网关节点板收集来自传感器节点板的数据,实现信息数据的整合,数据传输的主要方式是通过ADI的无线单芯片解决方案ADuCRF101来实现的,我们具体来看下这个套件中网关节点板与多传感器节点板的特性。

 

EV-ADuCRF101MKxZ

EV-ADuCRF101MKxZ是一块硬件系统非常简单的板子,可以说就是基于ADI ADuCRF101无线单芯片的一个最小系统板。

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板卡搭载一个6pin的可编程调试接口以及一个SMA天线射频接口,6pin的调试接口通过连接套件中的仿真调试器实现板卡供电、编程,SMA射频天线接口直接可以连接套件内的天线,如下图所示。


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另外,板卡两侧将ADuCRF101芯片的空余IO引脚都扩展出来,方便工程师根据自己的需求做一些DIY的扩展,整个设计考虑得还是非常周到的。

 

ADuCRF101

归功于ADuCRF101的高集成度,板卡无线系统功能的实现只需芯片外部少量的电子元件,大大的降低了工程师在电路设计时的难度,那究竟ADuCRF101内部集成了些什么样的功能呢?

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ADuCRF101主要特性:

  • ARM Coretx-M3处理器,集成128KB Flash、16KB SRAM
  • 集成RF收发器,无线频段:862 MHz to 928 MHz,431 MHz to 464 MHz
  • RF接收灵敏度:−107.5 dBm at 38.4 kbps
  • 6通道12位 SAR ADC,采样率167kSPS
  • 功耗:Rx:12.8mA、Tx:9~32mA,280nA关断模式
  • 支持众多外设接口:如UAR、I2C,  SPI等I/O
  • 封装:64-lead, 9 mm × 9 mm LFCSP


从硬件系统框图来看,ADuRF101芯片内部集成了ARM Cortex-M3处理器,Sub-GHz无线射频部分、模拟ADC部分、包括定时器、IO口等外设资源,可以说,芯片本身就是一个非常完整的无线通信控制系统,这种将无线通信、微控制器整合在一起大大的降低了工程师在电路设计时的难度,但同时,这种整合对芯片本身的性能也是极大的考验,但从官网给出的数据来看还是非常值得期待的。

 

不过,看到这,或许有人会有疑问,什么是Sub-GHz无线技术呢?这和我们平时经常接触的WiFi、低功耗蓝牙技术又有什么不同呢?在无线通信中,通常小于1GHz频段我们称之为“Sub-GHz”,而且这种技术也已经存在多年,这样的无线技术比较适合于传输距离远、低功耗、低数据速率、传输数据量少的应用,由于其更大的覆盖范围和更强的广播能力,往往会成为工业与商业应用的首选,比如我们文章一开始提到的楼宇自动化明,这要比我们所经常见到的Wi-Fi、Bluetooth和ZigBee等使用2.4 GHz频段的无线系统更加满足这类领域的需求。具体的特性可以参考如下的表格。

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EV-BUNCH-WSN

另外,我们再来看下多传感器节点板EV-BUNCH-WSN,因为套件中的两块板子的硬件是一样的,这里选择其中一款来介绍。如下图所示,EV-BUNCH-WSN板卡的主控和通信部分同样是采用了ADI ADuRF101无线单芯片的解决方案,这里就不再重复介绍了,而从多传感器节点板的命名我们也不难推测,EV-BUNCH-WSN板卡肯定搭载了众多的传感器,看看分别有些什么呢?

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板载传感器:

  • 三轴加速度计:ADXL362BCCZ
  • 数字温湿度传感器:SHT21
  • 环境亮度传感器:APDS-9005
  • 数字温度传感器:ADT75ARMZ
  • PIR运动侦测传感器(未贴片)

 

从板卡搭载的这些传感器来看,仔细点的朋友一定能发现它们之间有个共同点,都是属于ADI自家的产品,众所周知,传感器是IoT、智能硬件等重要的组成部分,在这个物联网高速起飞的时代,ADI正逐步扩大这个领域的产品线,相应今后我们也能见到更多相应的产品。

除了搭载众多的传感器,EV-BUNCH-WSN板卡接口也是非常丰富的,对于初次接触这块板卡的工程师来说,熟悉这些接口的功能也是不小的挑战,各接口上具体的功能如何操作将在上电使用的过程中详细介绍。另外,我们也可以从板卡背面看到,多传感器节点板是可以通过3.3V的纽扣电池供电的。

 

上电使用

EV-ADRN-WSN-1Z开发套件是一款开箱即可使用的产品,板卡都已经烧录好了出厂程序,我们只需按照使用指导手册的步骤即可完成无线数据采集的小实验,当然在实验演示前,还需要做一些准备工作。


首先需要安装一个名为AnodeCenterPoint的软件,通过这个软件我们可以直观的观察和分析从传感器节点板传输到网关板上的数据,软件可以在ADI 提供的U盘下Start Here文件夹中找到。实际上,除了实验中的一些工具软件,ADI提供的U盘中还附带了丰富的资料文档,包括了电池估量工具,数据手册、硬件原理图、视频教程、使用指导等,完全省去了工程师刚接触产品时费心收集资料的时间。(如果用户需要最新的资料或者软件,还是推荐去ADI官网下载。)

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将EV-ADuCRF101MKxZ网关板上电后,我们可以通过AnodeCenterPoint软件中Find devices找到相应的设备。

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设备详细信息中显示了协议栈版本以及ISM频段(868MHz)等信息。

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要将传感器节点板的数据传输到网关板卡上,首先要给传感器节点板供电,说起来,这部分的供电“花样”还非常多,先是包含了3种供电,分别为CR2032纽扣电池供电、USB信号供电、Energy Harvesting接口供电,供电的几个接口说明如下图所示。

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这里需要注意的是,USB供电并不是指板卡上搭载了USB接口可以直接供电,而是通过USB的电源信号线供电,实际操作中还是要通过杜邦线或其它连接线连接5V电源。而我们所说的这3种供电方式中CR2032纽扣电池和Energy Harvesting接口供电又分别设置为是否通过板载的LDO(ADP160AUJZ-2.7,2.7V输出)供电,具体的操作方式这里就不再一一说明,可以参考用户指导手册,而5V USB线供电没有这种设置是因为它必须通过LDO降压输出,不然超过了板载芯片的耐压值了。

 

从这很普通的供电电路上,我们也发现了ADI电源设计之初考虑的非常周全,让工程师可以对不同的供电源进行实际产品的性能评估,可谓用心良苦。下面笔者就选用了最简单的供电方式,通过板载的纽扣电池直接供电(不再通过LDO),直接闭合LK2上C位置处的跳帽。

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在LK2 C位置处跳帽闭合的瞬间可以看到电源LED指示灯闪烁一下,传感器节点板上电后,网关板会收集来自传感器节点板的数据,我们可以从AnodeCenterPoint软件上看到最直观的显示,如下图所示。

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用同样的方式将另一块传感器板上电,此时可以在软件中看到两个不一样的设备发送过来的数据。

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在AnodeCenterPoint软件的Network overview标签中可以看到分别接收来自三轴加速度计与温湿度计的直观数值。

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在Node perfermance可以查看到无线信号质量的表现,下图是两个设备非常接近时候的表现,我们能看到RF质量是非常好的,RSSI在-49dBm,而随着笔者将传感器节点板移到更远的地方测试,RSSI会有所下降,但是在笔者整个公司的测试中,信号最差的时候也有-70dBm左右。

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另外我们还可以通过ANodeConfig应用程序重新配置RF的参数。

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有经验的工程师可以根据产品的需求自定义RF的频率,传输速率等,本文就不再一一介绍了。不过有一点需要注意的是ANodeCenterPoint与ANodeConfig这两个软件是不可以同时使用的。

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总的来说,ADI EV-ADRN-WSN-1Z是一套极易上手使用的无线传感器网络开发套件,虽然多传感器节点板EV-BUNCH-WSN上的传感器有限, 但是网关节点板EV-ADuCRF101MKxZ的接口相对灵活,引出的IO口可以让工程师扩展更多的传感器类型,可以行之有效的帮助工程师便利的开发实际系统;而且在工程师非常关心的功耗方面,板卡所搭载的ADI ADuCRF101无线单芯片解决方案可以维持在Rx:12.8mA、Tx:9~32mA的功耗水平,加上不同的低功耗模式,即使一节电池供电也能持续几年之久(ADI光盘中就提供了针对无线系统的电量估算工具,有兴趣的朋友可以亲自测试一下),对于想了解传感器、想应用Sub-GHz无线技术做一些低功耗应用的工程师来说,ADI的这个无线传感器网络套件实属难得的贴心开发工具。

 

 

小结

介绍了ADI最新推出的无线传感器网络开发套件EV-ADRN-WSN-1Z,套件主要包括了一块EV-ADuCRF101MKxZ网关节点板以及两块传感器节点板EV-BUNCH-WSN,通过Sub-GHz无线技术实现传感器数据的观察、分析。

 

 

板卡搭载了ADI核心的单芯片无线解决方案ADuCRF101(内部集成了ARM Cortex-M3处理器、Sub-GHz无线射频部分、模拟ADC等外设资源)、三轴加速度计、环境亮度传感器、数字温湿度传感器、数字温度传感器等资源,另外EV-ADRN-WSN-1Z还支持多个主流工业现场无线协议栈,如6LoWPAN、ADRadioNET、WMBus、WiSun,这块一向是国内客户的短板,ADI提供的全套资料对于想实现云连接下低功耗无线数据采集系统应用的工程师来说还是非常实用的。

結果