物聯(lián)網(wǎng)，尤其是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT)，不僅要在很多業(yè)務(wù)部門之間產(chǎn)生變革性的影響，還要為嵌入式 IIoT 解決方案的開發(fā)帶來根本性的轉(zhuǎn)變。很多負(fù)責(zé)此類項(xiàng)目的工程師選擇市售的單板計(jì)算機(jī) (SBC) 作為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。盡管這種方法可以快速產(chǎn)生結(jié)果，但也會(huì)讓開發(fā)人員難以輕松地將最終的設(shè)計(jì)付諸大批量生產(chǎn)。當(dāng)選擇原型開發(fā)平臺(tái)時(shí)，一定要仔細(xì)檢查作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的 MCU 以及各種支持元件，以了解它們是否可以單獨(dú)購買并能夠從頭集成到新的設(shè)計(jì)中。

本文將重點(diǎn)介紹用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的簡單溫度傳感器平臺(tái)的設(shè)計(jì)，還將重點(diǎn)說明所使用的個(gè)別元件。此外，此平臺(tái)不僅用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)理念，還將展示如何利用功耗調(diào)查對開發(fā)進(jìn)行微調(diào)以及如何優(yōu)化功耗。

圖 1： IIoT 溫度傳感器的基本功能要求

考慮圖 1 中所示的簡單溫度傳感器設(shè)計(jì)。此圖突出顯示了需要為將自身的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云平臺(tái)上的電池供電型溫度傳感器設(shè)計(jì)的基本功能塊。微控制器 (MCU) 會(huì)按預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔輪詢溫度傳感器，然后使用無線設(shè)備建立通信鏈路并向負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)的云應(yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)。對設(shè)計(jì)工程師而言，在選擇要使用的元件時(shí)需要做出很多個(gè)人決定，這些決定會(huì)影響物料清單成本。例如，溫度傳感器可能包括專用的溫度傳感器（例如Analog Devices 推出的暢銷 TMP36 系列），或者更加全面的溫度、濕度和氣壓組合傳感器（例如 Bosch Sensortec BME280），或者 Epcos-TDK 推出的普通表面貼裝 PTC 熱敏電阻器。成本只是其中一個(gè)考慮因素，還需要考慮精度、容差和接口方法。選擇的傳感器還會(huì)決定 MCU 規(guī)格。如果使用經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的熱敏電阻器，在所需的溫度范圍可能無法與溫度呈線性關(guān)系，因此需要通過軟件執(zhí)行某種程度的斜率計(jì)算。盡管實(shí)現(xiàn)此目的所需的 MCU 資源數(shù)量是最少的，但仍需要加以考慮。從另一個(gè)極端來看，BME280 需要與主機(jī) MCU 進(jìn)行 SPI 或 I2C 通信，因此需要使用一個(gè)具有這些接口功能并能夠控制傳感器和處理更多數(shù)據(jù)的設(shè)備。

對于通信方法，也同樣需要做出很多關(guān)鍵決定。最重要的決定或許是要使用的無線協(xié)議，最常用的協(xié)議是藍(lán)牙和 Wi-Fi。藍(lán)牙可進(jìn)行短距離的通信，適合傳輸相對較少的數(shù)據(jù)，通常與網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行通信，網(wǎng)關(guān)設(shè)備可能會(huì)首先將數(shù)據(jù)整合，然后再使用長距離通信協(xié)議（例如 Wi-Fi）進(jìn)一步傳輸這些數(shù)據(jù)。利用傳感器進(jìn)行 Wi-Fi 通信時(shí)，無需使用中間網(wǎng)關(guān)，因此可進(jìn)行長距離通信，適合傳輸更多的數(shù)據(jù)，但功耗會(huì)更高。

決定使用無線通信之后，還需要決定是選擇使用分立方法還是預(yù)認(rèn)證的無線模塊。除非您的公司擁有自己的射頻專家設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)且預(yù)期的產(chǎn)量非常高，否則很可能會(huì)使用模塊方法。

這種設(shè)計(jì)的最終功能是電源管理。為傳感器供電的其中一種方法是從可更換的鈕扣電池供電，但也可以使用具有無線能量收集技術(shù)或小型太陽能板的充電電池。此外，如果能夠?qū)?MCU 和無線模塊置于多種不同的休眠模式，則會(huì)非常有利于降低功耗以延長電池壽命。通常使用軟件來以這種方式實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制。這種設(shè)計(jì)的其他考慮因素還包括預(yù)期的產(chǎn)量，以及此傳感器是否有可能是公司希望開發(fā)并推出的眾多傳感器產(chǎn)品之一。如果是后一種情況，則開發(fā)基于平臺(tái)的方案可獲得更多的優(yōu)勢，在該方案中，MCU 和無線功能在整個(gè)系列內(nèi)都是通用的，每種型號只有傳感器特定的電路有所不同。

當(dāng)原型開發(fā)考慮采用傳感器設(shè)計(jì)（例如前面重點(diǎn)介紹的設(shè)計(jì)）時(shí)，設(shè)計(jì)工程師可以通過多種不同的方式搭建設(shè)計(jì)。過去，制造商的開發(fā)套件和評估板提供了構(gòu)建設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的理想學(xué)習(xí)平臺(tái)，不過在很多情況下集成各種功能時(shí)，需要執(zhí)行一些設(shè)計(jì)工作和嵌入式開發(fā)。但完全集成的新款緊湊型單板計(jì)算機(jī) (SBC) 正日益受到希望最大限度縮短原型開發(fā)時(shí)間的工程師的歡迎，這種設(shè)計(jì)足夠開源，因此工程師能夠以此 SBC 為中心構(gòu)建最終設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在這種情況下，必須能夠買到 SBC 的所有核心元件，并且知識(shí)共享許可證必須涵蓋所有的器件庫。

完全集成的緊湊型 SBC 的一個(gè)很好的例子是 Adafruit Feather M0 Wi-Fi（圖 2）。

圖 2： Adafruit Feather M0 Wi-Fi 單板計(jì)算機(jī)。

Adafruit Feather M0 Wi-Fi 的重量僅為 6.1 克，尺寸僅為 2.1 x 0.9 x 0.3 英寸，配有采用 QFN 封裝并以 48 MHz 頻率運(yùn)行的 Microchip ATSAMD21G18 MCU 以及 256 kB 閃存和 32 kB SRAM。這款采用 Arm? Cortex?-M0 的設(shè)備提供了 20 個(gè)可用的 GPIO 引腳、8 個(gè) PWM 端口、10 個(gè) 12 位的模擬輸入和 1 個(gè) DAC。外設(shè)的串行通信接口包括 SPI、I2C 和 UART。板載 Diodes Inc. AP2112K-3.3 3.3 VDC 穩(wěn)壓器的峰值電流能力為 600 mA，允許整個(gè)開發(fā)板通過微型 USB 連接器供電。邏輯電平保持在 3.3 VDC，因此如果連接到任何 5 VDC 設(shè)備，需要使用電平位移器。此外，該板也可以通過 3.7 VDC LiPo 電池和微芯片 MCP7331T-2ACI/OT 充電器 IC 結(jié)合供電。已通過類型審批的 FCC 認(rèn)證微芯片 ATWINC1500 模塊配有集成天線，可進(jìn)行 2.4 GHz、802.11 b/g/n Wi-Fi 通信。在正常工作條件下，MCU 的板功耗約為 10 mA，無線模塊傳輸期間的板峰值功耗為 300 mA。

Adafruit Feather M0 Wi-Fi 示意圖如圖 3 所示。

圖 3： Adafruit Feather M0 Wi-Fi 示意圖。

該板的 BOM 包括一個(gè) 32.768 kHz 的晶體、四個(gè) LED 以及幾個(gè)電阻器和電容器。

具有 USB 引導(dǎo)程序的 MCU 允許使用暢銷的 Arduino IDE，為 Feather 產(chǎn)品的軟件開發(fā)提供了便利。使用這種方法可以快速開發(fā)應(yīng)用程序，而緊湊的 Feather 板可輕松集成到早期小批量生產(chǎn)的測試版新產(chǎn)品中。專業(yè)開發(fā)人員無需使用 Feather 的 Arduino USB 串行程序和調(diào)試功能，相反，他們可以選擇使用 Atmel 軟件框架 (ASF)，此框架使用位于板下側(cè)的 SWDIO/SWCLK 引腳。

正如前文所述，成功使用 SBC 為您的設(shè)計(jì)開發(fā)原型的關(guān)鍵在于能夠基于 SBC 的核心元件搭建您自己的設(shè)計(jì)。Adafruit Feather M0 無疑也支持這種方法。MCU 和無線模塊可在市面上直接夠得，提供多種開發(fā)工具和資源?？梢栽诖颂幷业?Microchip SAMD21G18 微控制器規(guī)格書，此規(guī)格書詳細(xì)說明了可用的器件選項(xiàng)和封裝尺寸。硬件資源包括 ATSAMD21 XPRO 評估板、內(nèi)容全面的用戶指南，以及在在線仿真器、編程器和調(diào)試器 (Atmel-ICE)，還包括一系列擴(kuò)展板，例如裝有多種傳感器的 ATIO1-XPRO。WINC1500 也受到開發(fā)資源的良好支持，包括可與 ATSAMD21 XPRO 配合使用的 XPRO 擴(kuò)展板 ATWINC1500-XPRO。

Feather 提供了一個(gè)可用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)理念并開發(fā)原型的理想開發(fā)平臺(tái)，不僅如此，它所基于的所有元件都是現(xiàn)成的，這意味著您也可以信心百倍地將原型設(shè)計(jì)投入到生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段。

為了展示為 IoT 應(yīng)用開發(fā)原型的便利性，本文引用了一個(gè)示例，此示例將 Feather M0 Wi-Fi 連接到 Microsoft 的 IoT 服務(wù) Azure?？梢栽诖颂幷业饺娴脑敿?xì)說明，包括與 Arduino IDE 配合使用的所需庫以及 Azure 設(shè)置說明，這些說明可指導(dǎo)工程師完成將 Feather 板連接到 Azure 所需的準(zhǔn)備步驟。

Microsoft Azure 是企業(yè)級彈性 IIoT 平臺(tái)的一個(gè)很好的例子，它不僅能夠與傳感器和致動(dòng)器設(shè)備建立連接，還為所收集的數(shù)據(jù)提供了全套的存儲(chǔ)和分析應(yīng)用程序。使用此平臺(tái)的免費(fèi)試用版可輕松訪問您所需的全部功能。

此應(yīng)用程序展示了 Bosch BME280 溫度、濕度和壓力傳感器的使用，但在此示例中，您無需將傳感器連接到 Feather 即可仿真要發(fā)送的數(shù)據(jù)。

第一步是在此注冊免費(fèi)的 Microsoft Azure 帳戶。完成此步驟之后，登錄并訪問圖 4 中所示的 Microsoft Azure 儀表板。

圖 4： 設(shè)置新的 Azure IoT 中心實(shí)例。

點(diǎn)擊儀表板頁面頂部的 + New（+ 新建）按鈕并選擇 Internet of Things（物聯(lián)網(wǎng)），然后選擇 IoT Hub（物聯(lián)網(wǎng)中心）。隨后即可指定您的 IoT 中心參數(shù)（名稱和資源組），如圖 5 中所示。

圖 5： 在 Microsoft Azure 中設(shè)置 IoT 中心功能。

此設(shè)置過程的最后一個(gè)階段是在 IoT 中心內(nèi)創(chuàng)建一個(gè)設(shè)備。如圖 6 中所示，添加 Device ID（設(shè)備 ID）為 TempSensor1 的設(shè)備。勾選方框并保存后，會(huì)自動(dòng)生成設(shè)備密鑰。當(dāng)運(yùn)行 Feather 草圖之后，您將需要此設(shè)備的主密鑰。在這一點(diǎn)上可能會(huì)產(chǎn)生混淆，因?yàn)?IoT 中心和每個(gè)設(shè)備都有自己的主密鑰。主密鑰是在系統(tǒng)提示輸入連接字符串時(shí)需要輸入的密鑰（圖 8）。

圖 6： 將 Feather 溫度傳感器作為設(shè)備添加到 IoT 中心。

現(xiàn)在即可運(yùn)行所提供的演示草圖，此草圖可以從此處下載。

假設(shè)您已擁有 Arduino IDE，您只需添加用于 Feather M0 板的支持文件。Adafruit 教程會(huì)指導(dǎo)您完成此過程，此教程可以在此處找到。

使用 Blink 示例草圖測試您的 Feather M0 Wi-Fi 板是一種很好的做法。在繼續(xù)操作之前，確保您能夠編譯和上傳草圖，并且板載引腳 13 LED（位于微型 USB 連接器的旁邊）正確閃爍。

要使用演示草圖，您必須將庫清單添加到您的 Arduino IDE 環(huán)境中。請注意，對于 Azure 庫 AzureIoTHub、AzureIoTUtility 和 AzureIoTProtocol_HTTP，您需要安裝 1.0.21 版，否則草圖會(huì)出現(xiàn)編譯錯(cuò)誤而無法運(yùn)行。此外，如果您決定不使用 BME280 傳感器但使用仿真的數(shù)據(jù)，您仍需要包含該傳感器的庫。不僅如此，默認(rèn)情況下，草圖還會(huì)假設(shè)您要使用的是物理傳感器。如果希望仿真數(shù)據(jù)，您需要將 config.h 文件中的標(biāo)題行更改為“#define SIMULATED_DATA true”。

圖 7 突出顯示了完整的庫清單，屏幕的底部表明成功編譯了草圖并已將其上傳到目標(biāo) Feather M0 板。

圖 7： 顯示了庫清單并表明已成功上傳的 Arduino IDE。

上傳了草圖之后，您需要切換到 IDE 的串行監(jiān)視器。當(dāng)寫入草圖時(shí)，需要通過串行監(jiān)視器輸入 Wi-Fi 訪問詳細(xì)信息和 Azure 連接字符串（圖 8）。

圖 8： 輸入 Wi-Fi 和設(shè)備連接信息。

在輸入上述詳細(xì)信息之后不久，您應(yīng)當(dāng)會(huì)在串行監(jiān)視器上看到確認(rèn)信息，表明已建立 Wi-Fi 連接。隨后，F(xiàn)eather 應(yīng)當(dāng)開始向 Azure IoT 中心發(fā)送數(shù)據(jù)，如圖 9 中所示。在本例中，我們一直在使用仿真的數(shù)據(jù)。

圖 9： 顯示正在從 Feather M0 Wi-Fi 發(fā)送消息的串行監(jiān)視器。

當(dāng) Azure 物聯(lián)網(wǎng)中心開始接受消息之后，您可以檢查以確保正在接收消息。圖 10 顯示了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備總結(jié)，其中顯示了接收到的消息的數(shù)量。

圖 10： 顯示消息總結(jié)的 Microsoft Azure IoT 中心。

當(dāng) Azure 平臺(tái)開始接收傳感器數(shù)據(jù)之后，您即可使用某些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析功能進(jìn)行調(diào)查，在 Microsoft Azure 網(wǎng)站上可以找到這些功能的詳細(xì)信息。

正如本文中的前文所述，當(dāng)使用電池作為電源時(shí)，節(jié)省功耗至關(guān)重要。Wi-Fi 是一種特別耗能的協(xié)議，但正如人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到的那樣，與其他方法相比，這種協(xié)議具有很多優(yōu)勢。因此，必須注意優(yōu)化傳感器設(shè)計(jì)的運(yùn)行，以便在不影響傳感器性能的情況下實(shí)現(xiàn)低功耗。MCU 和 Wi-Fi 模塊都能夠被置于休眠模式，這樣可以顯著延長電池壽命。

可以在 SAM-D21 規(guī)格書中找到有關(guān)各種 MCU 節(jié)能模式以及設(shè)備的電源管理功能如何控制這些模式的詳細(xì)信息。也可以在此處找到一條應(yīng)用說明，此說明研究了可以從 MCU 的外設(shè)接口和功能實(shí)現(xiàn)的節(jié)能方法。

ATWINC1500 也提供了幾乎同樣多的節(jié)能資源，包括此應(yīng)用說明中的一節(jié)專門介紹。在 Feather M0 Wi-Fi 教程中，Adafruit 展示了電源監(jiān)視器的使用方法，以說明 Wi-Fi 模塊的功耗差異（圖 11）。

圖 11： Feather M0 Wi-Fi 板功耗。

圖 11 中的橙色線代表 Feather M0 Wi-Fi 板的整體功耗。紫色線表示 LiPo 電池的電源電壓。請注意無線電的運(yùn)行產(chǎn)生的尖峰，第一個(gè)尖峰包含接入點(diǎn)的鏈路設(shè)置。在所進(jìn)行的通信的范圍以外，靜態(tài)電流約為 22 mA，表明 MCU 的電流約為 10 mA、Wi-Fi 模塊的電流約為 12 mA。了解預(yù)期的最終產(chǎn)品的潛在用途有助于確定可實(shí)現(xiàn)的節(jié)能水平。例如，如果每分鐘只需測量一次溫度，并且執(zhí)行溫度測量和與云應(yīng)用通信需要 5 秒鐘時(shí)間，則可據(jù)此將設(shè)備的休眠時(shí)長設(shè)置為至少 55 秒鐘，從而讓設(shè)備在 91% 的時(shí)間內(nèi)處于深度休眠模式。其他節(jié)能方法可能需要執(zhí)行多次溫度測量才能通過 Wi-Fi 發(fā)送測量結(jié)果，也可能只在溫度讀數(shù)不同于上一次的測量結(jié)果時(shí)發(fā)送測量結(jié)果。

總結(jié)

現(xiàn)成的 SBC 提供了一個(gè)用于驗(yàn)證產(chǎn)品概念和構(gòu)建初始原型設(shè)計(jì)的理想平臺(tái)。精心選擇使用市售的暢銷 MCU 和無線元件的 SBC 可以確保在驗(yàn)證原型之后，可以充分利用此類板通常具有的上市時(shí)間優(yōu)勢、開源資源和社區(qū)支持，快速將原型轉(zhuǎn)換為最終設(shè)計(jì)。