基于Wi-Fi模块/MCU的智能建筑物联网应用设计

传感器是物联网（IoT）的眼睛和耳朵。它们提供了解环境所需的数据，因此可以对需要采取的活动做出明智的决策。特别是智能建筑可以从广泛部署的传感器中受益，从而可以控制能量使用以实现最佳照明，加热和空调。传感器可以增强建筑安全性，以检测员工的安全级别并控制建筑物或房间的访问。在紧急情况下，可以增强安全性，以提供安全出口通知，并在停电期间提供应急照明。

传感器通常在非常低的功率下运行，这可能会限制他们长距离通信的能力并以高数据速率。通常，桥接设备用于收集和处理各种本地低功率传感器读数，然后使用长距离协议转发聚合数据。采用Wi-Fi ®模块，用户可编程的嵌入式MCU可轻松创建中级物联网桥接系统。本文将介绍其中一些模块，通过示例实现，说明基于Wi-Fi模块/MCU的设计如何在智能建筑物联网应用中轻松聚合和传递传感器数据。

桥接提高功效

在智能建筑中，传感器可以产生非常广泛的数据带宽。环境监视器每秒只能传输少量字节的数据，而安全摄像机可能在同一时间段内传输数兆字节的数据。当聚合和缓冲许多传感器时，即使是低带宽连接也会产生大量数据流量。通常，以更高的数据速率“突发”数据而不是一次发送一个小数据传输的功率效率要高得多。

为了管理广泛的数据带宽要求和范围无线信号的距离可以跨越智能建筑，需要桥接设备。此外，桥接设备可用于优化自动低功率传感器的功率要求，其中电池寿命，特别是在紧急情况下，可能是至关重要的。桥接设备必须处理各种无线协议，从蓝牙®低能耗（蓝牙LE）到全系列的Wi-Fi连接方案。强大的智能建筑设计的其他要求包括本地数据存储，断电时的本地能量存储，以及用于状态，诊断和本地控制的简单用户界面。

实施因素

实施Wi-Fi连接可能是一项艰巨的任务。如果从头开始设计，则操作各种协议层和消息处理任务可能需要大量资源。集成的Wi-Fi模块（通常包含天线并经过特定Wi-Fi标准认证）可以消除绝大多数Wi-Fi实施任务。这些模块通常通过经过验证的UART接口或更现代的SPI或I 2 C风格提供简单的串行接口。模块集成了所有协议处理任务，通常是模块化MCU，因此简单的主机命令可以访问所有关键的Wi-Fi连接功能。

带集成MCU的Wi-Fi模块示例是STMicroelectronics的SPWF01系列（例如SPWF01SA.11）。它采用单芯片802.11 b/g/n收发器配置，集成STM32微控制器，具有广泛的GPIO套件。这些模块还集成了定时时钟和稳压器，可提供完整紧凑的解决方案。基于具有1.5 MB闪存或512 kB闪存的集成闪存，存在两个模块选项。该模块还可以配置嵌入式微型2.45 GHz ISM频段天线或u.fl连接器，用于外部天线连接。这些模块具有低功耗和小外形尺寸，甚至可用于基于电池的应用。下面的图1说明了这些模块的紧凑性。

图1：STMicroelectronics串行到Wi-Fi模块。 （由STMicroelectronics提供）

这些模块包括一个集成的全功能TCP/IP协议栈，增加了Web服务器和其他应用服务功能。该软件包还包括一个AT命令层接口，用于通过UART串口简化对堆栈的访问。

将Wi-Fi模块与用户可访问的MCU一起使用的一个主要优点是通常降级到主控制MCU的管理任务可以卸载到模块。这有助于更好地划分系统功能，并且如果模块可以在主MCU处于低功耗模式时自主运行，则可以显着降低功耗。特别是，桥接应用程序可以在Wi-Fi连接接收数据时使用此功能。如果可以缓冲接收的数据直到接收到完整的消息，则主处理器可以保持低功率模式，直到需要消息处理。相反，如果不需要Wi-Fi模块，例如在准备传输BLE消息时，可以将模块置于低功耗状态，直到需要进行消息传输。

套件加速开发

评估和开发Wi-Fi设计的最快方法之一是使用MCU制造商提供的众多开发套件之一。这些套件包括您可以利用的所有硬件，可用于创建您自己的设计。

此类套件的一个很好的说明性示例是Atmel SAMW25-XPRO评估套件。该套件包括下面图2所示的电路板，显示电路板的正面和背面。该套件基于Atmel ARM ® Cortex ® -M0 + MCU技术。扩展连接器可与各种其他Atmel板一起使用，包括带MicroSD卡接口的传感器IO，或带LED和机械按钮的显示面板。可以针对套件的示例设计包括简单的用户功能，例如扫描接入点，连接到安全WPS，以及如何以特定Wi-Fi模式（站点，接入点和客户端）启动，以及更复杂的示例应用包括协议处理，甚至完整的天气监测和报告演示。

图2：Atmel SAMW25-XPRO评估套件硬件。 （由Atmel提供）

智能建筑传感器桥设计示例

我们现在可以看一下智能建筑Wi-Fi网桥的示例实现，它说明了使用无线连接来聚合传感器数据是多么容易。图3显示了智能构建Wi-Fi网桥示例的框图，该网桥具有蓝牙LE和Wi-Fi连接，本地存储以及用于紧急备份的本地电源管理。赛普拉斯PSoC 4 SoC（例如，CY8C4247LQI-BL483）提供与本地蓝牙LE环境传感器的连接。 ST SPWF01连接到Wi-Fi，模块内MCU可以为不使用无线协议的共置传感器提供有线连接。为了在断电期间继续运行，可以将太阳能电源路由到桥接器，并且可以使用Linear Technologies LTC3588能量收集电源管理集成电路（PMIC）来最佳地捕获和存储电力。例如，凌力尔特公司的LTC3225超级电容充电器可用于在Maxwell Technologies BCAP0050超级电容器上存储能量，这样即使没有太阳能，电桥也可以通过最低限度的电力为其提供必要的应急服务。可能。

图3：智能建筑传感器 - 桥接器实现框图

大部分的低级实现智能建筑传感器桥可从设备制造商处获得，特别是通过Wi-Fi和蓝牙低功耗的数据传输协议可用作示例设计或软件库。这使得开发人员可以专注于他们独特的差异化功能，可能是为了提高紧急情况下的能力，改进低功耗操作，或使用本地化智能算法进行智能数据聚合，以测量和预测建筑物使用模式，从而更好地管理建筑物供暖和制冷。总而言之，随着智能建筑几乎每个部分对智能传感器的需求不断增长，传感器数据聚合和桥接要求也将不断增长。使用MCU和Wi-Fi模块以及制造商提供的相关套件和设计示例将大大简化这些新设备带来的实施挑战。