基于单片机实现的WiFi无线传感器网络产品综述

张红英

西安交通大学电气工程学院，陕西西安 710049

1 基于WiFi的无线传感器网络

1.1 无线传感器网络概述

无线传感器网络（WSN）技术是指将传感器技术、自动控制技术、数据网络传输、储存、处理与分析技术集成的现代信息技术。无线传感器网络是由大量分布式传感器节点组成的面向任务型的自组织网络，主要由存储器、处理器、传感器、无线通讯和电池等硬件组成。

1.2 WiFi无线传感器网络

WiFi（Wireless Fidelity）是类似Zigbee的一种WLAN的技术标准，是一种短程无线传输技术，能够在数百米范围内支持互联网接入的无线电信号。

事实上WiFi是比Zigbee更早出现的一种技术标准，技术比较成熟，覆盖范围广于Zigbee。另外Zigbee传输速率通常在250Kbps以下，而WiFi速率则可达11Mbps，这是WiFi功耗更大需要外接电源的原因，从而限制了其发展。但是近年来这一缺点利用休眠-唤醒或是能量捕获技术得到了有效解决，所以基于WiFi技术的无线传感器网络正在重新快速发展起来。

2 基于WiFi的无线传感器网络的构建

无线传感器网络的构建主要是指无线网络传感器节点的构建，传感器部分主要负责信息的采集并将其他信号转变为电信号并送给微控制器；微控制器需要接受传感器的信号并进行相应的处理；射频模块负责发送数据，电源模块则为系统的工作提供稳定可靠的能源。

基于单片机的无线传感器产品最大特点即是将微处理模块和RF收发模块集成，一般可通过内部的单片机实现无线射频传输。比如GainSpan公司的GS1010芯片，它内部集成了两块ARM，其中一片用于数据处理，另外一片用于无线传输。GS1010 的APP CPU 对采集到的数据进行处理，随后再将数据进行打包，再通过WLAN CPU 将数据打包成符合IEEE802.11 协议的数据无线发送出去；接收端用符合IEEE802.11b/g 协议的接入点接收无线载波发送过来的数据。

3 基于单片机技术的WiFi产品

嵌入式WiFi产品形式各异，基于单片机设计的WiFi无线产品主要有NPE公司的 WiFi-IT!，GainSpan公司的GS1010，RFM公司的WSN802G等。下面我们将选择这几个具有代表性的产品进行介绍，并对部分产品进行性能测试。

3.1 GS1010芯片简介

3.1.1 GS1010结构

GS1010是一个高度集成、超低功耗WiFi无线片上系统，它包含一个802.11射频前端、媒体控制器（MAC）和基带处理器，片上FLASH 和片上SRAM，两个ARM7 处理器，和丰富的IO 外设。

3.1.2 产品的主要特点

1）体积小：所有资源都集中在一个体积是10mm×10mm×0.85mm的芯片内，极大的节约了PCB的面积；

2）极低功耗：采用休眠-唤醒技术极大降低了传输功耗；

3）高传输速率：数据最高传输速率可达11Mbps；

4）开发简单：使得从有线到无线的技术过渡中，将不再需要重新学习和熟悉ARM单片机的结构/指令系统/编译开发工具和实时操作系统。

3.1.3 GEPS

GS1010所特有的开发环境GEPS使得第三方公司或是用户能够更加系统地开发自己需要实现的功能，为了帮助客户缩短开 发周期， GainSpan还提供了一整套包括SDK、评估平台、开发平台在内的软硬件工具。其软件栈包括了各种I/O驱动和WLAN固件、RTOS、网络栈、系统服务、WLAN和I/O服务模块、各种应用编程接口以及应用软件。GS1010的SDK能够帮助工程师节省大量的时间。 而硬件开发平台则能够支持温度、湿度、光敏、压力、加速度等各种传感器，并预留了客户自选的传感器接口和调试以及程序烧录接口。

3.2 NPE WiFi-IT!

WiFi-IT! 802.11 WLAN module具有自己的开发语言WiFi-IT!Basic，这一开发语言是基于其他基础语言而专门为无线通讯设计的。另外与之配套的开发环境IDE类似于其他普通单片机的开发环境，安装过程简单，用户自己可通过创建工程、编写代码、编译程序和下载调试程序等过程完成软件的设计。

3.3 RFM WSN802G

WSN802G 是由RFM公司在采用GainSpan公司GS1010系列芯片的基础上开发的功能比较具有针对性的产品。其仅有两个可以采集信号的输入接口DIN0和DIN1，一个主要是用于测试，另外一个可供用户直接测量信号。下文将使用DIN1来测试环境温度，用户需要做的即是将温度传感器输出的信号数字化后送入DIN1中，通过本产品自带测试软件WSNConfig.exe配置好无线路由以及芯片的IP地址即可实现测试。

本产品的不足之处是所能同时采集的信号种类较少，因其仅有两个输入接口，另外内部集成的两个ARM并没有物尽其用，因为用户不能自主地开发这一功能。被产品适用对象较为固定，一般不适合欲重新开发更多功能的研发者使用，主要适用于如检测某几个特定环境中的温度变化等比较直观的信息。

4 WSN802G测温系统测试

本设计购买RFM公司的WSN802G芯片，自行设计出一套环境测温系统，本系统利用温度传感器测量温度，传输给WSN802G芯片，经过处理再无线传输至上位机系统。上位机我们是用支持WiFi无线传输的PC机实现的，只要加入无线路由器，动态地给下位机和上位机配置好IP地址，即可实现二者之间的通讯。

我们将传感器置于室温下，测量系统和PC机距离10m左右时得到测试结果如下图所示：

图1 测试结果

进一步将测试距离增大，或者是经过障碍物，在产品给定条件下测试结果仍然比较精确。

5 结论及展望

伴随着关于WiFi技术的一些问题的解解决，基于WiFi的嵌入式微处理器片上系统今年来发展蒸蒸日上，本文在分析构建无线传感器网络主要技术要点之上，详细介绍了几款国外应用较为广泛具有代表性的产品，对比了各类产品要点，并对部分产品进行了性能测试，能够为开发者开发新产品提供一定的依据。

[1]郁万里，黄艳秋.基于WiFi 的位移传感器网络节点的软件设计.中国科技论文在线.

[2]宫鹏.无线传感器网络技术环境应用进展[J].遥感学报，2009，7.

[3]徐磊.基于Zigbee的无线传感器网络定位技术研究[D].哈尔滨工程大学，2009，3.

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

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