傳感器芯片在智能建筑的運用

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2010年工信部、國家標準委員會成立物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合組工作。智慧地球與物聯(lián)網(wǎng)備受關(guān)注，推動了智能建筑的發(fā)展。本文從物聯(lián)網(wǎng)中傳感器芯片的角度出發(fā)，重點闡述獨立開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)芯片對智能建筑的智能化和低成本化的重要意義，介紹了三種十分有代表性的主流芯片的結(jié)構(gòu)和性能。物聯(lián)網(wǎng)將是互聯(lián)網(wǎng)后新一輪技術(shù)革命，是第三次信息產(chǎn)業(yè)浪潮。

物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)包括：（1）射頻RFID、條碼、GPS、紅外激光等各類傳感器技術(shù)及識別技術(shù)，解決物體定物、定位、定量(包括芯片研發(fā))的數(shù)據(jù)采集；（2）傳輸技術(shù)：傳感器網(wǎng)、視聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、智能網(wǎng)；（3）后臺管理平臺技術(shù)(云計算)；（4）物聯(lián)網(wǎng)與視聯(lián)網(wǎng)融合技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)從技術(shù)架構(gòu)上來講可分為三層，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應用層。那么僅僅在感知層方面，物聯(lián)網(wǎng)對智能建筑產(chǎn)生什么影響呢？感知層是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)全面感知的基礎(chǔ)，應用的技術(shù)包括傳感器、射頻識別（RFID）、識別碼和智能卡等，其主要功能是通過傳感設(shè)備識別物體，采集信息。傳感器、智能卡等技術(shù)在智能建筑中早有體現(xiàn)，已經(jīng)融入了物物相連的意識和形態(tài)。例如建筑設(shè)備管理系統(tǒng)就采用了傳感器技術(shù)、計算機和現(xiàn)代通信技術(shù)對建筑的電力、空調(diào)、電梯、給排水、消防系統(tǒng)等設(shè)備實行全自動的綜合監(jiān)控管理，實現(xiàn)各類參數(shù)的實時控制和監(jiān)視、各種動力設(shè)備的起停控制與監(jiān)視、各種設(shè)備運行狀態(tài)顯示、設(shè)備非正常狀態(tài)的報警等功能；信息化應用系統(tǒng)中就應用了智能卡技術(shù)，作為識別身份、門鑰、重要信息系統(tǒng)密鑰。位于物聯(lián)網(wǎng)感知層的物，要求帶有CPU以及專門的應用程序，能發(fā)送、傳輸、接受數(shù)據(jù)，還必須遵循物聯(lián)網(wǎng)的通訊協(xié)議，不僅能識別物體，還必須能主動提供信息，與別的物體和人實現(xiàn)信息交流和共享。因此，將運用新技術(shù)的傳感設(shè)備替代傳統(tǒng)的傳感設(shè)備，運用于建筑物各設(shè)備和設(shè)施中，就能提升建筑物智能化程度，使建筑物到達物聯(lián)網(wǎng)時代智慧的目標。既然有如此強大的優(yōu)勢，為什么物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)沒有被廣泛的應用呢？目前面對的主要瓶頸和挑戰(zhàn)之一就是芯片和傳感器技術(shù)有待突破，為智能建筑提供質(zhì)優(yōu)價廉的傳感設(shè)備。將來的傳感設(shè)備發(fā)展方向一定是低成本、微型化、功耗小、高性價比。但是我國擁有芯片自主研發(fā)技術(shù)的企業(yè)少之又少，芯片主要靠進口，可靠性和安全性較低；芯片產(chǎn)業(yè)化水平較低，造成芯片成本較高，一個要幾百甚至上千。試想，一棟智能建筑，需要成千上萬個芯片，高成本必然造成建筑成本大增，影響了物聯(lián)網(wǎng)的高效應用。下面簡要介紹若干種當前主流芯片的架構(gòu)和優(yōu)缺點。

1MSP430F149傳感器芯片

1．1芯片基本架構(gòu)節(jié)點設(shè)計傳感器節(jié)點主要包括五個模塊：主控芯片模塊、射頻芯片模塊、傳感器模塊、上位機模塊和電源控制模塊。端機節(jié)點與基站節(jié)點有所區(qū)別：基站節(jié)點無傳感器模塊，而端機節(jié)點無上位PC機模塊。主控芯片MSP430F149是TI（TexasInstruments，美國德州儀器）推出的一款16位超低功耗單片機，供電電壓只需1.8～3.6V，具有16位RISC結(jié)構(gòu)、125ns指令同周期、多達60KBFLASHROM和2KBRAM，另外它還配有：12位A/D轉(zhuǎn)換器（自帶采樣保持）、內(nèi)部溫度傳感器、16位定時器Timer_A/Timer_B、2個串口（可工作于UART或SPI模式）、6個并口（2個具有中斷能力）和硬件乘法器，整個電路結(jié)構(gòu)緊湊且高效。MSP430F149控制傳感器采集環(huán)境中的溫度、振動數(shù)據(jù)，并對原始數(shù)據(jù)進行初步處理，再由無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給相鄰節(jié)點。數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的一級級轉(zhuǎn)發(fā)最終發(fā)送回主機，實現(xiàn)對環(huán)境的監(jiān)測MSP430F149是MSP430X1XX系列中功能最強的單片機。MSP430F149包含的組件為[2]：（1）基礎(chǔ)時鐘模塊，包括1個數(shù)控振蕩器（DCO）和2個晶體振蕩器；（2）看門狗定時器WatchdogTimer，可用作通用定時器；（3）帶有3個捕捉／比較寄存器的16位定時器Timer_A；（4）帶有7個捕捉／比較寄存器的16位定時器Timer_B；（5）2個具有中斷功能的8位并行端口：P1與P2；（6）4個8位并行端口：P3、P4、P5與P6；（7）模擬比較器COMPARATOR_A；（8）CPU(MSP430F149)電池（CR2032）無線收發(fā)模塊（nRF401）溫度傳感器（DS18B20）串口模塊（MAX3316）；（9）2通道串行通信接口（軟件選擇UART/SPI模式）；（10）1個硬件乘法器；（11）60KB+256字節(jié)FLASH，2KBRAM。MSP430F149豐富的片內(nèi)外設(shè)可使整個電路變得異常簡化，減少了節(jié)點的功耗和體積。

1.2MSP430F149的供電電源性能分析。MSP430系列單片機最大的優(yōu)勢就是它的超低功耗，在1.8V～3.6V電壓、1MHz的時鐘條件下運行，耗電電流在0.1μA～400μA之間，RAM在節(jié)電模式耗電為0.1μA，等待模式下僅為0.7μA。能耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，節(jié)點必須依靠電池供電，所以CPU采用MSP430F149是最佳的選擇。MSP430F149采用16位RISC結(jié)構(gòu)，其豐富的尋址方式、簡潔的內(nèi)核指令、較高的處理速度（8M晶體驅(qū)動，指令周期125ns）、大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器使之具有強大的處理能力。另外，MSP430F149的運行環(huán)境溫度范圍為－40℃～+85℃，可以適應各種惡劣的環(huán)境。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)節(jié)點由多種傳感器、中央處理器、無線收發(fā)器和高效電池組成，按照一定的協(xié)議組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

1．3實際運用。運用MSP430F149開發(fā)的辦公樓智能監(jiān)控系統(tǒng)，能實現(xiàn)室內(nèi)溫度、濕度的檢測與控制，火情檢測以及室內(nèi)照明燈、飲水機的控制。可以實現(xiàn)辦公樓環(huán)境實時數(shù)據(jù)的采集、實時數(shù)據(jù)曲線的繪制、歷史數(shù)據(jù)曲線的顯示、實時控制參數(shù)的修改，從而實現(xiàn)對辦公樓環(huán)境的監(jiān)測和控制。

2MZM芯片卡物聯(lián)網(wǎng)MZM(機對機)芯片卡，將無線射頻技術(shù)與MZM芯片卡技術(shù)創(chuàng)造性的結(jié)合起來，擴展了MZM芯片卡的應用領(lǐng)域，可作為身份識別卡使用，用于無線終端產(chǎn)品;也可以存儲少量的數(shù)據(jù)，通過手持設(shè)備與板上RF電路通信然后寫入MZM芯片，滿足不同環(huán)境要求，可在苛刻的環(huán)境條件下穩(wěn)定工作。同時實現(xiàn)GSM對MZM芯片卡的讀寫操作，及RF通過無線的方式對MZM芯片卡的讀寫操作，對MZM芯片卡讀寫的快速高效切換，用作身份識別卡即用即寫號，不占用號碼資源;固定焊接安裝，不可拆卸，使用簡單且增加了可靠性，適用于智能建筑自動關(guān)窗、自動照明、遠程監(jiān)控等領(lǐng)域，根據(jù)不同的環(huán)境要求，分為商業(yè)級、工業(yè)級和汽車級。3MB97R8030———富士康公司設(shè)計

3．1原理和架構(gòu)。無源RFID芯片MB97R8030可以兼容EPCglo－balC1G2，該芯片擴展了EPC功能，用戶能訪問存儲2KBytes容量的信息。除射頻接口外，MB97R8030還增加了SPI接口模式以供用戶選用。包括整流器、時鐘產(chǎn)生、電源、電源控制及調(diào)制與解調(diào)電路。通過片上SPI接口可以訪問片內(nèi)用戶存儲區(qū)，此時需外接VDD供電，包括I／O控制、命令解釋、FRAM訪問控制及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路。

3．2性能和優(yōu)勢。MB97R8030采用FRAM作為存儲器，與傳統(tǒng)的基于E2PROM的RFID芯片相比，F(xiàn)RAMRFID芯片的優(yōu)點，一是FRAM寫入速度是E2PROM的25倍，而且FRAM存儲器讀數(shù)據(jù)與寫數(shù)據(jù)的速度是一樣的，由于速度快且功耗低，F(xiàn)RAM存儲器非常適合用來制作大容量RFID芯片；二是FRAM讀寫次數(shù)幾乎不受限制，這一特點非常適用于RFID應用領(lǐng)域，因為RFID標簽經(jīng)常需要反復讀寫；三是FRAM在經(jīng)過放射線照射后數(shù)據(jù)仍可保存，這使其能適應更加惡劣的環(huán)境。MB97R8030主要特性如下：MB97R8030的讀寫速度較快，讀寫器到標簽的速率為26．7～128KB／s，標簽到讀寫器的速率為40～640KB／s；用戶存儲區(qū)以塊（16字節(jié)）為單位進行寫保護，以區(qū)（256字節(jié)）為單位進行讀保護；可以通過SPI訪問用戶區(qū)數(shù)據(jù)；帶有2KB／s非易失性高速可讀／寫FRAM存儲器，用戶區(qū)有1664字節(jié)；訪問次數(shù)可達1010次；數(shù)據(jù)保存時間可超過10年。典型應用射頻識別標簽的存儲容量一般在2KB以內(nèi)，典型物聯(lián)網(wǎng)型的標簽數(shù)據(jù)容量為64B、128B、1KB和2KB，通常認為更多的存儲容量并沒有太大的意義。但是隨著RFID產(chǎn)品應用范圍的不斷擴展，各種新興的應用對大容量RFID標簽提出了需求。另外，有源標簽體積大、造價高、電池需要維護，不適合小型化，這也促使無源標簽迅速發(fā)展。UHF頻段860～930MH無源標簽造價低廉，最小識別距離在3～8m，是一個被大家看好的發(fā)展方向，無源標簽的典型應用為車輛識別、人員身份識別和倉儲物流等。傳感器芯片已經(jīng)成為限制物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的最大瓶頸之一。隨著各國都積極開發(fā)核心技術(shù)傳感器和其芯片，相信不久的將來，傳感器芯片的應用必將改變當前智能建筑的不夠智能的現(xiàn)狀，將物聯(lián)網(wǎng)時代的智能建筑技術(shù)推向一個新的高度。