在工业应用中如何实现将MCU的数据连接到云

物联网（IoT）的快速增长元素是无线传感器。这些设备是物联网的眼睛和耳朵，提供分析和大数据应用程序做出明智决策所需的大量数据。在工业应用中，传感器可以提供准确的数据，以优化化学处理和材料转移，支持更高水平的自动化，提高能源电网效率，并使许多其他应用程序无法交付。

MCU将在无线传感器应用的核心。简化无线传感器连接实施的新设备使得即使是价格最低的系统也能够比以往更轻松地添加这些功能。本文将介绍这些新设备提供的一些实现选项，以说明将数据从MCU移动到云是多么容易。

无线MCU上线

最近推出的MCU正在增加集成的无线通信功能，可以连接到各种无线标准。这些新设备采用两种常用方法之一来实现无线通信。一些设备使用可以实现各种标准的灵活无线子系统。其他设备专注于一个或两个通用和类似标准，以针对特定应用优化其解决方案。

灵活的实施通常提供可编程无线电“前端”，管理所有通用无线“构建模块”，如作为调制选项，包括高斯频移键控（GFSK），频移键控（FSK），四级GFSK（4GFSK），四级FSK（4FSK）和开关键控（OOK）。其他常见的硬件模块包括低噪声放大器，混频器，可编程增益放大器，模数转换器，数字信号处理器和数据包处理逻辑以及FIFO存储器。这些无线构建模块可以通过MCU软件用于实现各种基于无线电的标准。通常，MCU制造商提供高级应用程序编程接口（API），实现通用标准以简化开发。

灵活方法的一个例子是Silicon Labs EZR32LG 32位无线MCU，其框图如下：如下图1所示。灵活的无线收发器被视为外设，并使用SPI接口与MCU通信。 EZR32LG采用多种先进的节能模式，这些模式在低功耗无线传感应用中特别有用，每个模块可用的模式在程序框图中采用颜色编码，深蓝色表示可在其中运行的模块最低能量模式，以及最轻的绿色指示在较高能量模式下的操作。当不需要节能时，高能量模块可以关闭，而低能量模块继续运行。

图1：Silicon Labs EZR32LG无线MCU框图。 （由Silicon Labs提供）

实现具有无线连接的MCU的另一种方法是关注一些通用标准，并以更专用的方式实施它们。这通常可以降低成本和总体功耗，但不包括更灵活实施的各种标准。

更灵活的实现可能会在需要无线桥接元素的应用程序中找到家庭。在桥接应用中，各种传统，定制和新传感器共存，因此灵活的实施可以与每个传感器通信并在不同标准之间进行转换，从而延长系统寿命并降低更换成本。低成本传感器可以实现固定的无线标准，然后依靠更灵活的桥接设备将它们连接到系统的其余部分。

作为具有更多目标标准的无线MCU的示例，让我们考虑一下支持蓝牙低功耗（LE）的德州仪器CC2640无线MCU。 CC2640使用灵活的片上无线子系统，在无线模块内的Cortex-M0控制MCU上实现蓝牙LE（BLE）协议。如下图2所示，BLE无线电固件在ROM中为无线电控制MCU提供，大大简化了开发过程。 Cortex-M3用于运行更高级别的功能，例如BLE堆栈，RTOS，BLE配置文件和服务，最后是用户应用程序。 MCU外设可用于实现用户应用所需的任何其他时序和通信功能。

图2：德州仪器CC2640 BLE无线MCU框图。 （德州仪器公司提供）

无线MCU通常包括其他专用功能，以简化设计，尤其是管理电源。例如，CC2640具有自主传感器接口，可以独立于MCU唤醒，执行传感器读数，收集数据，并确定主CPU是否必须退出低功耗模式。此外，CC2640可以断电，低功耗RTC用于周期性地使器件退出低功耗模式，而特殊的SRAM模块可用于在低功耗状态下保持数据。宽电压工作范围还简化了基于电池的应用设计。

套件和参考设计加速了开发

MCU制造商通过提供以创纪录的时间开发无线传感器变得容易完整的开发环境。例如，德州仪器（TI）提供其传感器标签参考设计（CC2650STK），其中包括10多个传感器和接口;并且可以开箱即用，在iPad或智能手机与云存储之间传输数据和命令。您可以使用Web浏览器访问基于云的传感器读数，并通过Web界面向传感器标签发出简单命令。这种功能使您可以轻松实现自己的无线传感器。

Silicon Labs还为气象站（指定部件号SLSTK3201A）提供了传感器参考设计，可用作各种物品的起点。无线传感器设计。该参考设计包括用于湿度，温度，紫外线，红外线和接近度的传感器。接近检测器支持常用手势，如悬停和滑动，以说明如何通过手部移动捕获简单的命令。

示例无线传感器解决方案

我们现在可以看一个低功耗无线传感器的示例实现，它说明了为简单传感器添加无线功能是多么容易。一种非常常见的传感器应用程序可捕获通过卡车或铁路运输的产品的温度和湿度读数。这些读数在装运后进行审查，以确保产品保持新鲜。下面的图3显示了一个极低功耗实现的框图，该实现使用CR2032纽扣电池为传感器供电长达10年。纳米功率系统定时器通过激活超低泄漏开关周期性地将系统从完全关闭状态唤醒，以向系统供电。 MCU（在本例中为TI CC2650）唤醒并从湿度和温度传感器捕获一组读数。当捕获到足够的数据时，MCU会记录数据并识别温度或湿度水平超过任何最大或最小警报级别的情况。可以根据交付的产品类型和相关的最佳条件定制警报级别。例如，西红柿具有与莴苣不同的最佳温度和湿度分布。事实上，西红柿具有随时间变化的特征，因为最初需要一些成熟，然后一旦成熟就必须保持新鲜度。在通过无线链路创建和发送报告时，MCU可以考虑所有这些因素。

图3：无线传感器实现框图。 （德州仪器公司提供）

一旦实施蓝牙LE等标准，就可以轻松将其连接到支持蓝牙LE的智能手机或平板电脑。在上面的示例设计中，基于平板电脑的界面可以监控卡车或有轨车内的传感器，并将数据周期性地从传感器移动到云存储（可能使用德州仪器传感器标签参考设计作为起点）。远程流量管理员可以使用这些数据以及来自其他所有产品传输系统的类似数据，根据实时新鲜度和成熟度参数动态地将货物发送到最佳位置。

结论

随着对无线传感器作为物联网元素的需求不断增长，MCU（物联网传感器的主要控制器）需要连接到云端。正如我们已经证明的那样，片上无线MCU外设，独立无线模块，软件工具和硬件套件的最新创新使得将MCU连接到云变得容易。