使用单个平台快速进行无线感测节点原型设计和调试

从 HVAC 和工厂自动化到汽车、医疗和消费类电子产品，无线连接感测设备的开发人员一直面临着快速迭代和成本效益的挑战，同时还要应对日益增长的法规、互操作性和性能挑战。尽管经常想从头开始设计无线传感器产品以使其在性能和尺寸方面与众不同，但使用专门的现成套件则会更快且更具成本效益。这些套件设计用于快速原型设计和开发，并且已建立起生态系统以提供支持和可扩展性。

Texas Instruments 的 LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag 套件就是这样一种平台。该套件以小巧、紧凑的外形尺寸将无线微控制器 (CC1352R)、传感器、多个无线接口、相对较高的性能和较低的功耗结合在一起，同时具有庞大且久经考验的软件和工具支持生态系统。

本文说明了无线传感器产品设计和原型开发的演变特性，并介绍了 CC1352R SensorTag 套件及其入门使用方法。

为什么要使用无线传感器原型设计套件？

无线传感器设备为设计人员带来了一个棘手的问题。为了尽可能减少维护，这些器件在更换电池之前至少要在现场持续工作 1 到 10 年。它们还需要具备一定的板载处理和分析能力，因为尽可能接近物联网 (IoT) 网络边缘来处理和分析数据可减少需要交换的数据量，这反过来又可降低功耗并更好地利用可用无线带宽。

无线带宽存在其自身的问题，因为设计人员必须从多个无线堆栈中进行选择，包括以亚千兆赫兹 (GHz) 频率或 2.45 GHz 运行的蓝牙、Thread 和 Zigbee。就如何使用可用带宽、功耗和处理资源而言，每种协议都有其自身的优缺点。若要从这些协议中进行选择，需要就数据速率、覆盖范围、预期节点数、网络拓扑、延时要求、占空比、功耗、网络协议开销、互操作性和法规要求方面对应用要求进行仔细分析。

选择正确的接口进行全新的部署相对容易；但是，在工业物联网 (IIoT) 应用中通常已经部署了无线网络，因此设计人员需要决定是使用同一接口直接连接到其他节点，还是使用可能更适合该应用的其他接口，然后通过网关将旧接口连接到新接口。

这些都是设计人员需要解决的应用相关决策树；但是当涉及到概念原型设计和开发时，很少值得从头开始设计接口，然后选择相关的处理器和传感器，更不用说在软件开发和集成方面的时间和资源投资了。诚然，“自己动手”设计可以为大众市场设计带来超高产量的好处。但是，在许多情况下，为自己的工厂生产线设计节点的工程师只需要几个节点，即可从某些电动机、生产线的某个点或温度计获取数据，因此，高产量并不是设计要求。在这种情况下，现成的套件是理想选择。

如果可能需要更高的产量，则可以使用已经过预先认证并符合法规要求的现成 RF 模块。由于这些模块具有丰富的固件和软件支持，因此可以加快原型设计的速度，并维持低开发和部署成本。在这些情况下，设计人员仍然必须将所需的平台处理器、传感器以及每个传感器和其他模块的关联软件元素拼凑在一起。

当设计人员已经知道必须使用的无线接口时，这没有关系。但是，当仍处于跨多种应用（具有旧式、通常不可互操作的无线接口）进行多种设计的考虑阶段时，则需要一种更高集成度、更灵活的方法来进行无线传感器原型设计和开发。

SensorTag：全面的无线传感器原型设计平台

更好的方法是找到一个现成的平台，该平台将支持无线的感测和处理节点的核心元件与传感器、软件和生态系统集成在一起，以支持设计人员，同时仍然允许在更高的软件开发堆栈层级进行探索和差异化。Texas Instruments (TI) 的 LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag 套件就是这样的平台（图 1）。

图 1：LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag 套件具有设计人员进行无线传感器应用原型设计和开发所需的一切功能。（图片来源：DigiKey，基于 Texas Instruments 的资料）

该套件基于 TI 的 CC1352R 多频段无线微控制器 (MCU)，围绕此 MCU 添加了环境和运动传感器以及软件，全部都在一个可拆卸外壳中，并且附有一根外部 sub 1 GHz 旋转天线、双线母对母电缆、用于 JTAG 连接的 10 针扁平带状电缆以及快速入门指南。该套件未包含但建议一起使用的是 TI 的 LAUNCHXL-CC1352R1 SimpleLink 多频段 CC1352R 无线 MCU LaunchPad 开发套件。此外，尽管 SensorTag 也可以使用可安装在板背面的专用电池座通过 CR2032 钮扣电池来运行，但建议使用两节 AAA 电池。

SensorTag 套件的核心是 CC1352R 多频段无线 MCU（图 2）。这是 TI SimpleLink MCU 平台的组成部分，该平台旨在为安全、低功耗的网络拓扑提供所有构件。

图 2：TI 的 CC1352R 多频段无线微控制器获得 FCC、CE 和 IC 的认证，可在 2.4 GHz 和 sub 1 GHz 下实现双频运行，并构成 LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag 套件的核心。（图片来源：Texas Instruments）

CC1352R 微控制器获得 FCC、CE 和加拿大工业部 (IC) 的认证，可在 2.4 GHz 和 sub 1 GHz 下实现双频运行，并支持低功耗蓝牙 (BLE)、Thread、Zigbee、智能对象的 IPv6 低功耗无线个人局域网 (6LoWPAN)，以及其他基于 IEEE 802.15.4g 物理层 (PHY) 的专有协议，包括 TI 的 SimpleLink TI 15.4 堆栈（sub 1 GHz 和 2.4 GHz）。通过使用动态多协议管理器 (DMM)，它能够同时运行多个协议。

在 SimpleLink 远程模式下，无线电接收器的灵敏度为 -121 dBm（分贝数基准为 1 (mW)）；50 kbps 下为 -110 dBm；以及 125 kbps 下蓝牙灵敏度为 -105 dBm（具有 LE 编码 PHY）。在 sub-GHz 频段下，最大发射功率为 +14 dBm，其中消耗 24.9 毫安 (mA) 电流；在 2.4 GHz 下，最大发射功率为 +5 dBm，消耗 9.6 mA 电流。该器件的待机电流引人注目，在全 RAM 保持的情况下为 0.85 微安 (µA)。它也支持工业物联网，在 105˚C 下的待机电流为 11 µA。设计人员可以使用各种待机模式和模数转换器 (ADC) 采样率来优化低功耗。例如，可以将 ADC 设置为 1 赫兹 (Hz) 的采样率，此时系统消耗 1 µA。

CC1352R 的中央处理器基于 48 兆赫兹 (MHz) Arm® Cortex®-M4F 核心，并配备 352 KB 系统内可编程闪存、用于协议和库函数的 256 KB ROM，以及 8 KB 高速缓存 SRAM。该器件支持无线 (OTA) 升级，并具有 AES 128 和 AES 256 加速器。

低 BOM 优化

RF 前端设计人员面临的问题之一是滤波、阻抗匹配和其他功能所需的额外分立无源元器件的数量。这些增加了 BOM 并使布局复杂化。为简化 CC1352R 的实施，TI 与 Johanson Technology 合作开发了尺寸为 1 x 1.25 x 2 毫米 (mm) 的定制集成无源元器件 (IPC) 封装，使元器件数从 23 个减少至 3 个（图 3）。

图 3：为了简化 TI 的 CC1352R 实施，TI 与 Johanson Technology 合作开发了 IPC，将需要的无源元器件数从 23 个降至 3 个。（图片来源：DigiKey，来自 Johanson Technology 的资料）

虽然 SensorTag 套件随附了四个传感器，但是如果需要更多或不同的传感器，则可以使用 TI 的 BoosterPack LaunchPad 插件模块选择并快速添加它们。SensorTag 套件随附的四个传感器是：

• TI 的 HDC2080 湿度和温度传感器
• TI 的 OPT3001 环境光传感器
• TI 的 DRV5032 霍尔效应开关
• TI 的 ADXL362 加速计

图中显示了传感器的布局和连接（图 4）。

图 4：SensorTag 套件随附湿度和温度、环境光、加速度和霍尔效应传感器。（图片来源：Texas Instruments）

连接器与 LaunchPad 兼容，因此可以轻松连接传感器、BoosterPack 外设（例如 LCD 显示器），甚至定制电路。

LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag 套件入门

要开始使用 LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag 套件，请下载 SimpleLink CC13x2 和 CC26x2 软件开发套件 (SDK)。此版本仅针对修订版 E 的器件进行了验证，因此对于修订版 C 或更早的版本，请使用 v2.30.00.xx。下载完成后，请转到 SimpleLink Academy，其中提供了分步说明和示例。

为了快速获取样本数据，该套件已通过名为 Multi-Sensor 的蓝牙 5 (BLE5) 项目进行了预编程，此项目通过 BLE 连接到装有 iOS 和 Android 版本 SimpleLink Starter 应用的智能手机和平板电脑。通过使用该初始连接，设计人员可以开始查看传感器数据、切换 LED、读取按钮状态，以及使用 OTA 下载 (OAD) 功能更新固件（图 5）。此时，设计人员还可以将数据从移动设备推送到云中。

图 5：设计人员可以通过 BLE 连接至装有 iOS 和 Android 平台版本 SimpleLink Starter 应用的智能手机或平板电脑，开始试用 LaunchPad SensorTag 套件。（图片来源：Texas Instruments）

除了 BLE，LPSTK 还提供了另外两个示例：一个示例使用 LPSTK 作为 Zigbee 灯开关；另一个将其用作 802.15.4 网络中的传感器节点。SDK 中提供了所有三个示例项目，如下所示：

• 多传感器：
  • <simplelink_cc13x2_26x2_sdk install location>\examples\rtos\CC1352R1_LAUNCHXL\ble5stack\multi_sensor
• TI DMM 传感器节点：
  • \CC1352R1_LAUNCHXL\dmm\dmm_154sensor_remote_display_oad_lpstk_app
• Zigbee 开关：
  • \CC1352R1_LAUNCHXL\dmm\dmm_zed_switch_remote_display_oad_app

作为 SimpleLink 和 Starter 应用的补充，TI 提供了 SysConfig，这是一个统一的图形用户界面 (GUI) 工具，用于为各种 SimpleLink SDK 组件启用、配置和生成初始化代码，包括 BLE、Zigbee、Thread 和 TI-15.4 的 TI 驱动程序和堆栈配置（图 6）。

图 6：作为 SimpleLink 的补充，TI 的 SysConfig 是一组易于使用的图形实用工具，用于配置引脚、外设、无线电、子系统和其他组件。（图片来源：Texas Instruments）

与任何系统设计一样，都会需要一定程度的调试。在此阶段，SensorTag 设计搭配 LaunchPad 开发套件中的板载 XDS110 调试器使用（在本例中为前面提到的 LAUNCHXL-CC1352R），因此包括 Arm 10 针 JTAG 电缆和双线 UART 电缆。连接之后，即可进行完整的调试、编程和 UART 通信。按照以下步骤连接电缆：

• 断开 LaunchPad 上的隔离跳线
• 将 Arm 10 针 JTAG 电缆连接到 LaunchPad SensorTag 上的 XDS110 OUT 针座
• 将 Arm 10 针 JTAG 电缆的另一端连接到 LaunchPad SensorTag 上的 JTAG 针座
• 将两针跳线连接到 RXD 和 TXD 的顶部引脚（灰色线连接至 RXD，白色线连接至 TXD）
• 将两针跳线的另一端连接到 LaunchPad SensorTag 上的引脚 12/RX 和 13/TX（灰色线连接至 12/RX，白色线连接至 13/TX）
• 将 LaunchPad 连接到 PC 或笔记本电脑

完整的设置应类似于图 7 所示。

图 7：为了进行调试，需要使用 SensorTag 套件中随附的 Arm 10 针 JTAG 电缆和两针 UART 电缆，将 SensorTag 连接到 LAUNCHXL-CC1352R LaunchPad 开发套件。（图片来源：Texas Instruments）

值得注意的是，由于正在运行的映像无法自行更新，因此传入的 OAD 映像在接收时需要存储在一个临时位置。该临时位置可以预留在内部闪存中或片外。在任一情况下，映像下载完成后，就会使用永久驻留在 SensorTag 设备上的引导映像管理器 (BIM) 来确定新映像是否有效以及是否应予以加载和运行（基于映像标题）。

BIM 特别有用，例如允许设计人员在 OAD 之后还原为原开箱即用的映像。为此，在开机或复位期间按住 BTN-1（向左按钮），然后 BIM 会恢复为开箱即用的映像（即 Multi-Sensor）。

总结

虽然在实施无线传感器节点时有许多无线接口可供选择，但是开发人员不必花时间和资源针对每个接口进行原型设计，以查看哪种接口最适合给定的应用。而是通过使用 LPSTK-CC1352R SensorTag 套件以及关联的 LaunchPad 硬件、软件和生态系统，设计人员可以快速轻松地混合和匹配接口、使用一个或同时使用多个接口，并可根据需要添加和交换 BoosterPack 传感器。