传感器芯片在智能建筑的运用

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2010年工信部、国家标准委员会成立物联网联合组工作。智慧地球与物联网备受关注，推动了智能建筑的发展。本文从物联网中传感器芯片的角度出发，重点阐述独立开发物联网芯片对智能建筑的智能化和低成本化的重要意义，介绍了三种十分有代表性的主流芯片的结构和性能。物联网将是互联网后新一轮技术革命，是第三次信息产业浪潮。

物联网核心技术包括：（1）射频RFID、条码、GPS、红外激光等各类传感器技术及识别技术，解决物体定物、定位、定量(包括芯片研发)的数据采集；（2）传输技术：传感器网、视联网、互联网、智能网；（3）后台管理平台技术(云计算)；（4）物联网与视联网融合技术。物联网从技术架构上来讲可分为三层，分别是感知层、网络层和应用层。那么仅仅在感知层方面，物联网对智能建筑产生什么影响呢？感知层是实现物联网全面感知的基础，应用的技术包括传感器、射频识别（RFID）、识别码和智能卡等，其主要功能是通过传感设备识别物体，采集信息。传感器、智能卡等技术在智能建筑中早有体现，已经融入了物物相连的意识和形态。例如建筑设备管理系统就采用了传感器技术、计算机和现代通信技术对建筑的电力、空调、电梯、给排水、消防系统等设备实行全自动的综合监控管理，实现各类参数的实时控制和监视、各种动力设备的起停控制与监视、各种设备运行状态显示、设备非正常状态的报警等功能；信息化应用系统中就应用了智能卡技术，作为识别身份、门钥、重要信息系统密钥。位于物联网感知层的物，要求带有CPU以及专门的应用程序，能发送、传输、接受数据，还必须遵循物联网的通讯协议，不仅能识别物体，还必须能主动提供信息，与别的物体和人实现信息交流和共享。因此，将运用新技术的传感设备替代传统的传感设备，运用于建筑物各设备和设施中，就能提升建筑物智能化程度，使建筑物到达物联网时代智慧的目标。既然有如此强大的优势，为什么物联网技术没有被广泛的应用呢？目前面对的主要瓶颈和挑战之一就是芯片和传感器技术有待突破，为智能建筑提供质优价廉的传感设备。将来的传感设备发展方向一定是低成本、微型化、功耗小、高性价比。但是我国拥有芯片自主研发技术的企业少之又少，芯片主要靠进口，可靠性和安全性较低；芯片产业化水平较低，造成芯片成本较高，一个要几百甚至上千。试想，一栋智能建筑，需要成千上万个芯片，高成本必然造成建筑成本大增，影响了物联网的高效应用。下面简要介绍若干种当前主流芯片的架构和优缺点。

1MSP430F149传感器芯片

1．1芯片基本架构节点设计传感器节点主要包括五个模块：主控芯片模块、射频芯片模块、传感器模块、上位机模块和电源控制模块。端机节点与基站节点有所区别：基站节点无传感器模块，而端机节点无上位PC机模块。主控芯片MSP430F149是TI（TexasInstruments，美国德州仪器）推出的一款16位超低功耗单片机，供电电压只需1.8～3.6V，具有16位RISC结构、125ns指令同周期、多达60KBFLASHROM和2KBRAM，另外它还配有：12位A/D转换器（自带采样保持）、内部温度传感器、16位定时器Timer_A/Timer_B、2个串口（可工作于UART或SPI模式）、6个并口（2个具有中断能力）和硬件乘法器，整个电路结构紧凑且高效。MSP430F149控制传感器采集环境中的温度、振动数据，并对原始数据进行初步处理，再由无线收发模块将数据发送给相邻节点。数据经传感器网络节点的一级级转发最终发送回主机，实现对环境的监测MSP430F149是MSP430X1XX系列中功能最强的单片机。MSP430F149包含的组件为[2]：（1）基础时钟模块，包括1个数控振荡器（DCO）和2个晶体振荡器；（2）看门狗定时器WatchdogTimer，可用作通用定时器；（3）带有3个捕捉／比较寄存器的16位定时器Timer_A；（4）带有7个捕捉／比较寄存器的16位定时器Timer_B；（5）2个具有中断功能的8位并行端口：P1与P2；（6）4个8位并行端口：P3、P4、P5与P6；（7）模拟比较器COMPARATOR_A；（8）CPU(MSP430F149)电池（CR2032）无线收发模块（nRF401）温度传感器（DS18B20）串口模块（MAX3316）；（9）2通道串行通信接口（软件选择UART/SPI模式）；（10）1个硬件乘法器；（11）60KB+256字节FLASH，2KBRAM。MSP430F149丰富的片内外设可使整个电路变得异常简化，减少了节点的功耗和体积。

1.2MSP430F149的供电电源性能分析。MSP430系列单片机最大的优势就是它的超低功耗，在1.8V～3.6V电压、1MHz的时钟条件下运行，耗电电流在0.1μA～400μA之间，RAM在节电模式耗电为0.1μA，等待模式下仅为0.7μA。能耗是无线传感器网络的瓶颈，节点必须依靠电池供电，所以CPU采用MSP430F149是最佳的选择。MSP430F149采用16位RISC结构，其丰富的寻址方式、简洁的内核指令、较高的处理速度（8M晶体驱动，指令周期125ns）、大量的寄存器以及片内数据存储器使之具有强大的处理能力。另外，MSP430F149的运行环境温度范围为－40℃～+85℃，可以适应各种恶劣的环境。系统结构节点由多种传感器、中央处理器、无线收发器和高效电池组成，按照一定的协议组成无线传感器网络。

1．3实际运用。运用MSP430F149开发的办公楼智能监控系统，能实现室内温度、湿度的检测与控制，火情检测以及室内照明灯、饮水机的控制。可以实现办公楼环境实时数据的采集、实时数据曲线的绘制、历史数据曲线的显示、实时控制参数的修改，从而实现对办公楼环境的监测和控制。

2MZM芯片卡物联网MZM(机对机)芯片卡，将无线射频技术与MZM芯片卡技术创造性的结合起来，扩展了MZM芯片卡的应用领域，可作为身份识别卡使用，用于无线终端产品;也可以存储少量的数据，通过手持设备与板上RF电路通信然后写入MZM芯片，满足不同环境要求，可在苛刻的环境条件下稳定工作。同时实现GSM对MZM芯片卡的读写操作，及RF通过无线的方式对MZM芯片卡的读写操作，对MZM芯片卡读写的快速高效切换，用作身份识别卡即用即写号，不占用号码资源;固定焊接安装，不可拆卸，使用简单且增加了可靠性，适用于智能建筑自动关窗、自动照明、远程监控等领域，根据不同的环境要求，分为商业级、工业级和汽车级。3MB97R8030———富士康公司设计

3．1原理和架构。无源RFID芯片MB97R8030可以兼容EPCglo－balC1G2，该芯片扩展了EPC功能，用户能访问存储2KBytes容量的信息。除射频接口外，MB97R8030还增加了SPI接口模式以供用户选用。包括整流器、时钟产生、电源、电源控制及调制与解调电路。通过片上SPI接口可以访问片内用户存储区，此时需外接VDD供电，包括I／O控制、命令解释、FRAM访问控制及数据转换电路。

3．2性能和优势。MB97R8030采用FRAM作为存储器，与传统的基于E2PROM的RFID芯片相比，FRAMRFID芯片的优点，一是FRAM写入速度是E2PROM的25倍，而且FRAM存储器读数据与写数据的速度是一样的，由于速度快且功耗低，FRAM存储器非常适合用来制作大容量RFID芯片；二是FRAM读写次数几乎不受限制，这一特点非常适用于RFID应用领域，因为RFID标签经常需要反复读写；三是FRAM在经过放射线照射后数据仍可保存，这使其能适应更加恶劣的环境。MB97R8030主要特性如下：MB97R8030的读写速度较快，读写器到标签的速率为26．7～128KB／s，标签到读写器的速率为40～640KB／s；用户存储区以块（16字节）为单位进行写保护，以区（256字节）为单位进行读保护；可以通过SPI访问用户区数据；带有2KB／s非易失性高速可读／写FRAM存储器，用户区有1664字节；访问次数可达1010次；数据保存时间可超过10年。典型应用射频识别标签的存储容量一般在2KB以内，典型物联网型的标签数据容量为64B、128B、1KB和2KB，通常认为更多的存储容量并没有太大的意义。但是随着RFID产品应用范围的不断扩展，各种新兴的应用对大容量RFID标签提出了需求。另外，有源标签体积大、造价高、电池需要维护，不适合小型化，这也促使无源标签迅速发展。UHF频段860～930MH无源标签造价低廉，最小识别距离在3～8m，是一个被大家看好的发展方向，无源标签的典型应用为车辆识别、人员身份识别和仓储物流等。传感器芯片已经成为限制物联网技术发展的最大瓶颈之一。随着各国都积极开发核心技术传感器和其芯片，相信不久的将来，传感器芯片的应用必将改变当前智能建筑的不够智能的现状，将物联网时代的智能建筑技术推向一个新的高度。