这才是工业物联网需要的WiFi单片机

正如Microchip所看到的一样，随着物联网从家庭自动化领域拓展到如供暖、通风与空调（HVAC）、车库门和电风扇等家庭控制领域，以及在建筑和工业自动化领域的加速应用，市场对高度集成、可靠和安全的工业物联网（IIoT）连接性的需求前所未有地增加，这就催生了WiFi单片机的需求。

但Microchip无线解决方案部产品线经理Alex Li在日前的一场发布会中指出，以上应用目前正在使用的WiFi单片机方案功能是有限的，所以，几乎在任何场所都需要额外的主的单片机跟它一起工作。而要实现这样的设计，就需要两者之间通过SPI或者UART这样的接口协议进行连接。然而这样的设计将诶开发者带来几方面的挑战：

首先，在Wi-Fi模块和主单片机之间的进行连接，限制了Wi-Fi的速度；

其次，从商业角度来说，这样的双元件结构会增加设计和生产过程中的一些复杂性和风险。 客户可能不得不花更多的时间在驱动程序的开发上，甚至还需要学习不同的软件开发工具。再者，来自不同生产商的供应也可能会导致一些生产延迟或者一些供应链上的风险，因为你不可能保证每个生产商都可以给你及时地供货。

第三，在系统及应用的技术支持方面也是一个问题。 因为你不可能让一个生产商的一个技术支持工程师，一个售前帮你解决如何连接另一个产品，以上种种这些都会导致你的产品延迟上市，还有一些无谓的资金的投入；

第四，则是网络安全方面的挑战。 如上图右边的主单片机，有很多和互联网连接相关的安全密钥和身份认证都会储存在其闪存里面，这将带来很大的安全漏洞。

为了解决以上问题，Microchip特意推出了首款Trust&Go Wi-Fi® 32位单片机模块WFI32E01PC。从Alex的介绍我们得知，这款单片拥有一款叫做PIC32MZ-W1的高性能32位单片机，它有1兆的闪存和256KB的RAM，可以应付很多复杂的物联网应用。

此外，Microchip这款产品拥有丰富的外设，这也让其能拥有足够的能力应付IIOT各种场景的应用需求。除了传统的SPI、UARD或者是ADC之类的外设外，Microchip还给客户提供了如以太网结构、USB、CVD Touch和CAN总线之类的特殊接口。与此同时，WFI32E01PC还有出色的模拟性能，如精确的高度线性的双通道12位ADC，那就意味着即使在不同的干扰、不同的温度变化下，产品仍然有相对稳定的性能。

“这样一种ADC的特性在设计工业传感器以及其他一些工业应用上是至关重要的”，Alex Li强调。

此外，作为一款面向物联网的芯片，数据安全也是Microchip这款WiFi单片机模块需要考虑的重点问题。而他们则通过在内部集成Trust&Go平台来解决，据了解，这个平台采用安全元件技术，为云身份验证进行预先配置和设置，简化了网络身份验证的过程。

Alex Li指出，Trust&Go就是为了解决设备连到本地WiFi，再连接到云端所的安全问题。按照他所说，在这个过程中，就需要有一个具有加密密钥对的增强型TLS连接，这个连接是一个非常复杂的过程，它需要三个要素：第一个就是不可变更的公共密钥，第二个就是一个隐性私密的密钥，任何外部的软件是不可以看到这个密钥的，这个是绝对保密的，而且必须防止一些物理的攻击。第三个就是唯一可验证以及可信任的设备标识，你可以理解成它就是一个外围设备的物联网设备的指纹或者是它的一些独特的设备标识。

除了上述描述的高性能硬件以外，Microchip还借助其MPLAB Harmony开发环境，为这款WiFi单片机提供了囊括开发、安全、功能性和可靠性在内的软件功能。

首先看开发方面，据Alex Li介绍，这个开发平台能为其客户提供无代码的Wi-Fi局域网开发框架，让某些不了解WiFi代码应用和设置的客户可以在其开发环境上通过填写一些简单的参数，做一些简单的选项，就可以设置好其WiFi连接；同时，Microchip还会给客户提供丰富的系统级师范应用，这样客户就可以通过很小的改动，将其变成自己的应用；此外，这个软件的SDK上面还会给客户提供所有MCU所需要的一些驱动，帮助客户运用各种MCU的功能。得益于这样的设置，开发者就能快设计出原因 ，并将其实现无缝集成。

其次看功能方面，如上图所示，Microchip的的软件库给客户提供了无线局域网具有的先进Wi-Fi功能和各种类型的网络协议栈。同时还将提供云连接的示例软件，满足不同场景下的设计需求。

来到安全和可靠方面。除了上文谈到的Trust&Go外，Microchip通过还为这款产品的软件引入了WPA3连接支持和连接硬件加密加速器TLS，提升了身份验证的稳定以及防止了一些离线的字典攻击。

借助卓越的Wi-Fi互操作性测试，Microchip可以保证其Wi-Fi产品可以随便地连接到任何的路由器，“Microchip已经跟53个市面上很受欢迎的路由器做过测试，并且涵盖了非常广范围的Wi-Fi的access point的芯片，旨在我们会帮助克服这个问题”，Alex Li强调。“同时，我们的Wi-Fi软件已经通过Wi-Fi Alliance提供的WFA认证，那就意味着客户如果想用其Wi-Fi logo，就需要通过WFA的认证”，Alex Li补充说。

Microchip还为客户提供了如ICD3、ICD4和SNAP之类的专业调试工具，针对射频产品，他们还将提供测试工具，确保其设计的产品符合规范。

“Microchip在不久之后将提供一个开发板，客户可以基于其快速搭建原型机”，Alex Li表示。

从上文的介绍我们看到，这是一个WiFi单片机模块，而不是集成度更高的WiFi SoC，因此在发布会上就有记者问到，公司为何做这样的设计选择？针对这个问题，Alex Li给出的答案是因为他们的模块已经经过了完整的射频认证，这就让客户使用起来可以更方便。但他也强调，Microchip有计划在未来推出针对SoC的设计。

作为全面的系统解决方案供应商，Microchip提供了广泛的产品组合，将WFI32E01PC模块与其他Microchip的领先器件配对，可简化物联网和工业物联网系统。这些领先的器件包括KSZ8081以太网PHY系列，MCP2542WFD CAN收发器系列，传感器和包括蓝牙®低功耗（BLE）、远程（LoRa）和IEEE® 802.15.4在内的无线技术等。Microchip的系统解决方案方法提供即时可用的软件驱动程序和硬件参考设计，能显著降低项目风险，缩短产品上市时间。

“有了我们这个模块，客户不再需要双元件的设计结构，不需要学习多个软件的SDK，只要学习我们的SDK就行了。此外，客户也不需要跟多个供应商打交道，Microchip可以从设计到生产给客户提供一站式的服务”，Alex Li最后说。

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如何用单片机设计低功耗与低成本的无线远程状态监控装置

本文给出了一种低成本、低功耗，用于矿山供水系统的远程状态监测装置设计实例。该装置设计基于宏晶公司生产的单片机，结合PCF8563时钟芯片实现低功耗定时唤醒，保证了系统具有极低的待机功耗与准确的工作周期。装置外围电路设计均考虑了低功耗与低成本的要求。实际试用证明，该装置达到设计要求，成功解决了原供水系统存在的水位监控不便的问题。

1 引言

在现代工业及民用领域中，单片机广泛应用于汽车电子、安防、电机控制、家电控制、工业测控、电动工具等场合。其中，选用合理的硬件结构和软件设计，往往能以较低的成本，极低的功耗，搭建可靠的单片机系统，实现需要的功能。

2 设计背景

本文介绍了某磷矿供水系统无线监控装置的设计思路与设计过程。该磷矿在山区，储水池位于山顶，容量约3000立方米，向厂区提供生产用水及生活区用水。水源地和水泵房位于山腰平缓地带，储水池与水泵房直线距离约450米，高差约120米。为了正常供水，必须保证水池水位高于出水口、低于水池上限。该水池曾经进行过自动化改造，采用电缆传回水位信号，控制水泵房水泵自动运行与停止。

但该方案多次由于矿山周边闲杂人员盗割电缆，鼠害损毁电缆等原因造成停水或溢水，严重的时候甚至造成生产区停工，后改为人工值守。但人工值守需24小时值班，工作环境差，人力成本高。经过建议，矿山方面同意试用远程无线监控装置对供水系统进行自动化改造，但要求装置具有低成本高可靠性的特点。

3 方案设计

储水池取消人工值守后，水池处无电力供应，水池水位监控及无线传输装置全部需要电池提供电源，设计采用3节AA碱性电池供电，设计电池使用寿命一年。

单片机采用笔者一贯采用并且已经比较熟悉的51系列单片机，出于抗干扰及低成本的考虑，选用宏晶公司生产的STC11L04E单片机。

该单片机具有4K Flash程序存储器，256字节SRAM，1K EEPROM，具有掉电外部中断唤醒与低电压复位，最高时钟频率35MHz。

无线通讯部分采用飞思卡尔无线串口模块以降低开发成本及提高可靠性。水池水位变化相对于单片机处理速度是一极缓慢变化过程，因此采用定期检测水位发送信息的间断工作模式。

3.1 硬件原理

电路原理见图1。单片机工作于断续状态，工作周期可用两位8421编码的拨码盘设置为1~99分钟。为了实现低功耗，非检测期间单片机必须工作于掉电状态，而为了实现定时检测水位，装置必须进行计时。

为了实现单片机掉电期间的计时及定时唤醒，加入一低能耗的PCF8563时钟芯片。单片机进入掉电前对PCF8563进行定时设置，随后进入掉电状态。设定时间到后，由PCF8563唤醒单片机继续下一个检测周期。

图1水位监测装置电原理图

为了提高可靠性，同时也为了降低成本，采用电极式水位传感器，仅需要两根线头裸露的电线即可实现水位监测，无机械活动部件，对水质适应性好，成本低可靠性高。水位传感器信号放大整形部分应用电源管理，仅检测瞬间供电，降低装置功耗。8563与单片机之间通过I2C总线进行数据通信。

I2C总线需要加上拉电阻，有文章指出为了避免电流损耗，进行低功耗设计时I2C上拉电阻需要加电源管理，但笔者经过分析与实践证实，单片机IO口设置为开漏输出状态时，该上拉电阻不会在非工作期间造成电流损耗。为减少幅面，水位传感器仅画出其中一个，实际共两个，上限与下限水位传感器各一个。

3.2 软件设计

普通8051单片机进入掉电模式后，只能由外部复位唤醒单片机，复位后程序从起始位置开始执行，而宏晶STC11系列单片机提供5个外部引脚，可设置其下降沿唤醒单片机。该装置在每个检测周期开始时，由PCF8563唤醒单片机，继续执行掉电指令的下一条指令后，转入执行相应的中断服务程序，一个典型的检测周期如图2所示。由于STC11系列单片机没有I2C接口，因此需要用两个引脚通过软件模拟I2C总线。

图2 软件流程图

检测到当前状态后，单片机对数据添加校验值并封包，生成完整的报文，通过无线模块发送到水泵房。为了以后便于扩展，笔者自定义了以下的报文格式。其中数据字节可以扩充，其数量由第四个字节决定，最大不超过255字节，当前使用的监控装置默认数据长度为1个字节。

表1 无线数据报格式

3.3 无线通信方案

无线模块采用飞思卡尔串口通信模块。最大发射功率27dBm，调制方式为FSK，工作频率选择为433MHz，接收灵敏度-114dBm，该模块发射功率及频段满足国家无线电管制要求，可以免执照运行。

同时，由于矿山地处偏僻地区，且传输距离较近，受到其他业余无线电台干扰的可能性非常小，即使受到干扰，接收方报文校验失败，可以及时向水泵房值班人员报警避免造成损失，因此，采用该模块可以满足装置的设计要求。

该模块支持波特率由1.2kbps至38.4kbps共6种速率，但根据笔者以往的经验，降低波特率可以提高模块的接收灵敏度，因此实际使用的波特率为2.4kbps。

3.4 功耗评估

每个检测周期唤醒后，单片机等待32768个时钟周期以使时钟稳定振荡，随后对无线模块和水位传感器上电，延时100ms后读传感器信息，随后关闭传感器电源，数据封包后发送到无线模块，当前使用的数据报长度为7个字节，以2400bps的速率发送，大约需要30ms，但为了让无线模块有充分的时间发送数据，单片机发送数据后延时100ms关闭无线模块电源，设置PCF8563唤醒倒计时后单片机随即进入掉电状态。

以毫安·秒为单位对每个检测周期耗电量进行计算，当装置检测周期设置为10分钟时，每周期耗电量大约为17mA.s，年耗电量小于250mA.h。以电池容量1000mA.h估算，扣除电池自放电及其他损耗，可以满足装置工作一年的设计要求。相关器件的功耗数据如表2所示。

表2 器件功耗数据

4 接收装置简介

接收装置位于水泵房，接收储水池装置发来的信息，分析处理后控制相应的输出，并将当前状态进行显示。接收装置在规定时间内接收不到校验正确的报文，则判断为通信中断或设备故障，并通过声光报警提醒水泵房值班人员，避免造成其他损失。

接收装置位于水泵房，有充足的电力供应，处于持续工作状态，因此硬件设计比较简单，不再赘述。接收装置内部电路板实物如图3所示。

图3 接收装置电路板实物图

5 结论

该装置在使用现场进行测试。对于无线通信，当通信距离达到2000米时，装置依然可以正常进行数据收发，当距离达到2500米时，数据丢包率开始增大。因此，在450米的实际使用环境中，认为无线模块具有充足的的发射功率与接收灵敏度。

装置安装就位后，进行了两个月的不间断测试，测试期间没有观察到装置出现误动作或不动作的情况。对数据包的校验和记录表明，测试过程中，没有出现数据包校验失败或数据包丢失的情况。单片机工作可靠，没有出现死机、程序跑飞、无法唤醒等故障。在经历两个月测试后，向设备供电的3节碱性电池测量电压仍然有4.65V，预计可以满足一年的供电需求。

装置选用的STC11L04E单片机，零售价格仅数元，加上其他外围器件，总材料费用仍然十分低廉。

综上所述，初步认为装置功能与性能满足设计要求，实现了低功耗、低成本的远程状态监控。

（编自《电气技术》，原文标题为“ 基于宏晶单片机的无线远程状态监控装置设计”，作者为程晋然、郭世明。）

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