使用單一平台快速進行無線感測節點的原型開發及除錯

從 HVAC 和工廠自動化，到汽車、醫療及消費性電子產品，無線連線感測元件的開發人員一直面臨著快速迭代和成本效益方面的挑戰，同時還要應對日益增加的法規、互通性及效能難題。雖然常常會嚮往從頭設計無線感測器產品，以在效能和尺寸上達到差異化，但使用專用於快速原型設計和開發的現成套件，速度更快、成本效益也更高，而且已經建立生態系統，可提供支援與擴充性。

Texas Instruments 的 LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag 套件就屬於這種平台。此套件將無線微控制器 (CC1352R)、感測器、多個無線介面整合在小型緊湊的封裝內，可達到相對較高的效能以及低功耗，並提供龐大且經過實證的軟體與工具支援生態系統。

本文將探討無線感測器產品的設計與原型開發歷程，並介紹 CC1352R SensorTag 套件及其使用方法。

為何要使用無線感測器原型開發套件？

無線感測器元件給設計人員帶來棘手的問題。實際上，為了將維護作業減到最少，這些元件至少要在現場持續使用 1 到 10 年才需要更換電池。另外，這些元件還需要具備一定程度的板載處理和分析能力，若盡可能靠近物聯網 (IoT) 網路的邊緣進行處理和分析，即可減少資料交換量，進而降低功耗且更善加利用可用的無線頻寬。

無線頻寬本身也有其問題。設計人員必須在多個無線堆疊中挑選，包括以 sub GHz 頻率或 2.45 GHz 頻率工作的藍牙、Thread 和 Zigbee。每種技術在使用可用頻寬的方法、功率和處理資源層面上各有其優缺點。挑選時，需要仔細分析各種應用需求，包括數據傳輸率、範圍、預期節點數、網路拓撲、延遲要求、工作週期、功耗、網路協定開銷、互通性以及法規要求等。

針對要從頭開始的部署 挑選合適的介面相對容易。但是，工業物聯網 (IIoT) 應用中往往已經有部署無線網路，因此設計人員需要決定是要使用相同的介面直接連接到其他節點，還是使用可能更適合該應用的其他介面，然後透過閘道器將舊節點連接至新節點。

這些與應用相關的層層決策，必須由設計人員負責進行，但若是要針對概念進行原型製作和開發，在絕大多數情況下，就不太值得從頭開始設計介面再挑選相關的處理器和感測器，更別提進行軟體開發和整合所需投入的時間與資源了。對於超高產量的大眾市場設計，「自己動手」設計確實有其優點。但在許多情況下，工程師若要針對自家工廠生產線設計節點，只需要幾個節點，就能從某些馬達、生產線的某個點或是溫度計取得資料，因此高產量並非設計要求的一部份。在這種情況下，現成的套件就可完美勝任。

若是需要更高產量，則有經過預先認證且符合法規要求的現成 RF 模組。由於這些模組具有豐富的韌體和軟體支援，因此可以加速原型開發並降低開發和部署的成本。在此情況下，設計人員依然需要將所需的平台處理器、感測器，以及各感測器和額外區塊的相關軟體項目整合在一起。

若設計人員已經知道自己要使用的無線介面為何，此做法沒有問題。但如果還在跨越眾多應用的多種設計中加以考慮，且還涉及傳統且往往無法互通的無線介面的話，則需要以整合度和靈活性更高的方法，進行無線感測器的原型設計和開發。

SensorTag：全方位的無線感測器原型開發平台

尋找現成平台是較好的做法，不僅能將無線感測與處理節點的核心元件與感測器、軟體以及支援設計人員的生態系統整合在一起，還允許在更高的軟體開發堆疊層級進行探索和差異化。Texas Instruments (TI) 的 LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag 套件便是此類平台 (圖 1)。

圖 1：LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag 套件具有設計人員完成無線感測器應用原型設計和開發所需的一切要件。(圖片來源：DigiKey，基於 Texas Instruments 的資料)

此套件以 TI 的 CC1352R 多頻段無線微控制器 (MCU) 為基礎，並在周邊加入環境與動作感測器和軟體，接裝入可拆卸的外殼內，並附有外接式 sub 1 GHz 旋轉天線、雙線式母對母纜線、JTAG 連接用的 10 引腳扁平帶狀纜線以及快速入門指南。此套件未隨附但建議搭配 TI 的 LAUNCHXL-CC1352R1 SimpleLink 多頻段 CC1352R 無線 MCU Launchpad 開發套件以及兩個 AAA 電池操作。但 SensorTag 也能在板件後方裝上特殊電池座，使用 CR2032 鈕扣型電池供電。

SensorTag 套件的核心是 CC1352R 多頻段無線 MCU (圖 2)。此產品是 TI SimpleLink MCU 平台的一部分，能提供實現安全低功率連線拓撲所需的所有建構要件。

圖 2：TI 的 CC1352R 多頻段無線微控制器通過 FCC、CE 與 IC 認證，可在 2.4 GHz 和 sub 1 GHz 下達到雙頻段運作，並構成 LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag 套件的核心。(圖片來源：Texas Instruments)

CC1352R 微控制器通過 FCC、CE 和 Industry Canada (IC) 認證，可在 2.4 GHz 和 sub 1 GHz 下達到雙頻段運作，並支援低功耗藍牙 (BLE)、Thread、Zigbee、IPv6 智慧物件低功耗無線個人區域網路 (6LoWPAN)，以及其他以 IEEE 802.15.4g 實體層 (PHY) 為基礎的專有通訊協定，包括 TI 的 SimpleLink TI 15.4 堆疊 (sub 1 GHz 和 2.4 GHz)。此微控制器採用動態多重協定管理器 (DMM)，能同時執行多個通訊協定。

在 SimpleLink 遠距模式下，無線電的接收器靈敏度為 -121 dBm (毫瓦分貝)；在 50 kbps 時為 -110 dBm；藍牙靈敏度在 125 kbps 時則為 -105 dBm (搭配 LE 編碼 PHY)。在 sub-GHz 頻段下，最大發射功率為 +14 dBm，電流消耗量為 24.9 mA，在 2.4 GHz 時則為 +5 dBm，電流消耗量為 9.6 mA。此元件的待機電流令人印象深刻，僅有 0.85 µA，且 RAM 為完全休眠狀態。另外，此元件還支援 IIoT，待機電流在 105˚C 時為 11 µA。設計人員可嘗試多種待機模式和類比數位轉換器 (ADC) 採樣率，以達到最佳化低功率表現。例如，ADC 可設定為在 1 Hz 下取樣，此時系統電流耗用量為 1 µA。

CC1352R 的中央處理器以 48 MHz Arm® Cortex®-M4F 核心為基礎，並由 352 KB 系統內可編程快閃記憶體、256 KB ROM (用於協定和函式庫函數)，以及 8 KB 快取 SRAM 提供支援。此元件支援空中 (OTA) 升級，並具有 AES 128 和 AES 256 加速器。

進行最佳化以減少 BOM

RF 前端設計人員面臨的問題之一在於，必須知道濾波、阻抗匹配和其他功能需要的額外離散被動元件數量。這會增加 BOM，並讓佈局變更複雜。為了簡化 CC1352R 的實作，TI 與 Johanson Technology 合作開發客製化整合式被動元件 (IPC) 封裝，尺寸為 1 x 1.25 x 2 mm，能將元件數從 23 個減少到 3 個 (圖 3)。

圖 3：TI 與 Johanson Technology 合作開發 IPC，可簡化 TI CC1352R 的實作，將被動元件需求量從 23 個減少到 3 個。(圖片來源：DigiKey，基於 Johanson Technology 的資料)

SensorTag 套件附帶四個感測器，但如果需要更多或不同的感測器，則可從 TI 的 BoosterPack LaunchPad 外掛模組中挑選並快速增添。SensorTag 套件隨附的四個感測器為：

• TI 的 HDC2080 濕度與溫度感測器
• TI 的 OPT3001 環境光感測器
• TI 的 DRV5032 霍爾效應開關
• TI 的 ADXL362 加速計

圖 4 顯示感測器的佈局與連線。

圖 4：SensorTag 套件隨附溫濕度感測器、環境光感測器、加速計以及霍爾效應感測器。(圖片來源：Texas Instruments)

這些連接器與 LaunchPad 相容，因此除了感測器以外，也能輕鬆連接 BoosterPack 周邊裝置，例如 LCD 顯示器，甚至是客製化電路。

LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag 套件使用入門

要開始使用 LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag 套件，請下載 SimpleLink CC13x2 和 CC26x2 軟體開發套件 (SDK)。此版本僅對 E 版元件有效，因此若是 C 版或更早的版本，請使用 v2.30.00.xx。下載完畢後，請前往 SimpleLink Academy，取得逐步說明和範例。

為了迅速取得範例資料，此套件已預先編程，具有一個藍牙 5 (BLE5) 專案 (名為 Multi-Sensor)，可透過 BLE 連線連接到裝有 SimpleLink Starter 應用程式 (iOS 或 Android 版) 的智慧型手機和平板電腦。透過此初始連線，設計人員可查看感測器資料、切換 LED、讀取按鈕狀態以及利用 OTA 下載 (OAD) 功能來更新韌體 (圖 5)。此時，設計人員也可從行動裝置將資料推送到雲端。

圖 5：設計人員可透過 BLE 連接到裝有 SimpleLink Starter 應用程式 (iOS 和 Android 平台) 的智慧型手機或平板電腦，即可開始試用 LaunchPad SensorTag 套件。(圖片來源：Texas Instruments)

除了 BLE，LPSTK 還有兩個範例：一個將 LPSTK 當作 Zigbee 照明開關，另一個當作 802.15.4 網路中的感測器節點。三個範例專案皆可在 SDK 中取得，如下所示：

• 多個感測器：
  • <simplelink_cc13x2_26x2_sdk install location>\examples\rtos\CC1352R1_LAUNCHXL\ble5stack\multi_sensor
• TI DMM 感測器節點：
  • \CC1352R1_LAUNCHXL\dmm\dmm_154sensor_remote_display_oad_lpstk_app
• Zigbee 開關：
  • \CC1352R1_LAUNCHXL\dmm\dmm_zed_switch_remote_display_oad_app

為了讓 SimpleLink 和 Starter 應用程式更加完備，TI 提供統一的圖形使用者介面 (GUI) 工具 SysConfig，可用於啟用、配置和產生多種 SimpleLink SDK 元件的初始化程式碼，包括 BLE、Zigbee、Thread 及 TI-15.4 的 TI 驅動程式和堆疊組態 (圖 6)。

圖 6：為了讓 SimpleLink 更加完備，TI 的 SysConfig 提供一套容易使用的圖形化公用程式，可用於配置引腳、周邊裝置、無線電、子系統以及其他元件。(圖片來源：Texas Instruments)

幾乎所有的系統設計都需要進行某種程度的除錯。針對此階段，SensorTag 已設計為搭配 LaunchPad 開發套件 (在本例中即為先前提及的 LAUNCHXL-CC1352R) 中的板載 XDS110 除錯器使用，因此包含 Arm 10 引腳 JTAG 纜線和雙線式 UART 纜線。連接後，這些元件即可進行完整的除錯、編程和 UART 通訊。請遵循以下步驟連接纜線：

• 斷開 LaunchPad 上的隔離跳接器
• 將 Arm 10 引腳 JTAG 纜線連接到 LaunchPad SensorTag 上的 XDS110 OUT 排針座
• 將 Arm 10 引腳纜線的另一端連接到 LaunchPad SensorTag 上的 JTAG 排針座
• 將雙引腳跳接線連接到 RXD 和 TXD 的頂端引腳 (灰線接 RXD，白線接 TXD)。
• 將雙引腳跳接線的另一端連接到 LaunchPad SensorTag 上的 12/RX 和 13/TX 引腳 (灰線接 12/RX，白線接 13/TX)
• 將 LaunchPad 連接到個人電腦或筆記型電腦

完整設定應如同圖 7 所示。

圖 7：要進行除錯，需使用 SensorTag 套件隨附的 Arm 10 引腳 JTAG 纜線和雙引腳 UART 纜線，將 SensorTag 連接到 LAUNCHXL-CC1352R LaunchPad 開發套件。(圖片來源：Texas Instruments)

值得注意的是，由於運行中的映像無法自行更新，傳入的 OAD 映像在接收期間必須儲存在某個暫時位置。這個暫時的位置，可保留於內部快閃記憶體或晶片外記憶體。無論是何者，一旦映像下載完成後，永久駐留於 SensorTag 裝置的開機映像管理器 (BIM)，即會根據映像標題判定新的映像是否有效以及是否應予以載入和執行。

BIM 特別有用，例如能讓設計人員在進行 OAD 升級後還原至開箱時的原始映像。為此，請在電源啟動或重設期間按住 BTN-1 (左按鈕)，BIM 隨即會還原至開箱映像 (即 Multi-Sensor)。

結論

雖然在實作無線感測器節點時，有許多無線介面可供選擇，但開發人員不需要耗費時間和資源針對每個介面開發原型，以找出最適合指定應用的原型為何。相反地，設計人員可以透過 LPSTK-CC1352R SensorTag 套件和相關的 LaunchPad 硬體、軟體及生態系統，輕鬆快速地混搭介面、同時使用一或多個介面，以及根據需求新增和替換 BoosterPack 感測器。