解析WSN的芯片技術及解決方案

由許多感測節(jié)點所構成的WSN（無線感測網(wǎng)路），可各種環(huán)境需求來設置。而為了長期運作，大多采用低功耗與節(jié)電設計，必要時再搭配能源采集的功能，讓運作時間更長久。而在感測資料的搜集與傳遞部份，除感測器必須量測精準，各節(jié)點之間的資料傳輸也必須力求通暢，并具有容錯能力；各廠商也推出不同傳輸技術與解決方案，供客戶選擇與部署…

解決方案多而雜WSN推廣門檻大

WSN（無線感測網(wǎng)路）近幾年來陸續(xù)應用在各種領域，如軍事國防、科學領域、環(huán)境監(jiān)測、交通運輸、倉儲物流、醫(yī)療照護、農(nóng)業(yè)防治、智慧建筑、石油天然氣、橋梁河川、航太飛行等等。透過布建多個感測節(jié)點，將感測與搜集到資料，透過無線方式傳送到中控電腦，以做為搜集、分析、預警、防害等目的。

監(jiān)測WSN網(wǎng)路品質(zhì)的Open Sniffer組成架構（圖/SEWIO）

早期工業(yè)用WSN由于沒有共同的系統(tǒng)規(guī)格，在節(jié)點部署與系統(tǒng)設計上，必須耗費不少時間，動輒耗費長達幾年的時間來測試、校正、改善，造成WSN推行上的阻礙。

由于WSN的節(jié)點元件主要是MEMS（微機電系統(tǒng)）感測器，搭配RF（無線射頻）通訊晶片、處理器（通常是用MCU微控制器）、電力來源（電池、電源、太陽能等）所組成，在軟體/韌體設計上加入自主與智慧功能（可調(diào)節(jié)式路由、智慧搜集、容錯等）。

為讓WSN的運作更有效率，不少晶片廠、網(wǎng)通廠、系統(tǒng)方案廠相繼投入開發(fā)新一代的WSN硬體元件，以及相關的產(chǎn)品解決方案，提供簡易安裝、適應各種惡劣環(huán)境、超長時間感測、精準感測、各種節(jié)電模式、資料安全等的特色，來吸引客戶導入使用，以節(jié)省測試與部署的時間。

WSN感測器繁多多采用子板設計

目前許多感測器，大多采用微機電（MEMS）元件來設計。而WSN所用到的感測器種類可說是包羅萬象，如動力/慣性運動類（加速器、陀螺儀、LVDT，線性變化差動變壓器），壓力類（壓力計、血壓計），磁力類（磁力計）、光學類（環(huán)境光感測器、油壓感測器、光伏感測器），化學類，氣體類（一氧化碳、二氧化碳、空氣、氧氣、氫氣、甲烷等偵測器），熱能類（熱度計）。

還有像是流體類（流動計），定位類（GPS衛(wèi)星導航、LVDT、編碼器），視覺類（相機），射頻類（強度偵測器、RSSI，接收信號強度指示器等），旋轉(zhuǎn)類（磁力計、編碼器），以及濕度類（濕度計），高度類（氣壓計），色彩類（色度計），體積類（差分干涉儀、雷射干涉儀），數(shù)量類（光學檢視儀等）等等。此外，在電腦內(nèi)也使用到不少感測器，像是內(nèi)容類（主機板溫度）、辨識類（指紋辨識器）、活動類（超頻偵測等）。

WSN的開發(fā)板在系統(tǒng)設計上具備擴充能力，可以透過子板（Daughterboard）方式，連接上述各式感測器以擴充其感測功能；當感測需求有所變更時，只須更換子板即可。

力求整體低功耗WSN節(jié)點產(chǎn)品方案

WSN的感測節(jié)點需要低功耗設計，其網(wǎng)路傳輸規(guī)范主要基于IEEE 802.15.4，基于此底層標準規(guī)范的無線傳輸協(xié)定中，有ZigBee、6LoWPAN等。而WSN的資料搜集閘道器，則可采用電腦使用的Wi-Fi、藍牙、行動網(wǎng)路等協(xié)定，將資料傳到中央主機。

因此系統(tǒng)晶片廠針對WSN的特性，推出了WSN專用的RF晶片，亦有整合RF功能的SoC（系統(tǒng)單晶片），具備小尺寸、低功耗的特性；另也推出WSN的開發(fā)模組，可連接感測器子板的解決方案。這些廠商包括Atmel、ST（意法半導體）、Silicon Labs（芯科實驗室）、Linear Technology（凌力爾特）、NXP（恩智浦）、Libelium、DIGI、ROHM等。

例如ST推出的STM32W MCU家族，便是基于IEEE 802.15.4的SoC，采用ARM Cortex-M3 24MHz處理器，內(nèi)建64~128KB快閃記憶體，與8K SRAM.支援ZigBee與6LoWPAN協(xié)定，并具備AES-128硬體加密功能，以保障資料傳輸安全。

Atmel推出的Xplained系列硬體開發(fā)評估平臺，就有搭配自家32-bit ARM Cortex-M0+ 48MHz（ATSAMR21系列，提供64K~256KB的快閃記憶體，具備硬體觸控功能），或更低耗電的8-bit AVR MCU的選擇（具-40°C~+125°C的寬溫環(huán)境），無線通訊方面則支援802.15.4與ZigBee等應用。

而Silicon Labs推出的Ember ZigBee開發(fā)工具，則采用EM35x系列SoC.其EM351/EM357高效能系列，內(nèi)建32-bit ARM Cortex-M3處理器，運作時脈為6、12、24MHz，含128~192KB快閃記憶體，具備讀取保護、12KB RAM、具AES-128硬體加密功能。適合應用在智慧能源采集、建筑或家庭自動化控制、安全監(jiān)測、與WSN應用。

其他WSN產(chǎn)品應用與解決方案

Linear Technology以自家在能源采集的研發(fā)經(jīng)驗，推出工業(yè)領域WSN專用的Dust Networks產(chǎn)品解決方案─SmartMesh IP和SmartMesh WirelessHART的產(chǎn)品，前者包括LTC5800/5900/5901-IPM等感測節(jié)點產(chǎn)品（基于6LoWPAN與802.15.4e技術規(guī)范），而后者包括LTC5800/5900/5901/5902-WHM等產(chǎn)品（基于IEC 62591 WirelessHART規(guī)范）。

處理器采用32位元ARM Cortex-M3架構，具AES-128硬體加密功能，執(zhí)行其Dust的嵌入式SmartMesh IP網(wǎng)路軟體，具有智慧網(wǎng)路分析功能，能讓每個節(jié)點互相連接。此外，具備低于50uA的超低耗電量，若搭配能源采集模組，各感測節(jié)點即可取得能源來供電，以延長電池的使用壽命，甚至免換電池。適合應用在數(shù)據(jù)中心、工業(yè)自動化、再生能源、遠距監(jiān)控、交通運輸?shù)阮I域。

另外，像SEWIO的Open Sniffer則是一種WSN網(wǎng)路流量與品質(zhì)監(jiān)測產(chǎn)品。其原理是透過網(wǎng)路封包的嗅探方式，經(jīng)遠端電腦連接至該裝置，取得WSN網(wǎng)路運作的狀況；可安裝在有感測網(wǎng)路的室內(nèi)環(huán)境中，來檢測WSN的運作是否正常，有無遭受到其他訊號干擾或駭客攻擊。

其支援IEEE 802.15.4、ZigBee、6LoWPAN等Mesh網(wǎng)路架構之封包嗅探，且多達31個無線頻道，適合全世界的無線傳輸環(huán)境使用。該產(chǎn)品以體積輕巧且省電為主打訴求，重量130g，體積101x72mm，耗電量僅250mA.在設定上，只須網(wǎng)路瀏覽器、Wireless（網(wǎng)路封包分析軟體）即可，提供客戶診斷WSN環(huán)境之用。

RFID在WSN的應用

RFID（Radio Frequency IDentification；無線射頻辨識）系統(tǒng)，目前被廣泛應用在生活上。其原理主要是由電子標簽（Tag）、讀取器（Reader）組成，當讀卡機與RFID Tag在近距離感應之后，搭配后臺應用系統(tǒng)（Application），即可快速辨識其ID，并做為各種應用。像是物流管理、各場所的門禁卡、悠游卡、電子票券、動物晶片、以及高速公路電子收費（eTag）等等，這些大多采用被動式RFID技術，標簽不須內(nèi)建電池，只須在設定距離內(nèi)與讀取器感應到，即可通電并進行資料讀取與運算。

至于主動式RFID技術，則是標簽本身具備電池，感應距離長，記憶體較大且可讀寫，可主動偵測周遭的RFID讀卡機，將資料傳過去。由于主動式RFID能在周圍形成有效的活動區(qū)域，因此應用范圍更廣泛。例如應用在室內(nèi)定位上，在GPS接收不到的室內(nèi)場所，提供定位需求。若在室內(nèi)環(huán)境密集部署各種RFID的讀卡機、辨識機，即可發(fā)揮在人員定位、車輛管控、物品追蹤等應用。不過，主動式RFID其標簽體積比較大，電池有壽命限制，且成本也較高。

目前RFID大多僅有單純的識別，并沒有內(nèi)建任何感測器。除非特殊應用（例如血袋的RFID標簽，就內(nèi)建可隨時偵測溫度的溫度計），而也有廠商開發(fā)出以RFID為基礎的WSN感測網(wǎng)路，采用1對1的感應方式，應用在非環(huán)境感測的管控場所，如公司、工廠、醫(yī)院等等。亦有學者提出RFID+WSN的Hybrid（混合型）整合方案，在同樣必須布下天羅地網(wǎng)的WSN感測節(jié)點或感測閘道器中，也內(nèi)建RFID讀取器，這樣就不用部署兩次。除了可以進行環(huán)境感測之用，也能同時管控人員或物品出入，一舉兩得。