詳解WSN的芯片技術(shù)與解決方案

WSN近幾年來(lái)陸續應用在各種領(lǐng)域，如軍事國防、科學(xué)領(lǐng)域、環(huán)境監測、交通運輸、倉儲物流、醫療照護、農業(yè)防治、智慧建筑、石油天然氣、橋梁河川、航太飛行等等。透過(guò)布建多個(gè)感測節點(diǎn)，將感測與搜集到資料，透過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳送到中控電腦，以做為搜集、分析、預警、防害等目的。

由許多感測節點(diǎn)所構成的WSN(無(wú)線(xiàn)感測網(wǎng)路)，可各種環(huán)境需求來(lái)設置。而為了長(cháng)期運作，大多采用低功耗與節電設計，必要時(shí)再搭配能源采集的功能，讓運作時(shí)間更長(cháng)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，各節點(diǎn)之間的資料傳輸也必須力求通暢，并具有容錯能力;各廠(chǎng)商也推出不同傳輸技術(shù)與解決方案，供客戶(hù)選擇與部署…

解決方案多而雜 WSN推廣門(mén)檻大

WSN(無(wú)線(xiàn)感測網(wǎng)路)近幾年來(lái)陸續應用在各種領(lǐng)域，如軍事國防、科學(xué)領(lǐng)域、環(huán)境監測、交通運輸、倉儲物流、醫療照護、農業(yè)防治、智慧建筑、石油天然氣、橋梁河川、航太飛行等等。透過(guò)布建多個(gè)感測節點(diǎn)，將感測與搜集到資料，透過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳送到中控電腦，以做為搜集、分析、預警、防害等目的。

早期工業(yè)用WSN由于沒(méi)有共同的系統規格，在節點(diǎn)部署與系統設計上，必須耗費不少時(shí)間，動(dòng)輒耗費長(cháng)達幾年的時(shí)間來(lái)測試、校正、改善，造成WSN推行上的阻礙。

由于WSN的節點(diǎn)元件主要是MEMS(微機電系統)感測器，搭配RF(無(wú)線(xiàn)射頻)通訊晶片、處理器(通常是用MCU微控制器)、電力來(lái)源(電池、電源、太陽(yáng)能等)所組成，在軟體/韌體設計上加入自主與智慧功能(可調節式路由、智慧搜集、容錯等)。

為讓W(xué)SN的運作更有效率，不少晶片廠(chǎng)、網(wǎng)通廠(chǎng)、系統方案廠(chǎng)相繼投入開(kāi)發(fā)新一代的WSN硬體元件，以及相關(guān)的產(chǎn)品解決方案，提供簡(jiǎn)易安裝、適應各種惡劣環(huán)境、超長(cháng)時(shí)間感測、精準感測、各種節電模式、資料安全等的特色，來(lái)吸引客戶(hù)導入使用，以節省測試與部署的時(shí)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(lái)設計。而WSN所用到的感測器種類(lèi)可說(shuō)是包羅萬(wàn)象，如動(dòng)力/慣性運動(dòng)類(lèi)(加速器、陀螺儀、LVDT，線(xiàn)性變化差動(dòng)變壓器)，壓力類(lèi)(壓力計、血壓計)，磁力類(lèi)(磁力計)、光學(xué)類(lèi)(環(huán)境光感測器、油壓感測器、光伏感測器)，化學(xué)類(lèi)，氣體類(lèi)(一氧化碳、二氧化碳、空氣、氧氣、氫氣、甲烷等偵測器)，熱能類(lèi)(熱度計)。

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

由許多感測節點(diǎn)所構成的WSN(無(wú)線(xiàn)感測網(wǎng)路)，可各種環(huán)境需求來(lái)設置。而為了長(cháng)期運作，大多采用低功耗與節電設計，必要時(shí)再搭配能源采集的功能，讓運作時(shí)間更長(cháng)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，各節點(diǎn)之間的資料傳輸也必須力求通暢，并具有容錯能力;各廠(chǎng)商也推出不同傳輸技術(shù)與解決方案，供客戶(hù)選擇與部署…

解決方案多而雜 WSN推廣門(mén)檻大

WSN(無(wú)線(xiàn)感測網(wǎng)路)近幾年來(lái)陸續應用在各種領(lǐng)域，如軍事國防、科學(xué)領(lǐng)域、環(huán)境監測、交通運輸、倉儲物流、醫療照護、農業(yè)防治、智慧建筑、石油天然氣、橋梁河川、航太飛行等等。透過(guò)布建多個(gè)感測節點(diǎn)，將感測與搜集到資料，透過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳送到中控電腦，以做為搜集、分析、預警、防害等目的。

早期工業(yè)用WSN由于沒(méi)有共同的系統規格，在節點(diǎn)部署與系統設計上，必須耗費不少時(shí)間，動(dòng)輒耗費長(cháng)達幾年的時(shí)間來(lái)測試、校正、改善，造成WSN推行上的阻礙。

由于WSN的節點(diǎn)元件主要是MEMS(微機電系統)感測器，搭配RF(無(wú)線(xiàn)射頻)通訊晶片、處理器(通常是用MCU微控制器)、電力來(lái)源(電池、電源、太陽(yáng)能等)所組成，在軟體/韌體設計上加入自主與智慧功能(可調節式路由、智慧搜集、容錯等)。

為讓W(xué)SN的運作更有效率，不少晶片廠(chǎng)、網(wǎng)通廠(chǎng)、系統方案廠(chǎng)相繼投入開(kāi)發(fā)新一代的WSN硬體元件，以及相關(guān)的產(chǎn)品解決方案，提供簡(jiǎn)易安裝、適應各種惡劣環(huán)境、超長(cháng)時(shí)間感測、精準感測、各種節電模式、資料安全等的特色，來(lái)吸引客戶(hù)導入使用，以節省測試與部署的時(shí)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(lái)設計。而WSN所用到的感測器種類(lèi)可說(shuō)是包羅萬(wàn)象，如動(dòng)力/慣性運動(dòng)類(lèi)(加速器、陀螺儀、LVDT，線(xiàn)性變化差動(dòng)變壓器)，壓力類(lèi)(壓力計、血壓計)，磁力類(lèi)(磁力計)、光學(xué)類(lèi)(環(huán)境光感測器、油壓感測器、光伏感測器)，化學(xué)類(lèi)，氣體類(lèi)(一氧化碳、二氧化碳、空氣、氧氣、氫氣、甲烷等偵測器)，熱能類(lèi)(熱度計)。

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

WSN的開(kāi)發(fā)板在系統設計上具備擴充能力，可以透過(guò)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(shí)，只須更換子板即可。

力求整體低功耗 WSN節點(diǎn)產(chǎn)品方案

WSN的感測節點(diǎn)需要低功耗設計，其網(wǎng)路傳輸規范主要基于IEEE 802.15.4，基于此底層標準規范的無(wú)線(xiàn)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(dòng)網(wǎng)路等協(xié)定，將資料傳到中央主機。

因此系統晶片廠(chǎng)針對WSN的特性，推出了WSN專(zhuān)用的RF晶片，亦有整合RF功能的SoC(系統單晶片)，具備小尺寸、低功耗的特性;另也推出WSN的開(kāi)發(fā)模組，可連接感測器子板的解決方案。這些廠(chǎng)商包括Atmel、ST(意法半導體)、Silicon Labs(芯科實(shí)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(kāi)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(wú)線(xiàn)通訊方面則支援802.15.4與ZigBee等應用。

而Silicon Labs推出的Ember ZigBee開(kāi)發(fā)工具，則采用EM35x系列SoC。其EM351/EM357高效能系列，內建32-bit ARM Cortex-M3處理器，運作時(shí)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(dòng)化控制、安全監測、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(lǐng)域WSN專(zhuān)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等感測節點(diǎn)產(chǎn)品(基于6LoWPAN與802.15.4e技術(shù)規范)，而后者包括LTC5800/5900/5901/5902-WHM等產(chǎn)品(基于IEC 62591 WirelessHART規范)。