解析WSN的芯片技術(shù)及解決方案

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。

監測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(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）。

處理器采用32位元ARM Cortex-M3架構，具AES-128硬體加密功能，執行其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(gè)節點(diǎn)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，各感測節點(diǎn)即可取得能源來(lái)供電，以延長(cháng)電池的使用壽命，甚至免換電池。適合應用在數據中心、工業(yè)自動(dòng)化、再生能源、遠距監控、交通運輸等領(lǐng)域。

另外，像SEWIO的Open Sniffer則是一種WSN網(wǎng)路流量與品質(zhì)監測產(chǎn)品。其原理是透過(guò)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)路的室內環(huán)境中，來(lái)檢測WSN的運作是否正常，有無(wú)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(gè)無(wú)線(xiàn)頻道，適合全世界的無(wú)線(xiàn)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?jì)H250mA.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(hù)診斷WSN環(huán)境之用。

RFID在WSN的應用

RFID（Radio Frequency IDentification；無(wú)線(xiàn)射頻辨識）系統，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（Application），即可快速辨識其ID，并做為各種應用。像是物流管理、各場(chǎng)所的門(mén)禁卡、悠游卡、電子票券、動(dòng)物晶片、以及高速公路電子收費（eTag）等等，這些大多采用被動(dòng)式RFID技術(shù)，標簽不須內建電池，只須在設定距離內與讀取器感應到，即可通電并進(jìn)行資料讀取與運算。

至于主動(dòng)式RFID技術(shù)，則是標簽本身具備電池，感應距離長(cháng)，記憶體較大且可讀寫(xiě)，可主動(dòng)偵測周遭的RFID讀卡機，將資料傳過(guò)去。由于主動(dòng)式RFID能在周?chē)纬捎行У幕顒?dòng)區域，因此應用范圍更廣泛。例如應用在室內定位上，在GPS接收不到的室內場(chǎng)所，提供定位需求。若在室內環(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(chē)輛管控、物品追蹤等應用。不過(guò)，主動(dòng)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(méi)有內建任何感測器。除非特殊應用（例如血袋的RFID標簽，就內建可隨時(shí)偵測溫度的溫度計），而也有廠(chǎng)商開(kāi)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(chǎng)所，如公司、工廠(chǎng)、醫院等等。亦有學(xué)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感測節點(diǎn)或感測閘道器中，也內建RFID讀取器，這樣就不用部署兩次。除了可以進(jìn)行環(huán)境感測之用，也能同時(shí)管控人員或物品出入，一舉兩得。