解析WSN的芯片技術(shù)及解決方案

由許多感測(cè)節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的WSN（無(wú)線感測(cè)網(wǎng)路），可各種環(huán)境需求來(lái)設(shè)置。而為了長(zhǎng)期運(yùn)作，大多采用低功耗與節(jié)電設(shè)計(jì)，必要時(shí)再搭配能源采集的功能，讓運(yùn)作時(shí)間更長(zhǎng)久。而在感測(cè)資料的搜集與傳遞部份，除感測(cè)器必須量測(cè)精準(zhǔn)，各節(jié)點(diǎn)之間的資料傳輸也必須力求通暢，并具有容錯(cuò)能力；各廠商也推出不同傳輸技術(shù)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(wú)線感測(cè)網(wǎng)路）近幾年來(lái)陸續(xù)應(yīng)用在各種領(lǐng)域，如軍事國(guó)防、科學(xué)領(lǐng)域、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)物流、醫(yī)療照護(hù)、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(guò)布建多個(gè)感測(cè)節(jié)點(diǎn)，將感測(cè)與搜集到資料，透過(guò)無(wú)線方式傳送到中控電腦，以做為搜集、分析、預(yù)警、防害等目的。

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

早期工業(yè)用WSN由于沒(méi)有共同的系統(tǒng)規(guī)格，在節(jié)點(diǎn)部署與系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，必須耗費(fèi)不少時(shí)間，動(dòng)輒耗費(fèi)長(zhǎng)達(dá)幾年的時(shí)間來(lái)測(cè)試、校正、改善，造成WSN推行上的阻礙。

由于WSN的節(jié)點(diǎn)元件主要是MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）感測(cè)器，搭配RF（無(wú)線射頻）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(shè)計(jì)上加入自主與智慧功能（可調(diào)節(jié)式路由、智慧搜集、容錯(cuò)等）。

為讓W(xué)SN的運(yùn)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(guān)的產(chǎn)品解決方案，提供簡(jiǎn)易安裝、適應(yīng)各種惡劣環(huán)境、超長(zhǎng)時(shí)間感測(cè)、精準(zhǔn)感測(cè)、各種節(jié)電模式、資料安全等的特色，來(lái)吸引客戶導(dǎo)入使用，以節(jié)省測(cè)試與部署的時(shí)間。

WSN感測(cè)器繁多多采用子板設(shè)計(jì)

目前許多感測(cè)器，大多采用微機(jī)電（MEMS）元件來(lái)設(shè)計(jì)。而WSN所用到的感測(cè)器種類可說(shuō)是包羅萬(wàn)象，如動(dòng)力/慣性運(yùn)動(dòng)類（加速器、陀螺儀、LVDT，線性變化差動(dòng)變壓器），壓力類（壓力計(jì)、血壓計(jì)），磁力類（磁力計(jì)）、光學(xué)類（環(huán)境光感測(cè)器、油壓感測(cè)器、光伏感測(cè)器），化學(xué)類，氣體類（一氧化碳、二氧化碳、空氣、氧氣、氫氣、甲烷等偵測(cè)器），熱能類（熱度計(jì)）。

還有像是流體類（流動(dòng)計(jì)），定位類（GPS衛(wèi)星導(dǎo)航、LVDT、編碼器），視覺(jué)類（相機(jī)），射頻類（強(qiáng)度偵測(cè)器、RSSI，接收信號(hào)強(qiáng)度指示器等），旋轉(zhuǎn)類（磁力計(jì)、編碼器），以及濕度類（濕度計(jì)），高度類（氣壓計(jì)），色彩類（色度計(jì)），體積類（差分干涉儀、雷射干涉儀），數(shù)量類（光學(xué)檢視儀等）等等。此外，在電腦內(nèi)也使用到不少感測(cè)器，像是內(nèi)容類（主機(jī)板溫度）、辨識(shí)類（指紋辨識(shí)器）、活動(dòng)類（超頻偵測(cè)等）。

WSN的開發(fā)板在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上具備擴(kuò)充能力，可以透過(guò)子板（Daughterboard）方式，連接上述各式感測(cè)器以擴(kuò)充其感測(cè)功能；當(dāng)感測(cè)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(jié)點(diǎn)產(chǎn)品方案

WSN的感測(cè)節(jié)點(diǎn)需要低功耗設(shè)計(jì)，其網(wǎng)路傳輸規(guī)范主要基于IEEE 802.15.4，基于此底層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的無(wú)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(lán)牙、行動(dòng)網(wǎng)路等協(xié)定，將資料傳到中央主機(jī)。

因此系統(tǒng)晶片廠針對(duì)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(cè)器子板的解決方案。這些廠商包括Atmel、ST（意法半導(dǎo)體）、Silicon Labs（芯科實(shí)驗(yàn)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(píng)估平臺(tái)，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)線通訊方面則支援802.15.4與ZigBee等應(yīng)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(yùn)作時(shí)脈為6、12、24MHz，含128~192KB快閃記憶體，具備讀取保護(hù)、12KB RAM、具AES-128硬體加密功能。適合應(yīng)用在智慧能源采集、建筑或家庭自動(dòng)化控制、安全監(jiān)測(cè)、與WSN應(yīng)用。

其他WSN產(chǎn)品應(yīng)用與解決方案

Linear Technology以自家在能源采集的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，推出工業(yè)領(lǐng)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(cè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品（基于6LoWPAN與802.15.4e技術(shù)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(gòu)，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(gè)節(jié)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(cè)節(jié)點(diǎn)即可取得能源來(lái)供電，以延長(zhǎng)電池的使用壽命，甚至免換電池。適合應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心、工業(yè)自動(dòng)化、再生能源、遠(yuǎn)距監(jiān)控、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)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(cè)產(chǎn)品。其原理是透過(guò)網(wǎng)路封包的嗅探方式，經(jīng)遠(yuǎn)端電腦連接至該裝置，取得WSN網(wǎng)路運(yùn)作的狀況；可安裝在有感測(cè)網(wǎng)路的室內(nèi)環(huán)境中，來(lái)檢測(cè)WSN的運(yùn)作是否正常，有無(wú)遭受到其他訊號(hào)干擾或駭客攻擊。

其支援IEEE 802.15.4、ZigBee、6LoWPAN等Mesh網(wǎng)路架構(gòu)之封包嗅探，且多達(dá)31個(gè)無(wú)線頻道，適合全世界的無(wú)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?jī)H250mA.在設(shè)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(yīng)用

RFID（Radio Frequency IDentification；無(wú)線射頻辨識(shí)）系統(tǒng)，目前被廣泛應(yīng)用在生活上。其原理主要是由電子標(biāo)簽（Tag）、讀取器（Reader）組成，當(dāng)讀卡機(jī)與RFID Tag在近距離感應(yīng)之后，搭配后臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)（Application），即可快速辨識(shí)其ID，并做為各種應(yīng)用。像是物流管理、各場(chǎng)所的門禁卡、悠游卡、電子票券、動(dòng)物晶片、以及高速公路電子收費(fèi)（eTag）等等，這些大多采用被動(dòng)式RFID技術(shù)，標(biāo)簽不須內(nèi)建電池，只須在設(shè)定距離內(nèi)與讀取器感應(yīng)到，即可通電并進(jìn)行資料讀取與運(yùn)算。

至于主動(dòng)式RFID技術(shù)，則是標(biāo)簽本身具備電池，感應(yīng)距離長(zhǎng)，記憶體較大且可讀寫，可主動(dòng)偵測(cè)周遭的RFID讀卡機(jī)，將資料傳過(guò)去。由于主動(dòng)式RFID能在周圍形成有效的活動(dòng)區(qū)域，因此應(yīng)用范圍更廣泛。例如應(yīng)用在室內(nèi)定位上，在GPS接收不到的室內(nèi)場(chǎng)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(jī)、辨識(shí)機(jī)，即可發(fā)揮在人員定位、車輛管控、物品追蹤等應(yīng)用。不過(guò)，主動(dòng)式RFID其標(biāo)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(shí)別，并沒(méi)有內(nèi)建任何感測(cè)器。除非特殊應(yīng)用（例如血袋的RFID標(biāo)簽，就內(nèi)建可隨時(shí)偵測(cè)溫度的溫度計(jì)），而也有廠商開發(fā)出以RFID為基礎(chǔ)的WSN感測(cè)網(wǎng)路，采用1對(duì)1的感應(yīng)方式，應(yīng)用在非環(huán)境感測(cè)的管控場(chǎng)所，如公司、工廠、醫(yī)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(cè)節(jié)點(diǎn)或感測(cè)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(jìn)行環(huán)境感測(cè)之用，也能同時(shí)管控人員或物品出入，一舉兩得。