解析WSN的芯片技术及解决方案

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由许多感测节点所构成的WSN（无线感测网路），可各种环境需求来设置。而为了长期运作，大多采用低功耗与节电设计，必要时再搭配能源采集的功能，让运作时间更长久。而在感测资料的搜集与传递部份，除感测器必须量测精准，各节点之间的资料传输也必须力求通畅，并具有容错能力；各厂商也推出不同传输技术与解决方案，供客户选择与部署…
       
        解决方案多而杂WSN推广门槛大
       
        WSN（无线感测网路）近几年来陆续应用在各种领域，如军事国防、科学领域、环境监测、交通运输、仓储物流、医疗照护、农业防治、智慧建筑、石油天然气、桥梁河川、航太飞行等等。透过布建多个感测节点，将感测与搜集到资料，透过无线方式传送到中控电脑，以做为搜集、分析、预警、防害等目的。

       
       
        监测WSN网路品质的Open Sniffer组成架构（图/SEWIO）

         
        早期工业用WSN由于没有共同的系统规格，在节点部署与系统设计上，必须耗费不少时间，动辄耗费长达几年的时间来测试、校正、改善，造成WSN推行上的阻碍。
       
        由于WSN的节点元件主要是MEMS（微机电系统）感测器，搭配RF（无线射频）通讯晶片、处理器（通常是用MCU微控制器）、电力来源（电池、电源、太阳能等）所组成，在软体/韧体设计上加入自主与智慧功能（可调节式路由、智慧搜集、容错等）。
       
        为让WSN的运作更有效率，不少晶片厂、网通厂、系统方案厂相继投入开发新一代的WSN硬体元件，以及相关的产品解决方案，提供简易安装、适应各种恶劣环境、超长时间感测、精准感测、各种节电模式、资料安全等的特色，来吸引客户导入使用，以节省测试与部署的时间。
       
        WSN感测器繁多多采用子板设计
       
        目前许多感测器，大多采用微机电（MEMS）元件来设计。而WSN所用到的感测器种类可说是包罗万象，如动力/惯性运动类（加速器、陀螺仪、LVDT，线性变化差动变压器），压力类（压力计、血压计），磁力类（磁力计）、光学类（环境光感测器、油压感测器、光伏感测器），化学类，气体类（一氧化碳、二氧化碳、空气、氧气、氢气、甲烷等侦测器），热能类（热度计）。
       
        还有像是流体类（流动计），定位类（GPS卫星导航、LVDT、编码器），视觉类（相机），射频类（强度侦测器、RSSI，接收信号强度指示器等），旋转类（磁力计、编码器），以及湿度类（湿度计），高度类（气压计），色彩类（色度计），体积类（差分干涉仪、雷射干涉仪），数量类（光学检视仪等）等等。此外，在电脑内也使用到不少感测器，像是内容类（主机板温度）、辨识类（指纹辨识器）、活动类（超频侦测等）。
       
        WSN的开发板在系统设计上具备扩充能力，可以透过子板（Daughterboard）方式，连接上述各式感测器以扩充其感测功能；当感测需求有所变更时，只须更换子板即可。
       
        力求整体低功耗WSN节点产品方案
       
        WSN的感测节点需要低功耗设计，其网路传输规范主要基于IEEE 802.15.4，基于此底层标准规范的无线传输协定中，有ZigBee、6LoWPAN等。而WSN的资料搜集闸道器，则可采用电脑使用的Wi-Fi、蓝牙、行动网路等协定，将资料传到中央主机。
       
        因此系统晶片厂针对WSN的特性，推出了WSN专用的RF晶片，亦有整合RF功能的SoC（系统单晶片），具备小尺寸、低功耗的特性；另也推出WSN的开发模组，可连接感测器子板的解决方案。这些厂商包括Atmel、ST（意法半导体）、Silicon Labs（芯科实验室）、Linear Technology（凌力尔特）、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处理器，内建64~128KB快闪记忆体，与8K SRAM.支援ZigBee与6LoWPAN协定，并具备AES-128硬体加密功能，以保障资料传输安全。
       
        Atmel推出的Xplained系列硬体开发评估平台，就有搭配自家32-bit ARM Cortex-M0+ 48MHz（ATSAMR21系列，提供64K~256KB的快闪记忆体，具备硬体触控功能），或更低耗电的8-bit AVR MCU的选择（具-40°C~+125°C的宽温环境），无线通讯方面则支援802.15.4与ZigBee等应用。
       
        而Silicon Labs推出的Ember ZigBee开发工具，则采用EM35x系列SoC.其EM351/EM357高效能系列，内建32-bit ARM Cortex-M3处理器，运作时脉为6、12、24MHz，含128~192KB快闪记忆体，具备读取保护、12KB RAM、具AES-128硬体加密功能。适合应用在智慧能源采集、建筑或家庭自动化控制、安全监测、与WSN应用。
        其他WSN产品应用与解决方案
         
        Linear Technology以自家在能源采集的研发经验，推出工业领域WSN专用的Dust Networks产品解决方案─SmartMesh IP和SmartMesh WirelessHART的产品，前者包括LTC5800/5900/5901-IPM等感测节点产品（基于6LoWPAN与802.15.4e技术规范），而后者包括LTC5800/5900/5901/5902-WHM等产品（基于IEC 62591 WirelessHART规范）。
       
        处理器采用32位元ARM Cortex-M3架构，具AES-128硬体加密功能，执行其Dust的嵌入式SmartMesh IP网路软体，具有智慧网路分析功能，能让每个节点互相连接。此外，具备低于50uA的超低耗电量，若搭配能源采集模组，各感测节点即可取得能源来供电，以延长电池的使用寿命，甚至免换电池。适合应用在数据中心、工业自动化、再生能源、远距监控、交通运输等领域。
       
        另外，像SEWIO的Open Sniffer则是一种WSN网路流量与品质监测产品。其原理是透过网路封包的嗅探方式，经远端电脑连接至该装置，取得WSN网路运作的状况；可安装在有感测网路的室内环境中，来检测WSN的运作是否正常，有无遭受到其他讯号干扰或骇客攻击。
       
        其支援IEEE 802.15.4、ZigBee、6LoWPAN等Mesh网路架构之封包嗅探，且多达31个无线频道，适合全世界的无线传输环境使用。该产品以体积轻巧且省电为主打诉求，重量130g，体积101x72mm，耗电量仅250mA.在设定上，只须网路浏览器、Wireless（网路封包分析软体）即可，提供客户诊断WSN环境之用。
       
        RFID在WSN的应用
       
        RFID（Radio Frequency IDentification；无线射频辨识）系统，目前被广泛应用在生活上。其原理主要是由电子标签（Tag）、读取器（Reader）组成，当读卡机与RFID Tag在近距离感应之后，搭配后台应用系统（Application），即可快速辨识其ID，并做为各种应用。像是物流管理、各场所的门禁卡、悠游卡、电子票券、动物晶片、以及高速公路电子收费（eTag）等等，这些大多采用被动式RFID技术，标签不须内建电池，只须在设定距离内与读取器感应到，即可通电并进行资料读取与运算。
       
        至于主动式RFID技术，则是标签本身具备电池，感应距离长，记忆体较大且可读写，可主动侦测周遭的RFID读卡机，将资料传过去。由于主动式RFID能在周围形成有效的活动区域，因此应用范围更广泛。例如应用在室内定位上，在GPS接收不到的室内场所，提供定位需求。若在室内环境密集部署各种RFID的读卡机、辨识机，即可发挥在人员定位、车辆管控、物品追踪等应用。不过，主动式RFID其标签体积比较大，电池有寿命限制，且成本也较高。
       
        目前RFID大多仅有单纯的识别，并没有内建任何感测器。除非特殊应用（例如血袋的RFID标签，就内建可随时侦测温度的温度计），而也有厂商开发出以RFID为基础的WSN感测网路，采用1对1的感应方式，应用在非环境感测的管控场所，如公司、工厂、医院等等。亦有学者提出RFID+WSN的Hybrid（混合型）整合方案，在同样必须布下天罗地网的WSN感测节点或感测闸道器中，也内建RFID读取器，这样就不用部署两次。除了可以进行环境感测之用，也能同时管控人员或物品出入，一举两得。