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(xiàn)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(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(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(xiàn)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(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(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(chǎng)、網(wǎng)通廠(chǎng)、系統(tǒng)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(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(hù)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(lèi)可說(shuō)是包羅萬(wàn)象，如動(dòng)力/慣性運(yùn)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(jì)、血壓計(jì)），磁力類(lèi)（磁力計(jì)）、光學(xué)類(lèi)（環(huán)境光感測(cè)器、油壓感測(cè)器、光伏感測(cè)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(cè)器），熱能類(lèi)（熱度計(jì)）。

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

WSN的開(kāi)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(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(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(chǎng)針對(duì)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(tǒng)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(cè)器子板的解決方案。這些廠(chǎng)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(kāi)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(xiàn)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(kāi)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。