无线传感器网络芯片技术与应用解决方案

【Word版本下载可任意编辑】无线传感器网络芯片技术与应用解决方案由许多传感器节点所构成的WSN（无线传感器网络，WirelessSensorNetwork），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。而在感测数据的搜集与传递部份，除传感器必须量测精准，各节点之间的数据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推广门坎大

WSN（无线传感器网络）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、航天飞行等等。透过布建多个传感器节点，将感测与搜集到数据，透过无线方式传送到中控计算机，以做为搜集、分析、预警、防害等目的。

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，必须消耗不少时间，动辄消耗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的节点组件主要是MEMS（微机电系统）传感器，搭配RF（无线射频）通讯芯片、处理器（通常是用MCU微控制器）、电力（电池、电源、太阳能等）所组成，在软件/固件设计上参加自主与智能功能（可调节式路由、智能搜集、容错等）。

为让WSN的运作更有效率，不少芯片厂、网通厂、系统方案厂相继投入开发新一代的WSN硬件组件，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、数据安全等的特色，来吸引客户导入使用，以节省测试与部署的时间。

WSN传感器繁多多采用子板设计

目前许多传感器，大多采用微机电（MEMS）组件来设计。而WSN所用到的传感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（环境光传感器、油压传感器、光伏传感器），化学类，气体类（一氧化碳、二氧化碳、空气、氧气、氢气、甲烷等检测器），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（强度检测器、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（差分干预仪、雷射干预仪），数量类（光学检视仪等）等等。此外，在计算机内也使用到不少传感器，像是内容类（主板温度）、识别类（指纹识别器）、活动类（超频检测等）。

WSN的开发板在系统设计上具备扩大能力，可以透过子板（Daughterboard）方式，连接上述各式传感器以扩大其感测功能；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的传感器节点需要低功耗设计，其网络传输规范主要基于IEEE802.15.4,基于此底层标准规范的无线传输协议中，有ZigBee、6LoWPAN等。而WSN的数据搜集网关，则可采用计算机使用的Wi-Fi、蓝牙、行动网络等协议，将数据传到中央主机。

因此系统芯片厂针对WSN的特性，推出了WSN专用的RF芯片，亦有整合RF功能的SoC（系统单芯片），具备小尺寸、低功耗的特性；另也推出WSN的开发模块，可连接传感器子板的解决方案。这些厂商包括Atmel、ST（意法半导体）、SiliconLabs（芯科实验室）、LinearTechnology（凌力尔特）、NXP（恩智浦）、Libelium、DIGI、ROHM等。

例如ST推出的STM32WMCU家族，便是基于IEEE802.15.4的SoC,采用ARMCortex-M324MHz处理器，内建64~128KB闪存，与8KSRAM.支持ZigBee与6LoWPAN协议，并具备AES-128硬件加密功能，以保障数据传输安全。

Atmel推出的Xplained系列硬件开发评估平台，就有搭配自家32-bitARMCortex-M0+48MHz（ATSAMR21系列，提供64K~256KB的闪存，具备硬件触控功能），或更低耗电的8-bitAVRMCU的选择（具-40°C~+125°C的宽温环境），无线通信方面则支持802.15.4与ZigBee等应用。

而SiliconLabs推出的EmberZigBee开发工具，则采用EM35x系列SoC.其EM351/EM357高效能系列，内建32-bitARMCortex-M3处理器，运作频率为6、12、24MHz,含128~192KB闪存，具备读取保护、12KBRAM、具AES-128硬件加密功能。适合应用在智能能源采集、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

LinearTechnology以自家在能源采集的研发经验，推出工业领域WSN专用的DustNetworks产品解决方案─SmartMeshIP和SmartMeshWirelessHART的产品，前者包括LTC5800/5900/5901-IPM等传感器节点产品（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IEC62591WirelessHART规范）。

处理器采用32位ARMCortex-M3架构，具AES-128硬件加密功能，执行其Dust的嵌入式SmartMeshIP网络软件，具有智能网络分析功能，能让每个节点互相连接。此外，具备低于50uA的超低耗电量，若搭配能源采集模块，各传感器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。

监测WSN网络质量的OpenSniffer组成架构

另外，像SEWIO的OpenSniffer则是一种WSN网络流量与质量监测产品。其原理是透过网络封包的嗅探方式，经远程计算机连接至该装置，取得WSN网络运作的状况；可安装在有传感器网络的室内环境中，来检测WSN的运作是否正常，有无遭受到其他讯号干扰或黑客攻击。

以802.15.4ZigBee协议为主的WSN与后端中央系统与云端的连接图

其支持IEEE802.15.4、ZigBee、6LoWPAN等Mesh网络架构之封包嗅探，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要求，重量130g,体积101x72mm,耗电量仅250mA.在设定上，只须网络浏览器、Wireless（网络封包分析软件）即可，提供客户诊断WSN环境之用。

RFID在WSN的应用

RFID（RadioFrequencyIDentification;无线射频识别）系统，目前被广泛应用在生活上。其原理主要是由电子卷标（Tag）、读取器（Reader）组成，当卡片阅读机与RFIDTag在近距离感应之后，搭配后台应用系统（Application），即可快速识别其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、动物芯片、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，即可通电并开展数据读取与运算。

至于主动式RFID技术，则是标签本身具备电池，感应距离长，内存较大且可擦写，可主动检测周遭的RFID卡片阅读机，将数据传过去。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的卡片阅读机、识别机，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，并没有内建任何传感器。除非特殊应用（例如血袋的RFID标签，就内建可随时检测温度的温