詳解WSN的芯片技術(shù)與解決方案

WSN近幾年來陸續(xù)應(yīng)用在各種領(lǐng)域，如軍事國防、科學(xué)領(lǐng)域、環(huán)境監(jiān)測、交通運(yùn)輸、倉儲物流、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。透過布建多個感測節(jié)點(diǎn)，將感測與搜集到資料，透過無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。

由許多感測節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的WSN(無線感測網(wǎng)路)，可各種環(huán)境需求來設(shè)置。而為了長期運(yùn)作，大多采用低功耗與節(jié)電設(shè)計(jì)，必要時再搭配能源采集的功能，讓運(yùn)作時間更長久。而在感測資料的搜集與傳遞部份，除感測器必須量測精準(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(無線感測網(wǎng)路)近幾年來陸續(xù)應(yīng)用在各種領(lǐng)域，如軍事國防、科學(xué)領(lǐng)域、環(huán)境監(jiān)測、交通運(yùn)輸、倉儲物流、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。透過布建多個感測節(jié)點(diǎn)，將感測與搜集到資料，透過無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。

早期工業(yè)用WSN由于沒有共同的系統(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)不少時間，動輒耗費(fèi)長達(dá)幾年的時間來測試、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))感測器，搭配RF(無線射頻)通訊晶片、處理器(通常是用MCU微控制器)、電力來源(電池、電源、太陽能等)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，提供簡易安裝、適應(yīng)各種惡劣環(huán)境、超長時間感測、精準(zhǔn)感測、各種節(jié)電模式、資料安全等的特色，來吸引客戶導(dǎo)入使用，以節(jié)省測試與部署的時間。

WSN感測器繁多 多采用子板設(shè)計(jì)

目前許多感測器，大多采用微機(jī)電(MEMS)元件來設(shè)計(jì)。而WSN所用到的感測器種類可說是包羅萬象，如動力/慣性運(yùn)動類(加速器、陀螺儀、LVDT，線性變化差動變壓器)，壓力類(壓力計(jì)、血壓計(jì))，磁力類(磁力計(jì))、光學(xué)類(環(huán)境光感測器、油壓感測器、光伏感測器)，化學(xué)類，氣體類(一氧化碳、二氧化碳、空氣、氧氣、氫氣、甲烷等偵測器)，熱能類(熱度計(jì))。

還有像是流體類(流動計(jì))，定位類(GPS衛(wèi)星導(dǎo)航、LVDT、編碼器)，視覺類(相機(jī))，射頻類(強(qiáng)度偵測器、RSSI， 接收信號強(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)也使用到不少感測器，像是內(nèi)容類(主機(jī)板溫度)、辨識類(指紋辨識器)、活動類(超頻偵測等)。

由許多感測節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的WSN(無線感測網(wǎng)路)，可各種環(huán)境需求來設(shè)置。而為了長期運(yùn)作，大多采用低功耗與節(jié)電設(shè)計(jì)，必要時再搭配能源采集的功能，讓運(yùn)作時間更長久。而在感測資料的搜集與傳遞部份，除感測器必須量測精準(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(無線感測網(wǎng)路)近幾年來陸續(xù)應(yīng)用在各種領(lǐng)域，如軍事國防、科學(xué)領(lǐng)域、環(huán)境監(jiān)測、交通運(yùn)輸、倉儲物流、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。透過布建多個感測節(jié)點(diǎn)，將感測與搜集到資料，透過無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。

早期工業(yè)用WSN由于沒有共同的系統(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)不少時間，動輒耗費(fèi)長達(dá)幾年的時間來測試、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))感測器，搭配RF(無線射頻)通訊晶片、處理器(通常是用MCU微控制器)、電力來源(電池、電源、太陽能等)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，提供簡易安裝、適應(yīng)各種惡劣環(huán)境、超長時間感測、精準(zhǔn)感測、各種節(jié)電模式、資料安全等的特色，來吸引客戶導(dǎo)入使用，以節(jié)省測試與部署的時間。

WSN感測器繁多 多采用子板設(shè)計(jì)

目前許多感測器，大多采用微機(jī)電(MEMS)元件來設(shè)計(jì)。而WSN所用到的感測器種類可說是包羅萬象，如動力/慣性運(yùn)動類(加速器、陀螺儀、LVDT，線性變化差動變壓器)，壓力類(壓力計(jì)、血壓計(jì))，磁力類(磁力計(jì))、光學(xué)類(環(huán)境光感測器、油壓感測器、光伏感測器)，化學(xué)類，氣體類(一氧化碳、二氧化碳、空氣、氧氣、氫氣、甲烷等偵測器)，熱能類(熱度計(jì))。

還有像是流體類(流動計(jì))，定位類(GPS衛(wèi)星導(dǎo)航、LVDT、編碼器)，視覺類(相機(jī))，射頻類(強(qiáng)度偵測器、RSSI， 接收信號強(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)也使用到不少感測器，像是內(nèi)容類(主機(jī)板溫度)、辨識類(指紋辨識器)、活動類(超頻偵測等)。

WSN的開發(fā)板在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上具備擴(kuò)充能力，可以透過子板(Daughterboard)方式，連接上述各式感測器以擴(kuò)充其感測功能;當(dāng)感測需求有所變更時，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、建筑或家庭自動化控制、安全監(jiān)測、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)。