無線感測網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵芯片技術(shù)解析

由許多感測節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的無線感測網(wǎng)絡(luò)（WSN），可依各種環(huán)境需求來設(shè)置。而為了長期運(yùn)行，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)行時(shí)間更長久。而在感測資料的搜集與傳遞部份，除傳感器必須量測精準(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(cuò)能力。

面向WSN的部署需求，系統(tǒng)芯片廠紛紛針對(duì)WSN的特性推出專用的RF芯片，亦有集成RF功能的SoC（系統(tǒng)單芯片），具備小尺寸、低功耗的特性；另也推出WSN的開發(fā)模塊，可連接傳感器子板的解決方案，例如SiliconLabs（亦稱“芯科科技”）即提供完整的物聯(lián)網(wǎng)無線連接解決方案，可依照客戶的需求提供包括藍(lán)牙、Thread、Sub-GHz、Wi-Fi、Zigbee、Z-Wave等豐富的無線標(biāo)準(zhǔn)支持。

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解決方案多而雜 WSN推廣門檻大

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(chǔ)物流、醫(yī)療照護(hù)、農(nóng)業(yè)防治、智能建筑、石油天然氣、橋梁河川、航天飛行等等。透過布建多個(gè)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計(jì)算機(jī)，以做為搜集、分析、預(yù)警、防害等目的。

然早期工業(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(shí)間，動(dòng)輒耗費(fèi)長達(dá)幾年的時(shí)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)）傳感器，搭配RF（無線射頻）通訊芯片、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，在軟件／韌體設(shè)計(jì)上加入自主與智能功能（可調(diào)節(jié)式路由、智能搜集、容錯(cuò)等）。

為讓W(xué)SN的運(yùn)行更有效率，不少芯片廠、網(wǎng)通廠、系統(tǒng)方案廠相繼投入開發(fā)新一代的WSN硬件元件，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(shí)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(shí)間。

WSN傳感器多采用子板設(shè)計(jì)

目前許多傳感器，大多采用微機(jī)電（MEMS）元件來設(shè)計(jì)。而WSN所用到的傳感器種類可說是包羅萬象，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)境光傳感器、油壓傳感器、光伏傳感器），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)）。

還有象是流體類（流動(dòng)計(jì)），定位類（GPS衛(wèi)星導(dǎo)航、LVDT、編碼器），視覺類（相機(jī)），射頻類（強(qiáng)度偵測器、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，在計(jì)算機(jī)內(nèi)也使用到不少傳感器，象是內(nèi)容類（主板溫度）、辨識(shí)類（指紋辨識(shí)器）、活動(dòng)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，連接上述各式傳感器以擴(kuò)充其感測功能；當(dāng)感測需求有所變更時(shí)，只須更換子板即可。

WSN節(jié)點(diǎn)力求整體低功耗

WSN的感測節(jié)點(diǎn)需要低功耗設(shè)計(jì)，其網(wǎng)絡(luò)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，則可采用計(jì)算機(jī)使用的Wi-Fi、藍(lán)牙、行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等協(xié)定，將資料傳到中央主機(jī)。

以Silicon Labs推出的Ember Zigbee開發(fā)工具為例，其采用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)行時(shí)脈為6、12、24MHz，含128～192KB快閃存儲(chǔ)器，具備讀取保護(hù)、12KBRAM、具AES-128硬件加密功能。適合應(yīng)用在智能能源采集、建筑或家庭自動(dòng)化控制、安全監(jiān)測、與WSN應(yīng)用。

RFID在WSN的應(yīng)用

RFID（Radio Frequency IDentificaTIon；無線射頻辨識(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卷標(biāo)（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。例如物流管理、各場所的門禁卡、悠游卡、電子票券、動(dòng)物芯片、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)，卷標(biāo)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)，則是卷標(biāo)本身具備電池，感應(yīng)距離長，存儲(chǔ)器較大且可讀寫，可主動(dòng)偵測周遭的RFID讀卡機(jī)，將資料傳過去。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，主動(dòng)式RFID其卷標(biāo)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，并沒有內(nèi)建任何傳感器。除非特殊應(yīng)用（例如血袋的RFID卷標(biāo)，就內(nèi)建可隨時(shí)偵測溫度的溫度計(jì)），而也有廠商開發(fā)出以RFID為基礎(chǔ)的WSN感測網(wǎng)絡(luò)，采用1對(duì)1的感應(yīng)方式，應(yīng)用在非環(huán)境感測的管控場所，如公司、工廠、醫(yī)院等等。亦有學(xué)者提出RFID+WSN的Hybrid（混合型）集成方案，在同樣必須布下天羅地網(wǎng)的WSN感測節(jié)點(diǎn)或感測閘道器中，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)境感測之用，也能同時(shí)管控人員或物品出入，一舉兩得。