WSN的晶片技術與解決方案

監測WSN網路品質的Open Sniffer組成架構 (圖？SEWIO)

由許多感測節點所構成的WSN(無線感測網路)，可各種環境需求來設置。而為了長期運作，大多採用低功耗與節電設計，必要時再搭配能源採集的功能，讓運作時間更長久。而在感測資料的蒐集與傳遞部份，除感測器必須量測精準，各節點之間的資料傳輸也必須力求通暢，並具有容錯能力；各廠商也推出不同傳輸技術與解決方案，供客戶選擇與部署…

解決方案多而雜  WSN推廣門檻大

WSN(無線感測網路)近幾年來陸續應用在各種領域，如軍事國防、科學領域、環境監測、交通運輸、倉儲物流、醫療照護、農業防治、智慧建築、石油天然氣、橋樑河川、航太飛行等等。透過佈建多個感測節點，將感測與蒐集到資料，透過無線方式傳送到中控電腦，以做為蒐集、分析、預警、防害等目的。

然早期工業用WSN由於沒有共同的系統規格，在節點部署與系統設計上，必須耗費不少時間，動輒耗費長達幾年的時間來測試、校正、改善，造成WSN推行上的阻礙。

由於WSN的節點元件主要是MEMS(微機電系統)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？韌體設計上加入自主與智慧功能(可調節式路由、智慧蒐集、容錯等)。

為讓WSN的運作更有效率，不少晶片廠、網通廠、系統方案廠相繼投入開發新一代的WSN硬體元件，以及相關的產品解決方案，提供簡易安裝、適應各種惡劣環境、超長時間感測、精準感測、各種節電模式、資料安全等的特色，來吸引客戶導入使用，以節省測試與部署的時間。

WSN感測器繁多  多採用子板設計

目前許多感測器，大多採用微機電(MEMS)元件來設計。而WSN所用到的感測器種類可說是包羅萬象，如動力？慣性運動類(加速器、陀螺儀、LVDT，線性變化差動變壓器)，壓力類(壓力計、血壓計)，磁力類(磁力計)、光學類(環境光感測器、油壓感測器、光伏感測器)，化學類，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)。

還有像是流體類(流動計)，定位類(GPS衛星導航、LVDT、編碼器)，視覺類(相機)，射頻類(強度偵測器、RSSI, 接收信號強度指示器等)，旋轉類(磁力計、編碼器)，以及濕度類(濕度計)，高度類(氣壓計)，色彩類(色度計)，體積類(差分干涉儀、雷射干涉儀)，數量類(光學檢視儀等)等等。此外，在電腦內也使用到不少感測器，像是內容類(主機板溫度)、辨識類(指紋辨識器)、活動類(超頻偵測等)。

WSN的開發板在系統設計上具備擴充能力，可以透過子板(Daughterboard)方式，連接上述各式感測器以擴充其感測功能；當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節點產品方案

WSN的感測節點需要低功耗設計，其網路傳輸規範主要基於IEEE 802.15.4，基於此底層標準規範的無線傳輸協定中，有ZigBee、6LoWPAN等。而WSN的資料蒐集閘道器，則可採用電腦使用的Wi-Fi、藍牙、行動網路等協定，將資料傳到中央主機。

因此系統晶片廠針對WSN的特性，推出了WSN專用的RF晶片，亦有整合RF功能的SoC(系統單晶片)，具備小尺寸、低功耗的特性；另也推出WSN的開發模組，可連接感測器子板的解決方案。這些廠商包括Atmel、ST(意法半導體)、Silicon Labs(芯科實驗室)、Linear Technology(凌力爾特)、NXP(恩智浦)、Libelium、DIGI、ROHM等。

例如ST推出的STM32W MCU家族，便是基於IEEE 802.15.4的SoC，採用ARM Cortex-M3 24MHz處理器，內建64？128KB快閃記憶體，與8K SRAM。支援ZigBee與6LoWPAN協定，並具備AES-128硬體加密功能，以保障資料傳輸安全。

Atmel推出的Xplained系列硬體開發評估平台，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的寬溫環境)，無線通訊方面則支援802.15.4與ZigBee等應用。

而Silicon Labs推出的Ember ZigBee開發工具，則採用EM35x系列SoC。其EM351/EM357高效能系列，內建32-bit ARM Cortex-M3處理器，運作時脈為6、12、24MHz，含128？192KB快閃記憶體，具備讀取保護、12KB RAM、具AES-128硬體加密功能。適合應用在智慧能源採集、建築或家庭自動化控制、安全監測、與WSN應用。

其他WSN產品應用與解決方案

Linear Technology以自家在能源採集的研發經驗，推出工業領域WSN專用的Dust Networks產品解決方案─SmartMesh IP和SmartMesh WirelessHART的產品，前者包括LTC5800/5900/5901-IPM等感測節點產品(基於6LoWPAN與802.15.4e技術規範)，而後者包括LTC5800/5900/5901/5902-WHM等產品(基於IEC 62591 WirelessHART規範)。

處理器採用32位元ARM Cortex-M3架構，具AES-128硬體加密功能，執行其Dust的嵌入式SmartMesh IP網路軟體，具有智慧網路分析功能，能讓每個節點互相連接。此外，具備低於50uA的超低耗電量，若搭配能源採集模組，各感測節點即可取得能源來供電，以延長電池的使用壽命，甚至免換電池。適合應用在數據中心、工業自動化、再生能源、遠距監控、交通運輸等領域。

另外，像SEWIO的Open Sniffer則是一種WSN網路流量與品質監測產品。其原理是透過網路封包的嗅探方式，經遠端電腦連接至該裝置，取得WSN網路運作的狀況；可安裝在有感測網路的室內環境中，來檢測WSN的運作是否正常，有無遭受到其他訊號干擾或駭客攻擊。

其支援IEEE 802.15.4、ZigBee、6LoWPAN等Mesh網路架構之封包嗅探，且多達31個無線頻道，適合全世界的無線傳輸環境使用。該產品以體積輕巧且省電為主打訴求，重量130g，體積101x72mm，耗電量僅250mA。在設定上，只須網路瀏覽器、Wireless(網路封包分析軟體)即可，提供客戶診斷WSN環境之用。

RFID在WSN的應用

RFID(Radio Frequency IDentification；無線射頻辨識)系統，目前被廣泛應用在生活上。其原理主要是由電子標籤(Tag)、讀取器(Reader)組成，當讀卡機與RFID Tag在近距離感應之後，搭配後台應用系統(Application)，即可快速辨識其ID，並做為各種應用。像是物流管理、各場所的門禁卡、悠遊卡、電子票券、動物晶片、以及高速公路電子收費(eTag)等等，這些大多採用被動式RFID技術，標籤不須內建電池，只須在設定距離內與讀取器感應到，即可通電並進行資料讀取與運算。

至於主動式RFID技術，則是標籤本身具備電池，感應距離長，記憶體較大且可讀寫，可主動偵測周遭的RFID讀卡機，將資料傳過去。由於主動式RFID能在周圍形成有效的活動區域，因此應用範圍更廣泛。例如應用在室內定位上，在GPS接收不到的室內場所，提供定位需求。若在室內環境密集部署各種RFID的讀卡機、辨識機，即可發揮在人員定位、車輛管控、物品追蹤等應用。不過，主動式RFID其標籤體積比較大，電池有壽命限制，且成本也較高。

目前RFID大多僅有單純的識別，並沒有內建任何感測器。除非特殊應用(例如血袋的RFID標籤，就內建可隨時偵測溫度的溫度計)，而也有廠商開發出以RFID為基礎的WSN感測網路，採用1對1的感應方式，應用在非環境感測的管控場所，如公司、工廠、醫院等等。亦有學者提出RFID+WSN的Hybrid(混合型)整合方案，在同樣必須佈下天羅地網的WSN感測節點或感測閘道器中，也內建RFID讀取器，這樣就不用部署兩次。除了可以進行環境感測之用，也能同時管控人員或物品出入，一舉兩得。