解析WSN的芯片技术及解决方案
由许多感测节点所构成的WSN(无线感测网路),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。而在感测资料的搜集与传递部份,除感测器必须量测精准,各节点之间的资料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推广门槛大
WSN(无线感测网路)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、航太飞行等等。透过布建多个感测节点,将感测与搜集到资料,透过无线方式传送到中控电脑,以做为搜集、分析、预警、防害等目的。
监测WSN网路品质的Open Sniffer组成架构(图/SEWIO)
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,必须耗费不少时间,动辄耗费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的节点元件主要是MEMS(微机电系统)感测器,搭配RF(无线射频)通讯晶片、处理器(通常是用MCU微控制器)、电力来源(电池、电源、太阳能等)所组成,在软体/韧体设计上加入自主与智慧功能(可调节式路由、智慧搜集、容错等)。
为让WSN的运作更有效率,不少晶片厂、网通厂、系统方案厂相继投入开发新一代的WSN硬体元件,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、资料安全等的特色,来吸引客户导入使用,以节省测试与部署的时间。
WSN感测器繁多多采用子板设计
目前许多感测器,大多采用微机电(MEMS)元件来设计。而WSN所用到的感测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(环境光感测器、油压感测器、光伏感测器),化学类,气体类(一氧化碳、二氧化碳、空气、氧气、氢气、甲烷等侦测器),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(强度侦测器、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(差分干涉仪、雷射干涉仪),数量类(光学检视仪等)等等。此外,在电脑内也使用到不少感测器,像是内容类(主机板温度)、辨识类(指纹辨识器)、活动类(超频侦测等)。
WSN的开发板在系统设计上具备扩充能力,可以透过子板(Daughterboard)方式,连接上述各式感测器以扩充其感测功能;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的感测节点需要低功耗设计,其网路传输规范主要基于IEEE 802.15.4,基于此底层标准规范的无线传输协定中,有ZigBee、6LoWPAN等。而WSN的资料搜集闸道器,则可采用电脑使用的Wi-Fi、蓝牙、行动网路等协定,将资料传到中央主机。
因此系统晶片厂针对WSN的特性,推出了WSN专用的RF晶片,亦有整合RF功能的SoC(系统单晶片),具备小尺寸、低功耗的特性;另也推出WSN的开发模组,可连接感测器子板的解决方案。这些厂商包括Atmel、ST(意法半导体)、Silicon Labs(芯科实验室)、Linear Technology(凌力尔特)、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处理器,内建64~128KB快闪记忆体,与8K SRAM.支援ZigBee与6LoWPAN协定,并具备AES-128硬体加密功能,以保障资料传输安全。
Atmel推出的Xplained系列硬体开发评估平台,就有搭配自家32-bit ARM Cortex-M0+ 48MHz(ATSAMR21系列,提供64K~256KB的快闪记忆体,具备硬体触控功能),或更低耗电的8-bit AVR MCU的选择(具-40°C~+125°C的宽温环境),无线通讯方面则支援802.15.4与ZigBee等应用。
而Silicon Labs推出的Ember ZigBee开发工具,则采用EM35x系列SoC.其EM351/EM357高效能系列,内建32-bit ARM Cortex-M3处理器,运作时脉为6、12、24MHz,含128~192KB快闪记忆体,具备读取保护、12KB RAM、具AES-128硬体加密功能。适合应用在智慧能源采集、建筑或家庭自动化控制、安全监测、与WSN应用。
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