WSN(无线传感网络)的芯片技术与解决方案

由许多传感节点所构成的WSN(无线传感网络)，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。而在传感资料的搜集与传递部分，除传感器必须测量精准，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(无线传感网络)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。通过布建多个传感节点，将传感与搜集到资料，通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网络品质的Open Sniffer组成架构(图／SEWIO)

以802.15.4 ZigBee协定为主的WSN与后端中央系统与云端的连接图(图／Libelium)

然早期工业用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的节点组件主要是MEMS(微机电系统)传感器，搭配RF(无线射频)通信芯片、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，在软件／硬件设计上加入自主与智能功能(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、超长时间传感、精准传感、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传感器，像是内容类(主机板温度)、识别类(指纹识别器)、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，可以通过子板(Daughterboard)方式，连接上述各式传感器以扩充其传感功能；当传感需求有所变更时，只须更换子板即可。

力求整体低功耗WSN节点产品方案

WSN的传感节点需要低功耗设计，其网络传输规范主要基于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、行动网络等协定，将资料传到中央主机。

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的开发模组，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)、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快闪存储器，与8K SRAM。支持ZigBee与6LoWPAN协定，并具备AES-128硬件加密功能，以保障资料传输安全。

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

而Silicon Labs推出的r ZigBee开发工具，则采用EM35x系列SoC。其EM351/EM357高性能系列，内建32-bit ARM Cortex-M3处理器，运作时脉为6、12、24MHz，含128～192KB快闪存储器，具备读取保护、12KB RAM、具AES-128硬件加密功能。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。

其他WSN产品应用与解决方案

Linear Technology以自家在能源采集的研发经验，推出工业领域WSN专用的Dust Networks产品解决方案SmartMesh IP和SmartMesh WirelessHART的产品，前者包括LTC5800/5900/5901-IPM等传感节点产品(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IEC 62591 WirelessHART规范)。

处理器采用32位ARM Cortex-M3架构，具AES-128硬件加密功能，执行其Dust的嵌入式SmartMesh IP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，若搭配能源采集模组，各传感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。

另外，像SEWIO的Open Sniffer则是一种WSN网络流量与品质监测产品。其原理是通过网络封包的嗅探方式，经远端电脑连接至该装置，取得WSN网络运作的状况；可安装在有传感网络的室内环境中，来检测WSN的运作是否正常，有无遭受到其他信号干扰或骇客攻击。

其支持IEEE 802.15.4、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诉求，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(Radio Frequency IDentification；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标签(Tag)、读取器(Reader)组成，当读卡机与RFID Tag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，即可通电并进行资料读取与运算。

至于主动式RFID技术，则是标签本身具备电池，感应距离长，存储器较大且可读写，可主动侦测周遭的RFID读卡机，将资料传过去。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的读卡机、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，就内建可随时侦测温度的温度计)，而也有厂商开发出以RFID为基础的WSN传感网络，采用1对1的感应方式，应用在非环境传感的管控场所，如公司、工厂、医院等等。亦有学者提出RFID+WSN的Hybrid(混合型)整合方案，在同样必须布下天罗地网的WSN传感节点或传感闸道器中，也内建RFID读取器，这样就不用部署两次。除了可以进行环境传感之用，也能同时管控人员或物品出入，一举两得。