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。