详解WSN的芯片技术与解决方案

2014-08-11 09:43:46来源: DIGITIMES

  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。

  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。

  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等感测节点产品(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位元ARM Cortex-M3架构,具AES-128硬体加密功能,执行其Dust的嵌入式SmartMesh IP网路软体,具有智慧网路分析功能,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,各感测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网路流量与品质监测产品。其原理是透过网路封包的嗅探方式,经远端电脑连接至该装置,取得WSN网路运作的状况;可安装在有感测网路的室内环境中,来检测WSN的运作是否正常,有无遭受到其他讯号干扰或骇客攻击。

  其支援IEEE 802.15.4、ZigBee、6LoWPAN等Mesh网路架构之封包嗅探,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,只须网路浏览器、Wireless(网路封包分析软体)即可,提供客户诊断WSN环境之用。

  RFID在WSN的应用

  RFID(Radio Frequency IDentification;无线射频辨识)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),即可快速辨识其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、动物晶片、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,记忆体较大且可读写,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、辨识机,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,并没有内建任何感测器。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感测网路,采用1对1的感应方式,应用在非环境感测的管控场所,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感测节点或感测闸道器中,也内建RFID读取器,这样就不用部署两次。除了可以进行环境感测之用,也能同时管控人员或物品出入,一举两得。

关键字:WSN

编辑:孟娟 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2014/0811/article_12505.html
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