詳解WSN的芯片技術與解決方案
WSN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、智慧建筑、石油天然氣、橋梁河川、航太飛行等等。透過布建多個感測節點,將感測與搜集到資料,透過無線方式傳送到中控電腦,以做為搜集、分析、預警、防害等目的。
本文引用地址:http://www.j9360.com/article/201610/306102.htm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,大多采用低功耗與節電設計,必要時再搭配能源采集的功能,讓運作時間更長久。而在感測資料的搜集與傳遞部份,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,并具有容錯能力;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、智慧建筑、石油天然氣、橋梁河川、航太飛行等等。透過布建多個感測節點,將感測與搜集到資料,透過無線方式傳送到中控電腦,以做為搜集、分析、預警、防害等目的。
早期工業用WSN由于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。
由于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、智慧搜集、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 多采用子板設計
目前許多感測器,大多采用微機電(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)。
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,大多采用低功耗與節電設計,必要時再搭配能源采集的功能,讓運作時間更長久。而在感測資料的搜集與傳遞部份,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,并具有容錯能力;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、智慧建筑、石油天然氣、橋梁河川、航太飛行等等。透過布建多個感測節點,將感測與搜集到資料,透過無線方式傳送到中控電腦,以做為搜集、分析、預警、防害等目的。
早期工業用WSN由于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。
由于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、智慧搜集、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 多采用子板設計
目前許多感測器,大多采用微機電(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,其網路傳輸規范主要基于IEEE 802.15.4,基于此底層標準規范的無線傳輸協定中,有ZigBee、6LoWPAN等。而WSN的資料搜集閘道器,則可采用電腦使用的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,便是基于IEEE 802.15.4的SoC,采用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,并具備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臺,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,則采用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采集、建筑或家庭自動化控制、安全監測、與WSN應用。
其他WSN產品應用與解決方案
Linear Technology以自家在能源采集的研發經驗,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(基于6LoWPAN與802.15.4e技術規范),而后者包括LTC5800/5900/5901/5902-WHM等產品(基于IEC 62591 WirelessHART規范)。
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