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由許多傳感器節點所構成的WSN(無線傳感器網絡，Wireless Sensor Network)，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。而在感測數據的搜集與傳遞部份，除傳感器必須量測精準，各節點之間的數據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推廣門坎大 WSN(無線傳感器網絡)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、航天飛行等等。透過布建多個傳感器節點，將感測與搜集到數據，透過無線方式傳送到中控計算機，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的節點組件主要是MEMS(微機電系統)傳感器，搭配RF(無線射頻)通訊芯片、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，在軟件/固件設計上加入自主與智能功能(可調節式路由、智能搜集、容錯等)。 為讓WSN的運作更有效率，不少芯片廠、網通廠、系統方案廠相繼投入開發新一代的WSN硬件組件，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、數據安全等的特色，來吸引客戶導入使用，以節省測試與部署的時間。 WSN傳感器繁多 多采用子板設計 目前許多傳感器，大多采用微機電(MEMS)組件來設計。而WSN所用到的傳感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(環境光傳感器、油壓傳感器、光伏傳感器)，化學類，氣體類(一氧化碳、二氧化碳、空氣、氧氣、氫氣、甲烷等檢測器)，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(強度檢測器、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，在計算機內也使用到不少傳感器，像是內容類(主板溫度)、識別類(指紋識別器)、活動類(超頻檢測等)。 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，連接上述各式傳感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的傳感器節點需要低功耗設計，其網絡傳輸規范主要基于IEEE 802.15.4，基于此底層標準規范的無線傳輸協議中，有ZigBee、6LoWPAN等。而WSN的數據搜集網關，則可采用計算機使用的Wi-Fi、藍牙、行動網絡等協議，將數據傳到中央主機。 因此系統芯片廠針對WSN的特性，推出了WSN專用的RF芯片，亦有整合RF功能的SoC(系統單芯片)，具備小尺寸、低功耗的特性；另也推出WSN的開發模塊，可連接傳感器子板的解決方案。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閃存，與8K SRAM。支持ZigBee與6LoWPAN協議，并具備AES-128硬件加密功能，以保障數據傳輸安全。 Atmel推出的Xplained系列硬件開發評估平臺，就有搭配自家32-bit ARM Cortex-M0+ 48MHz (ATSAMR21系列，提供64K～256KB的閃存，具備硬件觸控功能)，或更低耗電的8-bit AVR MCU的選擇(具-40°C～+125°C的寬溫環境)，無線通信方面則支持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，運作頻率為6、12、24MHz，含128～192KB閃存，具備讀取保護、12KB RAM、具AES-128硬件加密功能。適合應用在智能能源采集、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等傳感器節點產品(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)。 處理器采用32位ARM Cortex-M3架構，具AES-128硬件加密功能，執行其Dust的嵌入式SmartMesh IP網絡軟件，具有智能網絡分析功能，能讓每個節點互相連接。此外，具備低于50uA的超低耗電量，若搭配能源采集模塊，各傳感器節點即可取得能源來供電，以延長電池的使用壽命，甚至免換電池。適合應用在數據中心、工業自動化、再生能源、遠距監控、交通運輸等領域。 監測WSN網絡質量的Open Sniffer組成架構 另外，像SEWIO的Open Sniffer則是一種WSN網絡流量與質量監測產品。其原理是透過網絡封包的嗅探方式，經遠程計算機連接至該裝置，取得WSN網絡運作的狀況；可安裝在有傳感器網絡的室內環境中，來檢測WSN的運作是否正常，有無遭受到其他訊號干擾或黑客攻擊。 以802.15.4 ZigBee協議為主的WSN與后端中央系統與云端的連接圖 其支持IEEE 802.15.4、ZigBee、6LoWPAN等Mesh網絡架構之封包嗅探，且多達31個無線頻道，適合全世界的無線傳輸環境使用。該產品以體積輕巧且省電為主打要求，重量130g，體積101x72mm，耗電量僅250mA。在設定上，只須網絡瀏覽器、Wireless(網絡封包分析軟件)即可，提供客戶診斷WSN環境之用。 RFID在WSN的應用 RFID(Radio Frequency IDentification；無線射頻識別)系統，目前被廣泛應用在生活上。其原理主要是由電子卷標(Tag)、讀取器(Reader)組成，當卡片閱讀機與RFID Tag在近距離感應之后，搭配后臺應用系統(Application)，即可快速識別其ID，并做為各種應用。像是物流管理、各場所的門禁卡、悠游卡、電子票券、動物芯片、以及高速公路電子收費(eTag)等等，這些大多采用被動式RFID技術，標簽不須內建電池，只須在設定距離內與讀取器感應到，即可通電并進行數據讀取與運算。 至于主動式RFID技術，則是標簽本身具備電池，感應距離長，內存較大且可擦寫，可主動檢測周遭的RFID卡片閱讀機，將數據傳過去。由于主動式RFID能在周圍形成有效的活動區域，因此應用范圍更廣泛。例如應用在室內定位上，在GPS接收不到的室內場所，提供定位需求。若在室內環境密集部署各種RFID的卡片閱讀機、識別機，即可發揮在人員定位、車輛管控、物品追蹤等應用。不過，主動式RFID其標簽體積比較大，電池有壽命限制，且成本也較高。 目前RFID大多僅有單純的識別，并沒有內建任何傳感器。除非特殊應用(例如血袋的RFID標簽，就內建可隨時檢測溫度的溫度計)，而也有廠商開發出以RFID為基礎的WSN傳感器網絡，采用1對1的感應方式，應用在非環境感測的管控場所，如公司、工廠、醫院等等。亦有學者提出RFID+WSN的Hybrid(混合型)整合方案，在同樣必須布下天羅地網的WSN傳感器節點或傳感器網關中，也內建RFID讀取器，這樣就不用部署兩次。除了可以進行環境感測之用，也能同時管控人員或物品出入，一舉兩得。 |
