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详解WSN的芯片技能与解决方案

详解WSN的芯片技术与解决方案-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、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。

  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。而为了长时刻运作,大多选用低功耗与节电规划,必要时再调配动力收集的功用,让运作时刻更持久。而在感测材料的收集与传递部份,除感测器有必要量测精准,各节点之间的材料传输也有必要力求晓畅,并具有容错才能;各厂商也推出不同传输技能与解决计划,供客户挑选与布置…

  解决计划多而杂 WSN推广门槛大

  WSN(无线感测网路)近几年来连续运用在各种范畴,如军事国防、科学范畴、环境监测、交通运输、仓储物流、医疗照护、农业防治、才智修建、石油天然气、桥梁河川、航太飞翔等等。透过布建多个感测节点,将感测与收集到材料,透过无线方法传送到中控电脑,以做为收集、剖析、预警、防害等意图。

  WSN(无线感测网路)

  监测WSN网路质量的Open Sniffer组成架构 (图/SEWIO)

  前期工业用WSN因为没有一起的体系标准,在节点布置与体系规划上,有必要消耗不少时刻,动辄消耗长达几年的时刻来测验、校对、改进,构成WSN推广上的阻止。

  因为WSN的节点元件首要是MEMS(微机电体系)感测器,调配RF(无线射频)通讯晶片、处理器(通常是用MCU微操控器)、电力来历(电池、电源、太阳能等)所组成,在软体/韧体规划上参加自主与才智功用(可调理式路由、才智收集、容错等)。

  为让WSN的运作更有功率,不少晶片厂、网通厂、体系计划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计划,供给简易设备、习惯各种恶劣环境、超长时刻感测、精准感测、各种节电形式、材料安全等的特征,来招引客户导入运用,以节约测验与布置的时刻。

  WSN感测器繁复 多选用子板规划

  现在许多感测器,大多选用微机电(MEMS)元件来规划。而WSN所用到的感测器品种可说是一应俱全,如动力/惯性运动类(加速器、陀螺仪、LVDT,线性改变差动变压器),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(活动计),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, 接纳信号强度指示器等),旋转类(磁力计、编码器),以及湿度类(湿度计),高度类(气压计),颜色类(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,在电脑内也运用到不少感测器,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的开发板在体系规划上具有扩大才能,能够透过子板(Daughterboard)方法,衔接上述各式感测器以扩大其感测功用;当感测需求有所改变时,只须替换子板即可。

  力求全体低功耗 WSN节点产品计划

  WSN的感测节点需求低功耗规划,其网路传输标准首要根据IEEE 802.15.4,根据此底层标准标准的无线传输协议中,有ZigBee、6LoWPAN等。而WSN的材料收集闸道器,则可选用电脑运用的Wi-Fi、蓝牙、举动网路等协议,将材料传到中心主机。

  因而体系晶片厂针对WSN的特性,推出了WSN专用的RF晶片,亦有整合RF功用的SoC(体系单晶片),具有小尺度、低功耗的特性;另也推出WSN的开发模组,可衔接感测器子板的解决计划。这些厂商包含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宗族,就是根据IEEE 802.15.4的SoC,选用ARM Cortex-M3 24MHz处理器,内建64~128KB快闪记忆体,与8K SRAM。援助ZigBee与6LoWPAN协议,并具有AES-128硬体加密功用,以保证材料传输安全。

  Atmel推出的 Xplained系列硬体开发评价渠道,就有调配自家32-bit ARM Cortex-M0+ 48MHz (ATSAMR21系列,供给64K~256KB的快闪记忆体,具有硬体触控功用),或更低耗电的8-bit AVR MCU的挑选(具-40°C~+125°C的宽温环境),无线通讯方面则援助802.15.4与ZigBee等运用。

  而Silicon Labs推出的Ember ZigBee开发工具,则选用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,具有读取维护、12KB RAM、具AES-128硬体加密功用。合适运用在才智动力收集、修建或家庭自动化操控、安全监测、与WSN运用。

  其他WSN产品运用与解决计划

  Linear Technology以自家在动力收集的研制经历,推出工业范畴WSN专用的Dust Networks产品解决计划─SmartMesh IP和SmartMesh WirelessHART的产品,前者包含LTC5800/5900/5901-IPM等感测节点产品(根据6LoWPAN与802.15.4e技能标准),而后者包含LTC5800/5900/5901/5902-WHM等产品(根据IEC 62591 WirelessHART标准)。

  处理器选用32位元ARM Cortex-M3架构,具AES-128硬体加密功用,履行其Dust的嵌入式SmartMesh IP网路软体,具有才智网路剖析功用,能让每个节点相互衔接。此外,具有低于50uA的超低耗电量,若调配动力收集模组,各感测节点即可获得动力来供电,以延伸电池的运用寿数,乃至免换电池。合适运用在数据中心、工业自动化、再生动力、远距监控、交通运输等范畴。

  别的,像SEWIO的 Open Sniffer则是一种WSN网路流量与质量监测产品。其原理是透过网路封包的嗅探方法,经远端电脑衔接至该设备,获得WSN网路运作的情况;可设备在有感测网路的室内环境中,来检测WSN的运作是否正常,有无遭受到其他信号搅扰或骇客进犯。

  其援助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,合适全世界的无线传输环境运用。该产品以体积轻盈且省电为主打诉求,分量130g,体积101x72mm,耗电量仅250mA。在设定上,只须网路浏览器、Wireless(网路封包剖析软体)即可,供给客户确诊WSN环境之用。

  RFID在WSN的运用

  RFID(Radio Frequency IDenTIficaTIon;无线射频辨识)体系,现在被广泛运用在生活上。其原理首要是由电子标签(Tag)、读取器(Reader)组成,当读卡机与RFID Tag在近间隔感应之后,调配后台运用体系(ApplicaTIon),即可快速辨识其ID,并做为各种运用。像是物流办理、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,这些大多选用被动式RFID技能,标签不须内建电池,只须在设定间隔内与读取器感应到,即可通电并进行材料读取与运算。

  至于自动式RFID技能,则是标签自身具有电池,感应间隔长,记忆体较大且可读写,可自动侦测周遭的RFID读卡机,将材料传过去。因为自动式RFID能在周围构成有用的活动区域,因而运用规模更广泛。例如运用在室内定位上,在GPS接纳不到的室内场所,供给定位需求。若在室内环境密布布置各种RFID的读卡机、辨识机,即可发挥在人员定位、车辆管控、物品追寻等运用。不过,自动式RFID其标签体积比较大,电池有寿数约束,且本钱也较高。

  现在RFID大多仅有单纯的辨认,并没有内建任何感测器。除非特别运用(例如血袋的RFID标签,就内建可随时侦测温度的温度计),而也有厂商开宣布以RFID为根底的WSN感测网路,选用1对1的感应方法,运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)整合计划,在相同有必要布下天罗地网的WSN感测节点或感测闸道器中,也内建RFID读取器,这样就不必布置两次。除了能够进行环境感测之用,也能一起管控人员或物品收支,一箭双雕。

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