原创 掌握產品規格/整體需求　簡化無線感測網路系統設計

同時，這樣的分類也讓使用者從鋪天蓋地、眼花撩亂的無線規格裡，理出一個應用方面的頭緒，亦即在電波傳輸範圍及資料速率上做出區隔，提出最適於市場發展的無線電媒介技術。

無線感測網路(Wireless Sensor Network, WSN)在近三年來受到龐大的注目，現代人追求通訊上的便捷外，更希望利用無線技術改善切身生活的種種需要，包括舒適、便利、安全監控、醫療品質、節能等 概念，於是各類感測器的研究與產量大量出現，同時也推動無線感測網路的技術需求，IEEE 802.15規格即因此需求而產生。這個趨勢的發生，可由各國政府的全力推動、眾多新興規格層出不窮及如雨後春筍般應用廠商的出現看出，而在技術發展方 面，由於半導體設計的進步，晶片的價格與效能都逐漸達到使用者可以接受的範圍，國際標準的建立更促進產業規模的大幅增加，對成本的降低、互通性需求方面， 起了絕大作用，因此，無線感測網路的前景確實樂觀可期。

以上的分析令人感到非常興奮，但目前市面上推出的產品卻不如預期的多，究竟是甚麼因素阻礙產品化的進程？應用市場的特性固然是一端，如家電廠商聯盟共識難 求、應用類別(Profile)制定速度緩慢等，在系統技術整合方面的進度亦尚嫌不足，本文主要試著整理產品化過程中技術面的種種因素，以期對無線感測網 路的商用之路開啟一些提示的作用。

產品規格與系統設計須明確制定與規畫

首先產品規格必須明確定義，過去的經驗是若一開始對整體產品的需求不清楚，就貿然開始設計的工作，常常在軟體與硬體的重新設計上吃足苦頭，無線產品更是如 此，事先完善的規畫是達成目標的捷徑。在這個階段，首先得確定應用的特性，蒐集足夠的市場資訊，決定產品的切入點，然後進入系統設計的階段，此時便是完整 描述技術規格的時機，本文將之區分為系統設計、軟體、硬體及測試量產等面向說明(圖1)。

圖1 無線感測網路產品規畫示意圖

系統設計可由傳輸速率與即時性、功耗、距離、網路特性、保密性與成本等六個方面探討。

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傳輸速率與即時性

無 線通訊的傳輸速率並不如有線靈敏，使用者重視的是實際傳輸率(Throughput)，而非Datasheet上的實體層速率(PHY-level Data Rate)。由於現有的數位無線通訊都採取封包型式傳輸，封包之間皆有留空，防止封包碰撞及保留TX/RX轉換時間，消耗部分空中的時間，同時封包的表頭 (Header)通常含有同步(Preamble)、封包型態、位址等控制位元，這也占據傳輸空間，讓實際傳輸率更為減少(圖2)。設計者在此時須確定應 用的速率，並留下足夠的傳輸空間(Margin)，以防將來速率不足。 圖2 藍牙及ZigBee的封包格式與傳輸 另外還須考慮干擾因素，不同的頻段有不同的干擾源，2.4GHz是國際通用頻段，WLAN及藍牙都在此頻段內，其他頻段視不同國家情形可能與該國的無線頻 段管制衝突，必須特別了解。值得注意的是，不同規格的相互抗干擾性，與其選擇的基頻調變(Baseband Modulation)、展頻(Spread Spectrum)、跳頻(Frequency Hopping)機制和媒體存取控制層接取特性(MAC Multiple Access)有絕大關係，以ZigBee為例，其設計與WLAN及藍牙的並存性已充分考慮，可最大程度降低干擾(圖3)。 圖3 WLAN/藍牙與ZigBee共存 網路層也須考慮傳輸速率，通常無線感測網路的速率要求不高，但在點數多的情形之下，可能會出現節點塞車，導致系統效能的降低，所以節點點數和傳輸速率兩者 有權衡的關係。另外若有語音或影像上的即時需求，必須考慮數個跳點(Hop)後整體傳輸速率降低的因素(圖4)。整體來說，選擇傳輸速率較高的規格，對網 路點數的增加及傳輸延遲的降低都有較大的幫助。 註：對傳封包，考慮隱藏節點(Hidden Node)，並加入預測的隱藏節點的損失(Penalty)之模擬結果。 圖4 跳點之後的傳輸率狀況

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功耗

功 耗的考慮必須以整個模組電路板為準，電路板的主要消耗通常在中央處理器(CPU)、收發器(Transceiver)及功率放大器(PA)等晶片上，一般 來說，無線模組在啟動(Active)時的電流消耗在二十至三十毫安培附近，若常處於啟動模式，電流消耗將非常迅速，所以必須採用休眠模式(Sleep Mode)降低平均功耗，通常在數十微安培，此時晶片的休眠功耗須納入考慮。平均功耗跟占空比(Duty Cycle)有絕對的關係，占空比的決定又取決於傳輸速度的需求，同時也要考慮電路板或晶片的喚醒速度(Wake-up Time)，以保證實際傳輸的時間充足(圖5)。 圖5 平均功耗與占空比的關係 應用上因尺寸的關係，常須用到鈕扣型電池，鈕扣型電池的三伏特電壓沒有問題，但電流驅動力稍嫌不足，因此通常會並聯一個電容，在休眠時對電容充電，啟動時 則由電容提供額外電流工作。除此之外，電池的電壓也會隨時間下降，晶片的工作電壓範圍亦須列入考慮。網路層也須考慮功耗問題，因為當前並沒有完整的方案讓 路由器(Router)也能休眠，所以最穩定的方法是讓路由器維持供電，這也影響網路拓撲的選擇。

‧	網路特性
	網 路的拓撲(Network Topology)與節點數目、實際布建方式與傳輸效能，即速率、延遲(Latency)等相關。節點數目影響整體的傳輸速率及網路的穩定度，通常節點越 多，速度、穩定度都會下降，且越不均衡，即一個路由器接到太多子設備，而其他路由器利用率很低的網路越是如此。 布建方式與感測器或終端設備(Device)的位置有關，大致決定網路的拓撲，但在此同時也要考慮到整體網路的保護性(Protection)，必要時設 置備用節點防止斷線或干擾。網路拓撲是一個應用上的關鍵，所以在建立的時候，最好與晶片或系統供應商討論適當的節點數量，找出最適合的結構，並兼顧傳輸 率、穩定度和成本等考量。感測網路的布建有許多種，圖6列出三種方式以供參考，圖中A為平面式布建，B為立體式布建，C為一條龍式布建。 圖6 無線感測網路的布建方式

軟體設計須考慮測試需求

軟體規格通常以協定堆疊(Protocol Stack)劃分，封包的傳輸由MAC層處理，網路接取由網路層(Network Layer)負責，應用方案由應用層(Application Layer)及應用類別完成，設計者必須先了解在系統規格的要求下，晶片或系統供應商可提供到哪一層的軟體，介面如何使用，然後開發更上層的程式。

以ZigBee為例，最簡單的應用下，晶片或系統供應商會提供點對點(Peer to Peer)或星狀(Star)網路的程式。若有組網、換頻及保密的需求，則須提供IEEE802.15.4通訊協定的媒介層驅動程式(MAC Driver)。若設計者要求採用ZigBee網路，則提供ZigBee的協定堆疊，包含網路層及應用層的解決方案。

此外，若設計者要在IEEE802.15.4之上套用不同的網路層，目前也有微芯(Microchip)的MiWi協定及達盛電子自行發展的U-NET 01可供選擇，其好處是記憶體的需求較小，可降低CPU的單價成本。

開發軟體的過程中，最好同時考慮測試的需求，設計測試程式。在網路點數增多的情形之下，穩定度(Reliability)是必要的測試條件，透過實際布建，以商用的水準把關，進行長時間的壓力測試，穩定度方能大幅提升。

硬體設計須確保通過安規

無線產品的電路板設計牽涉到安規的問題，在美國是FCC認證，歐洲則是CE認證。許多晶片或系統供應商會提供無線模組，這些模組通常會通過先期測試 (FCC/CE Pretest)，以確保最終的無線產品能通過安規，最終產品仍必須通過FCC或CE的正式測試，才能在美國或歐洲販售。

原型板(Prototype)的設計牽涉到晶片方案的選擇，不同的晶片，其外圍元件數量也不同，振盪晶體(Crystal)的需求亦不同。通常晶片/系統 供應商會提供電路圖(Schematic)及布局建議(Layout Guide)，讓設計者自行設計產品，但若無射頻電路板設計經驗，還是請原廠覆閱設計較佳。

無線電路板還須考慮天線設計，包括阻抗匹配、淨空區域(Clearance)、避開干擾源等，淨空區域和干擾源的閃避在布局時就得注意，阻抗匹配則在電路 板洗好後進行。其方法是利用網路分析儀(Network Analyzer)，調整預先留好的匹配電路之電容與電感值，匹配天線端和電路端的阻抗，以達成最大的功率傳送。匹配的電容電感值與板材、布局，甚至機構 包覆都有關聯，所以必須在最終產品的型態下進行。

測試量產

無線產品的測試在原型板的階段，射頻部分會測試傳送端的誤差向量振幅(EVM)、輸出功率及接收端的靈敏度，以了解傳輸的性能，若有問題，通常會檢查天線 的匹配及電路板布局。這個階段會使用網路分析儀、頻譜分析儀(Spectrum Analyzer)及射頻訊號產生器(Signal Generator)等較為昂貴的儀器。

在量產的測試中，通常使用標準樣本(Golden Sample)的比對方式。首先在屏蔽箱(Shielding Box)裡設置一標準樣本及待測板，此待測板含一個CPU並用RS-232介面與PC連接，測試軟體已燒入待測板的CPU上，CPU與待測無線模組利用控 制介面接頭如SPI連接。在這個測試環境裡，PC透過RS-232同時控制標準樣本及待測樣本的行為，使標準樣本傳送訊號給待測板，或接收待測板發出的訊 號，藉此達成測試的目的，而不須使用高級的儀器。

最後是燒碼的問題，無線感測網路中，每個節點都有獨一的ID位址(Address)，稱為MAC位址，而且在應用層不同的設備上如電表、燈具、家電、溫濕 度計等也都有編號區分，這些位址和編號必須在產測的流程中，寫入電路板的Flash或電子式可清除程式化唯讀記憶體(EEPROM)中。另外射頻的電路因 為半導體製造時的變異(Variation)，通常造成某些特性隨不同晶片而變化，這些變化可經由校準的步驟調整，而調整之後的參數也須寫入記憶體中。上 述測試量產的過程在硬體及軟體的設計之初，就須列入考慮，以減少重新設計的可能性。