浅谈瑞萨电子无线传感器网络解决方案

本文介绍了瑞萨电子无线传感器网络解决方案（WSN）的5部分系列的第一部分，这是半导体技术，为受益于智能社会的人们打开了广阔的新市场。它描述了瑞萨的专业知识，以帮助创建和促进新市场，智能社会的基础，以及消除对电线的需求和标准的利用，从而使无线传感器网络更加灵活。

利用瑞萨的专业知识来帮助创建和促进新市场

该部门的专家通过确定半导体技术如何满足当前和预期的最终用户需求来促进电子制造商的业务成功。随后，他们分析了目标应用的设计要求，并提出了瑞萨可以生产的解决方案。此后，他们促进了应用我们新的和现有解决方案的市场机会，同时为我们的研发，生产和应用工程运营提供指导。

先进市场部的活动使瑞萨能够及时交付下一代芯片和支持产品，使系统工程客户能够设计和制造优质的最终产品。在市场部门的战略位置上，该小组使瑞萨电子处于众多嵌入式系统应用程序的产品和技术趋势的最前沿。

与日新月异的变化保持同步

该部门面临的最大挑战是电子技术的惊人发展速度—比其他经济领域要快得多。引入新的电子产品，似乎每天都有相关的市场诞生。他们从创业到成长阶段的运动非常壮观。

新的电子设备，系统和应用程序通常会对社会产生重大影响，引发更多的创新并创立更多的初创公司。电子竞赛是不间断的冲刺，我们的客户一直在寻找方法来获得领先优势和销售优势。

图1显示了当今各个市场领域的增长曲线和典型解决方案。由于高级营销部的任务是为处于启动阶段的应用程序创建和建立新的市场（图1中的区域“ A”），因此，这组技术人员目前正在促进生物经济（BE），能量收集（ EH），可见光通信（VLC）和人体局域网（BAN）。重要的是，这些技术中的每一种都可能导致无线传感器网络的重大进步。

各种市场和电子产品的市场生命周期状态。瑞萨电子的高级营销部门致力于促进处于启动阶段的有希望的应用程序的增长（A节）。该部门的专家现在正在推动无线传感器网络的发展，特别是那些由BE，EH，VLC和BAN技术支持的网络。

为智能社会奠定基础，逐个芯片

实现基于电子的物理和社会环境“智能社会”是两个因素的产物：（1）半导体技术的进步，不断以较低的成本提供更多的计算能力，（2）价值激增随着微机功能的发展，从计算，控制，数据库，在线活动，随时随地的连接性，到人工智能的跳跃性发展。

作为微型计算机和其他芯片的全球领先供应商，瑞萨长期以来一直是增值趋势的主要力量。我们提供并继续开发针对电子产品和系统的领先解决方案，这些解决方案为地球居民乃至地球本身带来不可估量的收益。

消除对电线的需求及其施加的限制

如今，数字网络无处不在。它们可以是有线的也可以是无线的，但是大多数都是有线的。但是，有线实现在涉及移动性的应用程序中是不切实际的。在过去的十年左右的时间里，半导体技术彻底改变了无线网络，使其变得异常实用且具有成本效益。实际上，无线系统已迅速成为新的规范，并正在对我们的日常生活产生巨大影响。

无线传感器网络已经在众多应用中发挥了主要作用-气象观测就是一个很好的例子。现在，从遥远的观测点（例如仪表舱，气象船，自主海浮标，卫星，雷达和日本的AMeDAS（自动气象数据采集系统））发送最新数据已成为日常工作。这些数据通过无线电波传输到基于云的收集中心进行快速分析。这种无线连接改善了天气预报并刺激了环境数据的新应用。

扩大无线传感器网络应用范围的主要工程挑战是寻找减少节点尺寸和成本的方法。尤其是对于经济，低功耗的无线传感器模块而言，这是一个巨大的机遇，该模块足够小，可以轻松放置在适当的位置。紧凑的模块包含传感器，控制电子设备和数据收发器，是远程监控环境和物理条件的理想选择，以实现便利性，安全性以及生态和其他目的。用它们构建的系统将改善“智能社会”中的生活和生活（请参见图2）。

无线传感器网络将影响智能社会的方式。具有自动监视和控制功能的创新无线网络可以提高效率，减少不确定性，降低风险并增加舒适性和便利性。此外，无线部署可以根据状况和用户需求的变化调整其系统操作，帮助确保公用事业服务不中断

使用标准化使无线传感器网络更加灵活

先前描述的包含一个或多个传感器和小型收发器的电子模块是无线传感器网络的主要组件。为特定应用优化的模块组位于任何需要的地方，都通过无线电或光链路与远程系统管理机构进行通信。

这些核心技术可以是专有的（封闭的）或基于标准的（开放的）功能环境。但是，为了获得最大的多功能性，应该对网络连接，通信链路以及传感器和设备接口进行标准化。这是因为开放环境的标准化可实现系统内的互换性，从而有助于进行配置修改。

存在用于实现无线和有线链接的各种标准（请参见图3）。但是，要充分利用最新半导体技术所带来的监视和控制机会，就需要新的标准。具体而言，要实现全球一致的无线传感器网络，需要三套标准：网络标准，无线标准和传感器标准。

关键技术领域的标准化。现有的网络连接，无线通信以及传感器和设备接口标准无法充分利用当前和未来半导体技术的应用潜力。因此，国际标准组织正在努力制定一套适用于所有国家和地区的统一规范和要求。

开放系统环境促进创新，应用程序采用和市场扩展。因此，我们的高级营销部门为许多标准化工作做出了贡献。尽管该小组涵盖网络标准，但它现在专注于支持和促进开发无线通信格式标准和传感器及相关设备接口标准的国际计划。

寻求适应频谱分配的多样性

具有批准的规范和一致性要求的已接受标准定义了开放环境。关于无线传感器网络，瑞萨极力主张采用优化的通信技术，以简化和加速传感器节点和基站的开发与部署。带有专有电子设计的传感器模块使连接不同供应商的模块的工作复杂化，从而导致开发项目中的延误成本很高。

无线通信标准化工作的一个非常重要的障碍是，无线电频谱分配因国家/地区和政府法规的定义而异。由此产生的不一致会增加系统合规性成本，并阻碍无线收发器开发的全球化。寻找开发可适应各种法规的统一方法的方法带来了巨大的工程挑战。

目前，所有国家都允许在拥挤的2.4 GHz频带上进行无线通信。这就解释了为什么大多数无线通信标准（包括Wi-Fi®，ZigBee®和Bluetooth®）都在使用它。然而，实际上，该频带倾向于受到有限范围的影响。现在，世界范围内的努力正在开发，以基于sub-GHz频带的使用为基础的全球无线通信标准。瑞萨正在为该标准的发展做出贡献。

提出新的通信技术

瑞萨电子除了提供支持在拥挤的2.4 GHz频带上进行通信的芯片外，还推动了两项新的通信技术，这些技术将扩大无线网络的市场：人体局域网（BAN）和可见光通信（VLC）。

人体局域网提供了放置在非常有限的区域内的电子设备之间的通信，特别是围绕人体的空间。这些无线网络中的传感器模块必须位于身体上，内部或非常靠近身体。由于通信被限制在较小的区域，因此信号传输是高度安全的。

我们预计BAN将会有许多应用，特别是在医疗保健，汽车，商业和安全市场（见图4）。引入适当的实现组件后，肯定会出现其他应用程序。

人体局域网的预期应用。BAN中的无线传感器在很小的区域内进行通信，消耗的功率很少，并提供出色的安全性。这些网络允许自动和精确地调整与电子设备和系统的交互，以适应个人的身体特征，个人喜好和应用需求。

扩展传感器模块的操作能力

数十年的经验表明，无线网络的多路径连接非常可靠。这些系统自动绘制出自己的通信路径。如果发生路由故障，他们会迅速重新映射网络操作并继续发送和接收。因此，重要的是要认识到无线传感器模块不仅可以用于生成感应数据，还可以用于更多用途。它们还可以充当可靠的网络节点。但是，为此，必须将与网络有关的信息插入每个数据包中。这既增加了模块的开销，又增加了能耗。

通过使用能量收集，有可能完全或部分满足传感器模块的功率要求。也许可以将模块设计为捕获通常被忽略的可用能量，然后存储并使用它来执行其感应和联网功能。

由于半导体传感器模块通常是低功率设备，因此许多潜在的能源都是合适的。例如，除了太阳能和风能之外，传感器的电子设备还可以利用人打开或关闭门或操作机械开关时所消耗的能量。其他方法可能包括挖掘人们脚步产生的能量；从设备，办公室和工厂产生的废热中获取电力；并通过生产机械的振动产生能量。

如果可以使用能量收集技术为无线传感器模块供电，那么这将大大简化无线网络的部署过程。能量收集还将消除安装和更换电池的需要，从而降低成本。

编辑：hfy