無線感測網路技術：無線感測網路平台設計與實作
99/03/09
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許健平｜
清華大學資訊工程系
張家濟｜
中央大學資訊工程系
IEEE 802.15.4 無線通訊協定有低耗電、低資料傳輸率，以及可建構多種網路拓樸等特性，因而廣泛應用在醫療監控、工業控制、商業自動控制、居家生活監控等用途上。
目前通用的無線感測平台，主要是架構在一個八位元微控制器上，並搭載一顆像是德州儀器公司（Texas Instruments, TI）所生產的 CC2420 無線發射晶片。但隨著半導體製程的日新月異，系統晶片（system-on-a-chip, SoC）會是未來發展的主要趨勢。現在，德州儀器所生產的 CC2430／CC2431 晶片，已經把 IEEE 802.15.4 無線晶片整合到一顆八位元 8051 微處理器上，實現了體積縮小化的概念。
我們已製作出多款不同用途的無線感測器平台，包括基礎節點和進階節點。基礎節點是以 CC2430 晶片做為無線感測器平台的核心，進階節點則是以 16 位元 MSP430 微控制器，再搭配 CC2420 晶片做為無線發射器，成為無線感測器平台的核心。
此外，還利用進階節點建構了兩個無線感測網路測試床。一個建置在清華大學，另一個建置在中央大學。未來，使用者只需要把已開發的無線感測器應用程式，透過網際網路上傳至伺服端，便可使用如實境般的無線感測網路、線上除錯功能，以及監控每個節點上的電量消耗。
設計說明
無線收發器在無線感測節點中扮演一個非常重要的角色，我們選定的無線收發器是德州儀器所生產的 CC2420 和 CC2430 晶片，它們不僅符合 IEEE 802.15.4 的規範，而且有低耗電需求的功能。此外，一個功能強大並省電的微處理器，在無線感測節點中也非常重要。
基礎節點採用的微控制器核心是 8051 系列微控制器，已經嵌入在 CC2430 裡面。這個微控制器的程式記憶體的最大容量是 128 KBytes，資料記憶體是 8 KBytes。進階節點則採用德州儀器生產的 16 位元精簡指令集的 MSP430 系列微處理器，它擁有 48 KBytes 的程式記憶體空間及 10 KBytes 的資料記憶體。它們都提供最多 8 個通道的 12 位元解析類比／數位轉換器。在電源管理模式下，這兩款無線感測器平台也提供多種不同程度的省電模式，讓使用者可以在有限的電力資源下達到最長的工作壽命。
這兩種無線感測器平台都採用雙面板，藉由電路的最佳化設計，讓微處理器電路和無線通訊電路並存在同一塊面板上。這樣的設計不僅可以大幅降低生產成本，也不會影響無線通訊的品質。關於基礎節點，則開發了 3 種以 CC2430 為核心的無線感測器平台，分別叫做 Octopus X－A，Octopus X－B 和 Octopus X－C。
Octopus X－A 和 Octopus X－B 分別採用 PCB 有向天線和 SMA 無向天線。一般來說，SMA 天線的傳輸距離會比 PCB 天線的遠。Octopus X－A 和 Octopus X－B 的尺寸只有 28 mm × 28 mm，具有攜帶方便、布點容易等優點。利用通用序列匯排流編碼器（USB Dongle），這種基礎節點可以透過簡單的 USB 協定，把資料回傳給電腦做進一步分析。Octopus X－A 和 Octopus X－B 本身並不搭載感測器，但可以透過 30 Pin 連接器連結微處理器和感測器。
採用微處理器和感測器分離式設計的好處是：第一、使用者可以針對不同的應用環境設計不同的感測板，進而擴充無線感測平台的功能。第二、模組化的設計可以縮短除錯時間。通常感測板容易在室外的環境中損毀，如果只要替換損壞的感測板，而不需替換整個無線感測節點，不僅能減少替換成本，也可以縮短除錯的時間。
我們針對 Octopus X 系列設計了兩種感測板。一種是溫、溼度感測板，結合了溫度感測和溼度感測兩種功能，溫度感測的精確度可達攝氏 0.1 度，溼度感測的精確度可以達到 ±3.0％。它不僅消耗功率低，反應速度快，而且使用時不需重新校正。另一種是具備電子羅盤、三軸加速度計和陀螺儀的多功能感測板。使用者透過感測板上的電子羅盤，可以隨時為無線感測器定位，而三軸加速度計和陀螺儀可以隨時得知這個平台的運動狀況。這類感測器可以應用在像是人體動作感知的實驗中。
Octopus X－C 採用雙天線設計，使用者可以針對不同環境使用適合的天線。Octopus X－C 的尺寸大約是 57 mm × 31 mm，並增加了 3 種功能。
第一、在通訊的部分，它整合了一顆 USB 通訊晶片，使用者不需要額外的 USB Dongle 就能與電腦傳遞資訊。
第二、在外部記憶體的部分，它搭載一個 2 MB 串列傳輸方式記憶體，以及一個可以適用於從 512 KB 到 8 GB 不同容量的 MicroSDTM 記憶卡插槽。因此，使用者可以依據需求使用不同容量的記憶卡儲存資料，減少因為通訊品質降低而造成資料收集不完善的影響。
第三、在感測器的部分，Octopus X－C 本身具備一個溫溼度感測器，它的功能規格與前述的溫溼度感測板一樣。
在電力管理部分，Octopus X－A 和 Octopus X－B 的主要電力來源是 300 mAh 高分子鋰電池，Octopus X－C 的則是 2 個 3 號電池。因此，可以想見的是 Octopus X－C 的續航力會比 Octopus X－A 和 Octopus X－B 持久。另外，CC2430 也提供了 4 種省電模式，其中一種可以藉由關閉所有震盪器功能和電壓穩壓器，以達到最低程度的電力損耗，低到只有 0.3 微安培（μA）。程式開發者可以藉由進入這些省電模式，延長無線感測網路的使用時間。
在進階節點方面，我們設計了兩種以 16 位元 MSP430 和無線傳輸器 CC2420 為核心的無線感測器平台，分別叫做 Octopus II－A 和 Octopus II－B。Octopus II－A 的尺寸是 65 mm × 31 mm，Octopus II－B 的尺寸是 80 mm × 31 mm。
Octopus II 系列都採用雙天線設計，Octopus II－A 的傳輸距離可以達到 200 公尺，Octopus II－B 比 Octopus II－A 多了 RF 訊號放大處理，因此 Octopus II－B 的傳輸距離可以達到 450 公尺。這兩款 Octopus II 系列在訊號強度和傳輸距離上，比市面上同類型無線感測器平台有更佳的線性化。值得注意的是 Octopus II 採用雙面板設計，市面上的無線感測器如 Tmote 則採用四層板設計。
在感測器的部分，也採取跟 Octopus X 系列相同的分離式模組設計，以增加無線感測器平台的擴充性。在電力管理的部分，Octopus II 的電力來源主要是兩顆 3 號電池。MSP430 提供了 5 種省電模式，其中一種可以藉由關掉所有震盪器功能，讓 MSP430 達到最低 0.2 μA 的耗電。因此，使用者可以進入這個省電模式，讓無線感測節點有最長的使用時間。
測試床建置
目前已利用進階節點建構了兩個無線感測網路測試床，其中一個建置在中央大學，共有 34 個節點；另一個建置在清華大學，也有 30 個節點。每個節點透過 USB 轉乙太網路轉換器，彼此連結在一起。但是實際上，各個節點的通訊仍是透過無線方式傳遞資料。
使用者只需經過網路認證後，不論身處哪裡，都可以透過網際網路上傳已經編譯好的程式碼給遠端的伺服器。伺服器會把每個節點或部分節點上的程式碼更新，並重新執行。如果程式開發者已開啟想要觀察節點的 USB 通訊功能，在實驗過程中，這些節點所傳送或接收的每一筆封包資料，都會藉由網路把資料回傳給伺服器端。使用者可以透過 Web 介面，調閱存放在資料庫中這些節點的每一筆封包資料，進而得知每一個節點上封包的遺失率。
目前也開發並且設計出一個 E－MCU 電力量測工具，評估一個無線感測節點或整個無線感測器網路的電量。首先利用萬用電表量測進階節點上每一個電子元件的耗電量，然後使用者就可以透過 E－MCU 監測每個節點上的每一個執行程序的耗電量，做為未來程式碼最佳化的依據。
當一個微處理器運作時，通常不會利用到所有的 I／O 腳位，因此可以改變這些腳位的電壓變化，去對應想要觀察某些程序的執行時間。例如進入一個副程式時，便把某個 I／O 腳位的電壓升高，而離開這個副程式時，就把這個 I／O 腳位的電壓拉低，藉由 E－MCU 量測 I／O 腳位電壓變化的時間，便能推算出這個副程式的執行時間。再根據每個電子元件的耗電量表，就可以計算出各個程式的耗電量。
藉由示波器的驗證，E－MCU 的電量量測與示波器的最大誤差不會超過 2.6％。因此，開發者利用網路就可以追蹤每個節點在實際運作下的各項細節，如封包的傳遞和電力評估。
建構一個龐大的無線感測器環境是相當浪費時間和成本的，不需要每個開發者都自行建構一個無線感測器網路。而無線感測網路測試床提供了一個絕佳的開發環境，讓開發者能夠透過網際網路，在規定的範圍內把編譯好的程式碼傳送至特定的伺服器上，就可以線上更新程式、重新執行新程式，以及調閱伺服器上的實驗數據和電量評估。因此經由無線感測網路測試床，可以大量降低程式開發的成本及時間。
到目前為止，已經成功實作兩款無線感測器平台，以 CC2430 為核心的基礎節點和以 MSP430 為核心的進階節點。藉由電路最佳化，這些平台只需要雙層電路板設計，就可以擁有不錯的通訊品質，大量降低生產成本和提高生產良率，此外，還可以在基礎節點上執行由Ｃ語言撰寫的無線應用程式，或在進階節點上順利運作 TinyOS。
藉由 USB 簡單協定，使用者可以利用USB對無線感測節點進行程式燒錄、除錯和資料收集。我們也提供數種不同功能的感測板，例如溫溼度、光度感測板，以及三軸加速度、陀螺儀和電子羅盤構成的多功能板，足夠讓使用者應用在不同的實務領域上。另外，利用分離式模組化設計，母板和感測板的結合是透過連接器，甚至還可以自行設計感測板，讓無線感測器平台有更好的擴充性。
目前還能即時偵測每個節點運作時電量的損耗，讓使用者可以針對他們的程式碼做最佳化處理，以減少開發時程，並增長整個無線感測網路的使用時間。
