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無線感測網路技術：數位生活的控制與服務管家

99/03/09 18998

鄭憲宗｜成功大學資訊工程學系

科技始終來自於人性，希望只靠著一支遙控器、一個螢幕就可以控制生活中越來越多的家電設備嗎？在成功大學優質生活體驗屋內，家庭生活魔法師—宙斯—便是一套針對數位家庭各種家電與服務的中央管理系統，讓生活的機能增添了不少便利及樂趣。

在一般家庭裡都會有一些家電用品，諸如：電視機滿足了對於資訊與娛樂的需求；冷氣提升了居家生活的舒適度；烤箱、電冰箱、電磁爐等則增添了食品與烹調的便利性，這一切都是進步的科技為人們帶來的福利。

這些便利無疑地滿足了我們在生活上的各種期望，但缺點是家電的控制器太多了。坐在客廳的沙發上時，想看個有氣氛的文藝愛情電影，必須起身關掉客廳電燈；走到廚房關閉可能會發出嗶嗶聲的電器，以免影響觀看影片的情緒；拿起電視遙控器切換至 Video 輸入；使用音響遙控器調整音量；再拿起 DVD Player 遙控器播放影片；最後才能喘口氣開始看電影。

讓我們思考一下，有沒有一個按鈕，可以一次幫我們把這些事情都做完呢？換句話說，要如何把各種家電與服務連接在一起？簡言之，家電可以上網嗎？答案是可以的。

近年來，有線與無線網路的技術不斷創新，服務應用也一直蓬勃發展，越來越多的產品具備了網路能力。「通用隨插即用」（UPnP）是一套設備網路化的網路協定，目標是使家庭網路中的各種裝置與家電能夠相互連線，分享彼此的服務，並簡化相關網路的操作。

目前許多網路應用服務改以「可擴充套件置標語言」（XML）做為標準的描述語言，「網路服務裝置設備描述檔」（devices profile for web service, DPWS）的技術因此誕生。DPWS 把網路服務的物件服務化的概念，結合了 UPnP，以標準化的 XML 做為服務提供的基本語言，整合各網路設備的服務。以上兩種網路協定 UPnP 與 DPWS，都是期望帶給使用者隨插即用的便利性，達到類似網路 USB 概念的功用。

除了有線網路與家電設備的連接外，無線網路也瀰漫在我們的生活中，例如高功率的 WiFi、WiMAX，通信使用的 3G，或短距離傳輸的藍芽、Zigbee 等，也不斷地開發各種服務應用，例如應用在無線感測網路、各種檔案與視訊音訊傳輸等。

雖然家電都可以上網了，但是上述的網路連接方式因為設定與封包格式的差異，彼此之間互不認識，也無法溝通，就像草莓、香蕉與檸檬的差別一樣。因此需要一個平台，把它們放上去之後，都能以「水果」這種單一角色提供彼此的營養。我們對於這些水果的認知，就成為「紅色的水果」、「剝皮的水果」與「酸的水果」。

科技業與相關學術界也發現了這水果盤的重要性，為了提供各種異質網路通訊協定、設備與服務一個穩定的平台與高度的整合性，在 1999 年昇陽、IBM、愛立信等公司一起組織、設定了「開放式服務平台規範」（Open Service Gateway initiative, OSGi）。透過這個平台，可以橋接、掛載各種網路與家電，提供相對應的服務，讓彼此共享。在平台上提供各種遠端操作與監控等服務，並且擁有整合各服務成為新的客製化服務的可能性。

有了平台與網路的基礎建設，雖然已經能夠把各個家電串連在一起，但是仍然需要一個人性化的操控介面。因此，設計了精美的圖形化使用者介面，可利用肢體揮動軌跡進行操控的遙控設備，以及定位系統，增進家中成員與數位家庭的互動融合。

為了居家安全的需求，會在數位家庭中設置為數可觀的無線感測器，針對防火、防盜、防瓦斯外洩、電器設備安全等進行監控。這些無線感測器兼具感測環境數據與傳輸資料的功能，在感測器功能燒錄、資料量節省和布建方式等方面都必須考量。因此，得針對上述問題開發感測網路的核心技術，以健全整個網路的可靠度。

在整合了平台、網路、人性化設備及核心技術四方面的技術後，把這個系統命名為「宙斯」（Zeus）—古希臘神話中掌權的天神。

技術描述

開放式服務閘道器規範　「開放式服務閘道器規範」（OSGi）服務平台依循各開放式標準、網路架構，提供跨作業系統的服務。在 OSGi 服務平台上，各式設備可以分享彼此的服務與資訊，創造出更富創意的情境。

OSGi 主要由 3 種元件組成：骨架、服務包和服務。以一個實例來說明它們的運作。客廳有一台 UPnP 電視，會以網路線與 OSGi 伺服器連接，而在 OSGi 伺服器上有一支專為 UPnP 電視所設計的服務包掛載於 OSGi 骨幹上，這個 UPnP 電視服務包提供了電視開關、頻道轉換、音量大小、輸出輸入切換等的服務。因此，只要依據 OSGi 的規則標準，就能很容易地提供或使用所有服務包裡的服務。

無線感測網路　無線感測網路（wireless sensor network, WSN）是分布在環境中的眾多感測器所組成的網路。每個感測器都是由一個處理單元、無線傳輸單元、感測單元和電力供應單元所組成，這些感測器部署在環境中，會自己形成網路拓樸。無線感測網路近年來除了在技術上不斷地突破創新外，也開發各種服務應用，實作上也有成熟的規格，例如 IEEE 802.15.4 和 Zigbee。與無線感測網路相關的應用也不斷地出現，像是家庭安全監控、防盜系統、情境感知等。

優質生活體驗屋也布設了許多無線感測模組，其中以 Zigbee 系列與 Tmote 無線感測模組為大宗，如何有效管理感測節點便成為一個重要的議題。

研究成果

平台與網路　本專案選用 Knopflerfish OSGi 為服務整合平台，並架設在成功大學優質生活體驗屋的環境中。平台對於硬體設備會由基層驅動程式橋接，對上層的各種服務或不同架構的中介軟體，則是透過服務包分享在平台之上。最後，設計了一個集中控管的機制進一步提升服務品質，並且為新加入的設備或服務尋找與安裝驅動程式。

目前已設計了 3 種 OSGi 與家用設備、感測模組的銜接方式。第１種是符合 UPnP 規範的設備透過 UPnP Base Driver 橋接上 OSGi 平台；第２種是符合 DPWS 規範的設備透過 DPWS Base Driver 來橋接；第３種是符合其他網路通訊協定（Zigbee、Tmote、Bluetooth 等）的設備，也由本專案設計 Base Driver 來橋接。

設備　本專案主要使用清華大學開發的無線感測模組 Octopus II 做為無線感測網路的傳輸元件，開發宙斯設備與各式橋接系統，並且研發「通用即插即用」設備的轉接裝置（UPnP Converter），擴充了宙斯系統的網路多樣化。

以價格低廉的 8051 嵌入式系統設計 UPnP Converter，可以利用嵌入式板上的 I／O 輕易地與無特殊功能的家電結合，再提供 UPnP 服務設定，並連上乙太網路與宙斯的 OSGi 溝通。讓這個家電搖身一變成為 UPnP 家電，提供隨插即用的便利服務。

人性化操控介面　宙斯的使用者介面除了提供一般的多媒體影音之外，也可以用來對家中已裝設 Octopus II 傳輸模組的家電做簡易性的操作，還可以經由宙斯觀看那些散布在家中的各個感測器所感測到的資訊。接下來，針對宙斯中的顯示頁面功能做進一步的說明。

Home State—使用者位置的監控、各區域光溫溼度的偵測、UPnP 裝置的狀態與操控、各區域感測器電量與狀態回報。
Appliance—以無線遠端操控的各項家電設備，包含各區域電燈、咖啡機、電磁爐、CD 音響等。
My TV、My Video、My Picture、My Music—結合多種影音系統，可以播放數位電視、影片、照片、各式音樂等。

魔棒　它搭載了紅外線發射器、三軸加速規晶片及 Octopus II。有這 3 項硬體設備的搭配，可以用來操控宙斯的中控系統與家電設備。魔棒具有兩種操控中控中心「宙斯」的模式。

當使用者在客廳時，魔棒會自動切換為紅外線模式。紅外線發射是單點發射，接收端透過這單點在 2D 平面上的移動方向與路徑做直覺式操作，並藉由藍芽無線傳輸來控制宙斯。

當使用者在家中其他區域時，自動切換為三軸加速規模式。三軸加速規產生各軸加速度值，並藉由 Octopus II 傳輸出去，接收端會依據各個瞬時狀態下三軸的正負加速度值，依序形成 3D 立體空間中八個子空間中的移動方向，記錄所有的移動路徑後，轉換為操控中控中心「宙斯」的行為。

魔力拖鞋與紅外線定位系統　把拖鞋與 Octopus II 做結合，可以偵測出使用者目前在家中的位置，並給予相對應的權限。

以優質生活體驗屋為例，把空間劃分為四大區域，在每個區域的地板下面各布置了一個 Octopus II Sensor，並調整 Octopus II 至適當的感測範圍。當魔力拖鞋進入客廳時，魔力拖鞋上面的 Octopus II 會偵測到這一處 Sensor 的訊號，就可以定出使用者目前在家中的位置，完成大範圍的定位。當宙斯解析完魔力拖鞋的大範圍區域定位後，會自動開啟該區域的電燈，以達到燈光如影隨形的便利服務。

此外，把人體紅外線感測定位功能嵌入各家電中，利用焦電型紅外線感測器感應人體放射出的紅外線，並調整紅外線的感應範圍到大約 1 公尺，以達到近距離定位的效果。利用魔力拖鞋與人體紅外線感測分別做大小範圍定位，可以加強定位的正確性，再搭配魔棒進行相對應的手勢控制，啟動特定家電服務與功能。

瓦斯偵測器　利用瓦斯煙霧感測器可以偵測廚房瓦斯是否外洩，如果感測器偵測到過高濃度的一氧化碳，就會啟動蜂鳴器，並經由 Octopus II 通知各家電關閉電源。

家電控制模組　把 Octopus II 結合繼電器電路，利用繼電器以小電流控制大電流的概念，控制家電的電源開關，或利用繼電器的特性，產生一個訊號脈波來啟動家電的功能。此外，也結合 Octopus II 的 RF 與 GPIO 功能，使得家電可透過無線方式加以控制。

無線感測網路核心技術　現今的 WSN 網路上的感測器大多只負責傳遞感測的資料，不具大量運算的能力。而且其功能在燒錄階段就已經決定，若要資料更新，就必須把感測器硬體拆下，透過電腦把感測行為與功能燒錄至記憶體中。

為了有效地應用感測器的硬體資源，以及可以讓感測器的功能具有擴充性，因而提出了封包編程的架構。它的燒錄方式是透過無線傳輸，把帶有行為模式的劇本檔傳送至要更新的感測器中，並且透過感測器內建的直譯器進行解析與更新。這樣一來，不需要拆下感測節點也可更新節點的行為，讓感測器除了以往的感測資料外，還具有群體運算及擴充或修改功能的能力。

目前所開發出支援數位生活的家控服務整合平台—宙斯，整合了不同的技術（OSGi、UPnP、DPWS 及 WSN），利用這些技術得以開發相關的設備與服務，並應用於成功大學優質生活體驗屋中，且可以發展到其他網路設備服務整合的領域上。將來還會持續研究系統穩定性與多個服務之間的決策機制，並把系統擴大至可以進行多人服務的規模。

資料來源

《科學發展》2010年3月，447期，38 ~ 43頁

科發月刊(5221)

無線感測網路技術：數位生活的控制與服務管家

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