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無線感測網路技術:輕巧便利的無線感測平台

99/03/09 瀏覽次數 19654
無線感測網路

感測器(sensor)是一種接收信號或刺激並輸出訊號的裝置。在日常生活中,感測器其實無所不在,像滑鼠、門禁感應系統等。隨著微型製造、通訊及電池技術的改進,感測器越做越小,並具有感應、無線通訊及處理資料的能力。

無線感測網路是由一個到數個無線資料收集器及許多感測器所構成的網路系統,元件與元件間的溝通是採用無線通訊的方式。這類的感測器不但能夠感測目標物 (溫度、光度、溼度、加速度等),還可處理收集到的數據,並把處理後的資料以無線傳輸的方式送到資料收集中心或基地台。

無線感測網路的應用極具潛力。例如運用在軍事上,可監控戰場上的狀態,把感測器投到敵軍陣營中進行偵察任務,同一陣營的人員、裝備及軍火上可加裝感測器以供識別等。當然也可以運用在環境中,例如把大量的感測器部署到森林裡,若發生火災便可感應提供訊息,也可監測空氣汙染、水汙染、土壤汙染等;在生態監控方面,則可了解生物棲息地或覓食習慣。也可以把感測器裝在人的身上,進行健康監控。當然也可部署在家中,使人們即使不在家,也可以在遠端透過家裡的感測網路幫忙做家事。

其他像監控室內溫度及溼度、車輛追蹤、工廠自動化生產線上的品管控制等,在不同的領域都可以發揮無線感測網路強大的作用。透過無線感測網路,可以省去許多人力,讓感測網路能更快速、更有效率地幫助我們做更多事情。

無線感測網路本身也有些特點與限制。感測器本身的能量供應來自電池,加上傳輸距離有限,為了省電及距離的限制,若感測器離資料收集中心太遠,必須藉由多重跳躍傳遞機制建立網路路由的方法,把感測到的資料經由多個感測器組成的路徑傳回資料收集中心或基地台。

網路容錯能力也很重要。由於感測器容易受到環境的影響而侵蝕或損壞,以及感測器本身電力有限(大多由電池供電),因此必須避免因少數幾顆感測器損壞或電池耗盡,而使整個網路癱瘓的情形發生。此外,節能控制也是相當重要的課題,感測器常常要散布在環境中,若需要時常更換電池會十分麻煩,甚至有些環境根本無法置換電池。因此節能控制幾乎是所有感測器及網路管理首要考慮的重點。

ECO無線感測平台

ECO 是目前全球體積最小的無線感測平台,面積小於 5 元硬幣。雖然體積很小,但是它具有很高的擴充性,可與不同種類的感測器連接擴充,是個極為輕巧、低功率、攜帶性佳的整合型資料擷取模組。

ECO 是韓國留學生 Chulsung Park(朴哲城)在 UC Irvine 時在周百祥老師的指導下,於 2004 年開始設計的;2006 年首次成功地製造了 100 個;2007 年透過清華大學成功量產了 1,000 個。目前清華大學團隊正積極開發新一代的硬體、軟體,以及應用與開發工具。

ECO 平台的特色及規格:體積約 1 立方公分,重量約 2 公克(包含電池),內建天線及加速度感測裝置,使用的頻段是 2.4 GHz,採用的無線通訊技術是無線電波頻率(radio frequency,簡稱 RF),傳輸速率是 1 Mbps,傳輸距離約 10 公尺,電池壽命(在持續傳輸資料情況下)約 4 小時。

ECO的實際應用

無線感測網路的應用很多,而 ECO 因體積小,比一般感測器有更高的可攜性及便利性。ECO 目前也發展了許多應用,包括面板工廠生產線上的振動監測。若生產線的振動頻率太大,會造成產出面板的良率降低。在生產線上裝上 ECO,藉由感測到的三軸加速度,透過無線傳輸傳回電腦端運算,就可達到監控生產線振動頻率以維持一定良率的目的。ECO 也有比較偏向遠端控制的應用,例如遙控車及 USB 砲台。

此外也發展了類似 Wii 的應用,把感測到的三軸加速值透過無線電波頻傳回基地台端,以程式分析加速度值後產生相對應的輸出,如控制方塊轉動及貪食蛇遊戲,透過與使用者的互動達到娛樂的效果。還可使用 ECO 模擬類似滑鼠及鍵盤的動作,在食指上套上 ECO 後,可控制上下左右、快點兩下還能瀏覽圖片、玩遊戲呢!在這裡雖無法一一列出 ECO 的許多應用,但這足以顯示無線感測器的應用極廣,光是軸加速器的應用就如此變化多端。

ECO 感測器還可外接許多模組,如外接喇叭以發出聲音、增加溫度、光度、溼度模組等,能發揮的範圍相當大。在未來生活中,處處都可能充滿察覺不到的感測器,用來監測環境或人們的健康與安全。

未來展望

我們的目標是「個人化無線嵌入網路」,希望能使 ECO 與家電用品整合。例如應用在答錄機上,運用剪下/貼上的概念,只要把 ECO 套在手指上,輕輕揮動手指(抓/放),便能把裝置中所夾帶的資訊「抓」在手裡,進而達到讓各種裝置之間能互相溝通的目的。

當然不只局限在答錄機,希望能在更多裝置之間做溝通。例如可利用手持裝置(例如手機)做為使用者介面,把各種家電的資訊一併列在手機裡。

無線感測網路的應用極廣,感測器種類也非常多。而 ECO 不只是個感測器,它還是個無線感測平台,十分輕巧便利並具有高擴充性,可延伸外接不同的模組。希望未來 ECO 能與日常生活中不同的裝置結合,使生活更為便利。
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