跳到主要內容
:::
登入
註冊
網站導覽
展開搜尋
全站搜尋
熱門關鍵字:
半導體
精準醫療
太空
煙火
關閉搜尋
您的瀏覽器不支援此script語法,請點選
搜尋
使用搜尋功能。
分類
分類項目
關閉分類項目
地理
天文
化學
醫學
科技
社會科學
人類文明
地科
心理
物理
數學
環境
生物
生活科學
醫療
地球科學
Menu
關於我們
文章
熱門文章
最新文章
精選文章
科學專題
科發月刊
影音
TechTalk
科普影片
活動
學生專區
夥伴
認證
公務人員
網站導覽
English
首長信箱
常見問答
雙語詞彙
關於我們
文章
文章
熱門文章
最新文章
精選文章
科學專題
科發月刊
影音
影音
TechTalk
科普影片
活動
學生專區
夥伴
認證
認證
公務人員
:::
首頁
Pleace Login!
×
請先登入
facebook
twitter
plurk
line
中
列印
書籤
:::
無線感測網路技術:無線感測器網路平台及應用
99/03/09
瀏覽次數
28118
潘貞君
|
臺灣大學電子工程學研究所
林致廷
|
臺灣大學電子工程學研究所-
吳文中
|
臺灣大學工程科學與海洋學系暨研究所
郭茂坤
|
臺灣大學應用力學研究所
隨著科技日新月異,無線通訊已取代過去有線的溝通方式,成為生活中不可或缺的一部分。無論何時,只要在可接收到訊號的地方,撥打手機便可和家人朋友通話;拿著配備無線網卡的電腦就可連上網路,隨時接收最新資訊。
早在 1993 年,日本 Hitachi 公司就提出把感測網路的概念應用於下水道監測系統的構想,但礙於線路配置和感測器設置的問題,感測網路只能使用在某些特定的高成本監測儀器上。直到 2000 年,加州大學柏克萊分校提出以無線傳輸為基礎的無線感測器網路(wireless sensor network, WSN),才解決了有線傳輸產生的問題。因為應用層面廣泛,學術和產業界都投入這研究領域,使無線感測網路迅速發展。
在無線感測網路中,感測器和無線網路是兩大核心。整個系統是由大量具備通訊能力的感測節點組成,元件上可攜載各式的感測器,測量溫度、溼度、光度、加速度、壓力、聲音等,且這些感測節點有自我組織網路的能力,每個都代表網路中的一個節點,可透過網路把感測器蒐集到的資訊回傳到主控端。
現今由於微機電系統和奈米科技的進步,感測器體積不斷縮小,已可使攜有各式微感測器的元件結合無線傳輸通訊網路,大量散布在環境中,組成無線感測網路。這技術可以隨時提供必需的資訊,應用在生活中便可達成現今對於樂活環境的要求,包含便利、安全、舒適、節能等。
美國 MIT《技術評論》認為,無線感測器網路技術是未來新興科技中最重要的一項關鍵性技術;美國《商業周刊》也預測,無線感測網路是未來 4 大新技術之一。因此可預見 WSN 的廣泛應用是一種趨勢,在未來的 5 至 10 年,會對許多產業和日常生活帶來衝擊性的影響。
無線感測網路技術發展
無線感測網路最初由加州大學柏克萊分校的「智慧粉塵(Smart Dust)」計畫提出,並由美國國防部贊助,應用於軍事相關的情報蒐集。這計畫主要是發展一套微小的感測節點,大小如粉塵一般,可懸浮在空中,負責監視敵軍和蒐集情報。爾後,如加州大學洛杉磯分校、麻省理工學院陸續研發不同的感測節點,以擴展無線感測網路的應用,例如生態環境的監測、森林火災防護、健康醫療、居家照護等。
在生態環境的監測上,把體積輕巧、攜有定位功能的感測節點裝置在生物體上,如鳥類、小型動物、昆蟲等,就可追蹤動物的生活作息及遷移活動。在森林火災防護方面,把大量感測器分布在森林內,當環境溫度異常時,就發出警告訊息給林管單位,只要及時處理,便可防止火災蔓延,以免造成災害及重大損傷。
除了學界的研發之外,一些知名企業也陸續以加州大學柏克萊分校開發的Mote為雛形,進一步發展各自的感測節點硬體並使其商業化。
平台架構
無線感測器網路平台可分為軟體和硬體兩大主軸。軟體包含通訊協定、感測節點所使用的作業系統、定位功能所需的演算法、網路的安全和管理等;硬體則有感測節點硬體、微感測器電路模組等。
自無線感測網路概念提出後,各研究團隊都開發各自的平台,種類繁多,其中以加州大學柏克萊分校研發的 Mote 最具代表性。這些平台彼此不相容,加上成本過於昂貴,造成無線感測網路的發展近乎被壟斷,相關研究和應用無法普及化。
臺灣擁有電子相關製造業的優勢,加上學術界具備軟體、韌體和人機介面研發能力,若能凝聚產學界的力量,制定共同平台規範,並依據這規範量身打造無線感測器硬體和優良的無線感測網路平台,必可為無線感測網路奠定發展的良好基礎。因此,國科會提出「無線感測器網路技術前瞻研究」專案計畫,想建立一套完整的無線感測器網路共同平台,和研發跨領域的整合應用服務,結合產學界力量,打造屬於臺灣本土的技術,並本著學術資源共享的原則,把這些硬體設計架構和軟體程式開放給各界自由使用。
無線感測器網路主要由眾多的感測器節點構成,每一個節點都包含4大單元:感測單元、處理單元、無線傳輸單元及電源供應單元。
感測單元
由種類繁多的微感測器所構成,負責環境參數和資訊的量測,如溫度、溼度、光度、加速度、壓力、聲音、煙、紅外線、化學物品等,並把蒐集到的類比訊號傳送到訊號轉換元件,轉換成數位訊號。
處理單元
類似個人電腦中的中央處理機,負責執行程式碼、協調並控制不同的單元,或接收命令啟動感測單元蒐集環境資訊,並在經過處理後,透過傳輸單元把資料發送回去。這單元包含小型儲存單元,以儲存蒐集到的環境資訊。
無線傳輸單元
負責感測節點和其他節點之間的溝通,並把感測器的資料傳送給資料收集器,可因環境需求選擇不同的傳輸波段,包括紅外線、無線電波等。
電源供應單元
主要用來提供感測器節點硬體動作所需的能源,一般可選擇標準的鋰電池,或可從環境中擷取能量的太陽能電池。
在平台規劃中,依在感測網路中所扮演的角色,節點分為基礎節點與進階節點。針對這兩種不同的功能需求,分別設計合適的硬體規格,並設置閘道扮演無線感測網路系統和主控端的媒介。
基礎節點是無線感測網路中的最底層,耗能和運算能力最低,具感測和通訊能力,數量最多且分布最廣,負責感測大範圍環境,並把收集的資料回傳。在硬體設計上,微處理器選擇 Silicon Lab 的 C8051F411,它有兩種時脈可供選擇,能讓基礎節點在傳送資料時全速運作,其餘時間則處在休眠狀態,以達到省電的目的。
進階節點是系統中的中階硬體,負責建立、維護路由和管理網路,可下令允許新節點加入或要求節點離開網路。相較於基礎節點,進階節點須有較高的運算能力,且耗能較多,因此在硬體設計上,選用由德州儀器設計、運算能力較強且低耗能的 MSP430F1611,使用 3 伏特電壓源,在室溫的環境下以 32 KHz 的時脈運作時,消耗的電流不超過 3 微安培。
閘道是做為無線感測網路和使用者之間溝通的橋梁,整合不同 RF 通訊協定,可利用 USB 介面輕易地和個人電腦連接,且大部分工作由電腦完成,硬體本身進行指令和資料轉遞。因電源直接由電腦提供,所以不需和節點一樣考慮耗能問題。
無線感測網路平台以 ZigBee 為主要無線通訊協定。ZigBee 針對無線感測網路需求,制定低消耗功率、低速率(250 Kbs)、短距離(50 ~ 100 m)、網路架構簡單的通訊協定,並可支援星形、網形、樹形等網路拓樸。
無線感測網路的應用
在「無線感測器網路技術前瞻研究計畫」中,除了平台開發外,更以實體情境展示應用成果,共有遠距醫療診斷的應用、智慧居家與環境安全的應用、生態監測與預警的應用、土石流監測的應用、微氣候監測控制的智慧型建築、智慧型數位生活空間的應用、居家遠距監控與自主管理系統的應用等 8 項。期望藉由以上示範開啟先例,讓無線感測網路技術得以落實,並提升國內相關技術的研發能力。
在智慧居家與環境安全應用示範的計畫中,由臺灣大學應用力學研究所、機械工程研究所、資訊工程研究所、電子工程研究所、工程科學與海洋工程研究所,和交通大學資訊工程研究所等跨校跨領域軟硬體研發團隊,所發展的各種無線感測器網路系統的軟硬體平台和性能擴充模組,以「智慧生活」為主題落實於不同的應用情境。
再以「橋梁安全即時監測與預警系統」為例。南投縣集鹿斜張橋於 921 地震後,主塔從橋面以上 25 公尺的混凝土保護層有嚴重剝落現象,還有 L14 的鋼纜脫落、鋼索外皮扯裂、鋼索阻尼脫落、索帽脫落等嚴重破壞,因此選定把 WSN 技術應用於橋體,進行即時全天候的安全監測研究,以防災於未然。
採用的無線感測技術和傳統有線系統相較,除不需另外拉電源、光纖或其他訊號傳輸線外,還可以根據現場狀況,機動調整感測節點的位置。整體監測系統的布設相當方便,可提供一個機動性高、費用低且具彈性的橋梁安全即時監測與預警系統。
在這個應用情境中,無線感測器模組將用於監測現場溫度、溼度、加速度、傾斜度等,並把訊號傳回處理系統,進行結構安全的分析。為驗證這系統的實用性,還以大型吊車拉扯橋體鋼纜,模擬橋體遭受衝擊的情境,並經由所架構的無線感測器網路系統取得橋梁受震動資料。值得一提的是,該無線感測器網路平台系統的各感測節點在遇到干擾而脫離網路後,具有自動回復網路的功能,不需人工重新撥動開關,這特點可減輕現地監測的困擾和風險。
另一應用實例是「智慧居家生活」,主要是生活空間內外環境的感測,如溫度、溼度、照度等,以及空間內居住者的活動行為偵測,例如移動/靜止位置、看電視、聽音樂等,並推論適切服務的提供,增加人機互動的多樣性。
以居家室內環境為例,可布建各種環境感測器,根據環境的狀態和居住者的活動,推論當時的情境,再因應情境對環境做出改變或與使用者作適當的互動。例如,利用溫溼度感測器可以了解目前環境的狀態,並以 RFID 辨識使用者身分,經確認後,根據使用者的喜好,調整為對居住者最舒適的環境狀態,創造能因應生活情境提供相關服務的智慧生活空間,以提升生活品質。
無線感測網路可解決過去實體線路傳輸面臨的問題,克服如高溫危險區域架設線路的困難,和省去布建後的定期維護,並減少大量線路成本,估計約可減少 80%。此外,無線感測網路具備自我組織、修復網路的能力,且機動性高,感測節點易布建。
結合臺灣電子產業的豐富資源和學術界的優異研發能力,共同打造無線感測網路平台,並以平台為基礎,做實地應用示範,必能使無線感測網路普及化。這個新興技術發展潛力無窮,可應用在軍事、環境、健康、居住環境等領域,若能結合無線感測技術與創新想法,嘗試各種應用,有可能對未來生活產生革命性的影響!
資料來源
《科學發展》2010年3月,447期,16 ~ 21頁
無線感測(7)
科發月刊(5221)
推薦文章
114/05/30
從樣本到全貌,估算森林中藏著多少「隱形生物」?
簡永昌
|
科技大觀園特約編輯
儲存書籤
114/06/30
別讓防曬美意變環境負擔!看農業廢棄物如何變身科技材料,吸附水中有害環境荷爾蒙
余國賓
|
國立陽明交通大學 環境與職業衛生研究所教授
儲存書籤
114/05/30
來到臺灣百萬年,山脈與冰河怎麼形塑紅圓翅鍬形蟲的DNA分歧和混血
寒波
|
科技大觀園特約編輯
儲存書籤
114/03/29
氣候預測能準確預警乾旱嗎?從古代天象觀測到 AI 氣候模式
李元傑
|
科技大觀園特約編輯
儲存書籤
OPEN
關於我們
關於我們
文章
熱門文章
最新文章
精選文章
科學專題
影音
科普影片
TechTalk
活動
活動
學生專區
學生專區
回頂部