無線感測網路技術：無線感測器網路平台及應用
99/03/09
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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！
