3. 物聯網網路層: 無線感測網路(Wireless Sensor Network, WSN)

無線感測網路

是由許多在空間中分布的自動裝置組成的一種無線通訊計算機網路,這些裝置使用感測器協作地監控不同位置的物理或環境狀況(比如溫度、聲音、振動、壓力、運動或污染物)。

無線感測器網路的發展最初起源於戰場監測等軍事應用。而現今無線感測器網路被應用於很多民用領域,如環境與生態監測、健康監護、家居自動化以及交通控制等。

無線感測網路的每個節點除配備了一個或多個感測器之外,還裝備了一個無線電收發器、一個很小的微控制器和一個能源(通常為電池)。單個感測器節點的尺寸大到一個鞋盒,小到一粒塵埃。感測器節點的成本也是不定的,從幾百美元到幾美分,這取決於感測器網路的規模以及單個感測器節點所需的複雜度。感測器節點尺寸與複雜度的限制決定了能量、存儲、計算速度與頻寬的受限。

在計算機科學領域,無線感測網路是一個研究熱點,每年都會召開很多的研討會和國際會議。無線感測網路主要包括三個方面:感應,通訊,計算(硬體,軟體,演算法)。其中的關鍵技術主要有無線資料庫技術,比如使用在無線感測器網路的查詢,和用於和其他感測器通訊的網路技術,特別是多次跳躍路由協議。例如摩托羅拉使用在家庭控制系統中的ZigBee無線協議。


應用
無線感測網路有著許多不同的應用。在工業界和商業界中,它用於監測數據,而如果使用有線感測器,則成本較高且實現起來困難。無線感測器可以長期放置在荒蕪的地區,用於監測環境變數,而不需要將他們重新充電再放回去。無線感測網路的應用包括視頻監視,交通監視,航空交通控制,機器人學,汽車,家居健康監測和工業自動化。在環境監控中一個典型的應用就是感測網(Sensor Web,或SW)。最近,感測器網路是用來監視有效利用電力,如日本的例子。

 

sensor network的特點與限制

但是受限於sensor本身是用電池來供應運作所需的能量以及無線電傳輸的距離的限制(一般而言傳輸距離從數公尺到一百公尺不等)。為了節省傳輸時的能量消耗以及距離的問題,因此sensor如果距離基地台太遠時,感測器需要藉由多重跳躍代傳機制(multiple-hop relay)建立網路路由(routing)的方法將資料經由多個感測器組成的路徑傳回基地台。

 

在sensor network上的資料傳送與網路通訊模式

資料通訊(data communication)為sensor network能源消耗最大的部份。為能與其它sensor node或基地台互傳資料,sensor node必需透過無線傳輸的技術發送及接收資料。為能節省能源消耗,sensor network多進行短距離資料傳送。由於降低能源消耗為感測器設計之首要考量,因此除了設計低功率電波收發器外,研究學者亦建議感應器需具有睡眠裝置以節省能源消耗。研究顯示,唯有進入睡眠狀態,收發器方能真正節省能源,但開關收發器(亦即進入睡眠狀態或結束睡眠狀態)所消耗的能源相對而言也是十分可觀。因此如何安排感測器睡眠時程(scheduling)為一重要研究課題。 

在sensor network裡sensor nodes彼此溝通傳遞資料必須建立一個路由樹(routing tree),從傳資料的leaf node端經過中途端點到root node的資料收集點,目前有兩種資料處理及收集的方式。一種是將資料經由routing tree直接傳遞到資料收集端,另一種是採取資料融合(data fusion or data aggregation)的方式,使得節省傳遞資料量的溝通方式。 

Sensor network裡的sensor node除了是前面所介紹的靜態(static)的,也可以依應用的不同而有動態移動(mobile)的sensor node,但是這種static sensor與mobile sensor彼此互相協調,在設計網路架構與溝通協定時又增加不少困難。


搭配不同感應器,WSN可應用的範圍廣
資策會網路多媒體研究所組長洪志宏,是負責研究與協助國內企業應用WSN技術的人員之一。他認為WSN的應用可能性十分廣泛,洪志宏說:「只要能夠做出相 對應的感應器,幾乎所有需要監測的應用,都有可能以WSN技術完成。」他更以世正開發在內湖建置的高級住宅區應用為例,該建案在約50戶大小社區內的中 庭、地下停車場等平面,建置了30幾個可用做人員定位的WSN感應器,每個住戶透過購屋時拿到的訊號發送器,在中庭或是地下停車場,只要遇到危險時,按下 火柴盒大小的訊號發送器上的按鈕,就會立刻透過Zigbee技術傳輸訊號給建置在各處的感應器,這些資料再傳輸至其中一個以固網線路和後端系統連結的感應 器,後端系統便能立刻由訊號的強弱,以及訊號發送器與感應器的相對位置,在監控畫面上顯現出住戶遭遇危險的位置,讓警衛即時前往處理。該建案目前以幾近完 成,預計在今年底至明年初交屋。

洪志宏表示,類似的做法也能用在企業內的人員控管上。許多企業雖然有人員進出控管的機制,但是當來訪人員換了識別證之後,就很難掌握來訪人員在企業內的行 蹤,但若透過一個持續發出訊號的識別裝置,企業只要在室內布建能夠依訊號強弱定位的感應器,就能即時且嚴格把關人員進出的控管。若再與後端的警報系統結 合,當來訪人員走到不受允許進入的區域時,也會自動發出警報。

除了人員定位之外,工研院資訊與通訊研究所副理莊國煜在先前接受訪問時表示,對於建築業來說,隨著搭配的感應器不同,WSN也能應用在各種環境上的監測, 如橋墩傾斜度的定期監測、深開挖工程進度監測等。此外,洪志宏表示,WSN在其他環境狀況監測上的應用也不容忽視,不少建商就有意將WSN技術應用在一氧 化碳濃度監測儀器上,省去布線的成本與難度。

 

傳輸資料至後端的無線技術,攸關WSN建置成本
由上述的案例可以發現,只要有能夠相對應的感應器,WSN技術在前端能夠發展出的應用十分多元。而選擇後端透過RF訊號傳輸的無線網路技術,反而是WSN 技術建置成本的主要影響因素。對此,洪志宏指出,目前看起來以低功率的Zigbee技術為最省錢的布建方式。由於Zigbee技術低功率的特性,如果採用 其做為WSN感應器布建時傳輸到後端資料處理系統的主要技術,與其他無線技術,如Wi-Fi,比較起來,將有省電、便宜且不易互相干擾的優點。「以目前 Zigbee晶片模組的價格來看,每個大約4美元,未來如果WSN應用的量能夠攀升,估計可以降至3.5美元。這對於WSN技術需要大量布建感應器的特性 來說,Zigbee看起來將會是最省錢的布建方法。」洪志宏說。

以目前較強功率的Zigbee感應器來看,1個感應器能夠傳輸的範圍約幾百公尺,而較低功率的感應器,也有50~70公尺的傳輸範圍,已能應付目前絕大多 數的WSN應用。但是若在室內以Zigbee技術做為WSN的後端網路建置,由於其功率低的特性,對於牆壁等障礙物的穿透能力較低,將可能需要布建更多感 應器才能達到WSN應用所需的效果。不過,洪志宏以人員進出管理的應用舉例,即便需要建置的感應器數量可能更多,但由於Zigbee硬體的成本較低,和目 前其他技術作人員進出管理的做法相較,如主動式RFID、Wi-Fi標籤等,整體來說建置的成本還是較為便宜。文⊙劉哲銘

資料來源:維基百科、http://tw.myblog.yahoo.com/jw!TGA3Oi2CFQWBkZ_hwYNXaFonkzdR/article?mid=587http://www.ithome.com.tw/itadm/article.php?c=43347

 

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壹、 無線感測器網路簡介
由於近來微型製造的技術、通訊技術及嵌入式處理技術的迅速提升,促使微小的電子裝置可以內嵌精密感測、計算及通訊等多樣化功能。此類感測器不但能偵測及感應環境的變化,更能分析所蒐集到的資訊,且透過無線通訊的功能將資料傳回至後端的PC 終端機。
近年來眾多研究單位以及產業界人士相當看好這類微小裝置的未來前景以及其所能夠發展之應用,而其中當屬微型無線感測器(Wireless Sensor Network)最受大家注目。由於感測器的硬體設計以成本、體積與耗電為主要考量,因此在無線感測器網路中,裝置節點本身所配備之電源、記憶體以及運算能力均受到極大的限制,因此無線感測器網路是被歸類為一個以任務導向的應用網路型態。
一般無線感測器網路系統架構,首先將大量的感測器(SensorNodes)散佈在待感測區域來蒐集各種環境資料,再藉由無線網路將蒐集的資訊透過無線資料蒐集器傳回給管理者或使用者手中。由於感測器可能在任意散佈的環境下使用,每個感測器並不知道自己與其他感測器的相對位置,因此感測網路必須使用自我組態(self-organization)的協定,將感測器之間自動組織出一個通訊網路,使得所有感測區域中的感測資料皆能透過自我組態所建立的網路,將資料送到無線資料蒐集器。

2002 年夏季,研究人員把許多被稱為「塵埃」的微小型監控元件裝到海燕巢的洞穴中。這些裝置的尺寸只有一對AA 號電池那麼大,並且裝備了一個處理器,一個小量電腦記憶體和監控溫度、濕度、壓力、光與熱量的感測器。這些「塵埃」預示著一個到處是以電池為電源的無線感測器網路的未來,這些感測器監控我們的環境、機器甚至我們自己。
2003 年美國MIT 技術評論(Technology Review) [1]認為,有十種新興技術很快就可以改變計算、醫療、製造、運輸和我們的能源基礎設施。其中排名第一的,即是無線感測器網路 (Wireless Sensor Networks, WSN)。WSN 是由一到數個無線資料收集器以及為數眾多的感測器(sensors)所構成的網路系統,而元件之間的溝通則是採用無線的通訊方式。為了達到大量佈建的目的,無線感測網路必須具備低成本、低耗電、體積小、容易佈建,並具有感應環境裝置,可程式化、可動態組成等特性。
WSN 的發展,最早是美國加州柏克萊大學(UC Berkeley)的一項研究計劃,研究人員利用MEMS 技術,開發出一種體積與普通阿斯匹靈藥片大小相似的感測器,稱為智慧灰塵(smart dust) [2]由於這項計劃是由美國國防部研究計劃單位(DARPA)所資助,原先的構想是應用在軍事上。例如在戰場上,
使用無人駕駛的小飛機,帶著數以百萬的無線感測器,灑在監控敵軍的區域進行蒐集資料任務,一段時間之後,同樣派遣無人駕駛的小飛機,將感測器蒐集到的資料透過無線網路傳回小飛機上,並帶回基地加以分析。如此一來,就不需要冒著極大的危險派遣兵力深入敵方,便可完成蒐集敵軍情報的任務。在加州柏克萊大學的計劃中,研發出的無線感測元件,稱為Mote 系列。 

貮、 WSN 的特點與限制
目前現有的Wireless Ad hoc NETwork (WANET) 的架構是為最接近WSN的架構。雖然它們同為無固定基礎結構(infrastructure)型的網路,但現有的WANET協定及演算法大多無法直接應用到WSN 上。其中最主要的幾個原因如下:
(1) WSN 的節點數常是WANET 的數十倍至數千倍,故需低製造成本。
(2) WSN 節點的體積,能量,運算能力,及記憶體受到極大的限制。
(3) WSN 的節點密度高,且較容易故障,因此需有容錯功能。
(4) WSN 的網路拓樸(topology)時常改變,需有網路自我重建功能。
(5) 大部份的 WANET 使用點對點(point-to-point)通訊,而WSN 主要使用廣播(broadcast)或群播(multicast)通訊,而且需支援多點跳躍傳輸路由(multi-hoprouting)。
(6) 為節省傳輸資料的能量,WSN 的ID (MAC address)將不適用傳統IEEE802系列的6 個位元組。
也由於 WSN 的上述特性,衍生許多有趣的研究題目,是一個跨足多領域與技術的新學門,而相關的學術論文與產業應用也正蓬勃發展中。

參、  無線感測網路的應用

無線感測器網路的應用範圍十分廣泛,許多國內外的研究機構與廠商紛紛投入發展的行列。在本節中,我們將提出與生活或醫療上較有相關性的應用,它們是將無線感測網路帶入人類的生活中的最佳例子。

一、 CodeBlue [3]
美國哈佛大等與其他研究單位共同合作開發出來的平台 CodeBlue,是一套利用無線感測器網路技術,達到遠距醫療看護的系統,無論病患在醫院內或在家中,都能達到醫療照顧的功效。CodeBlue 利用無線感測器來感測資料,且整合PDAs、PCs、以及其它可以用來監控病患的醫療設施,更透過無線感測器網路,進一步將蒐集的資訊傳回醫院的資料蒐集端,使病患有一完整的醫療記錄,達成長期醫療資料收集與觀察。
CodeBlue 研發團隊已開發出極小且可穿戴的無線感測器這些感測器可以收集心跳速率(heart rate)及氧氣飽和率(oxygen saturation)等資訊,利用CodeBlue 系統所提供的路徑(routing)及命名(naming),透過無線感測器網路,將蒐集的資料傳回到PDAs 等終端機。如此,這些資訊便能即時地顯示於終端機上,並即時地和病患醫療記錄做整合。當這些感測器量測到脈搏、呼吸、體溫、血壓等讀數不正常時,會自動引發警告事件,發出聲響,並將這些不正常的讀數變化通報臨近的醫療單位做出適當的因應措施。

二、SmokeNet [5]
美國加州柏克萊大學正在進行一個 Fire Information and Rescue Equipment的專案計畫。此專案為一套改善現今消防救災系統的平台,利用無線感測器網路回報所感測的資訊,搭配其自行開FireEye 防火面罩,能動態地得知火場蔓延狀況,並自動地計算出正確且安全疏散路徑。此專案主要由三個子專案所組成:FireEye、SmokeNet、及eICS。其中SmokeNet 主要由無線感測網路所組成,以下
我們對SmokeNet 進一步介紹。
SmokeNet 為一個動態的無線感測網路,由四種不同的無線模組所成:smokedetectorspotlight、消防員(firefighter)、和eICS,其中因為eICS 為硬體部分,不在此文章探討範圍內,在此便不加以撰寫。
每種不同的模組都有不同的功能:smoke detector 感測模組可以偵測室內的溫度變化及火場濃煙情形,由煙霧及溫度感測器所組成;spotlight 模組為三個LED燈所組成,主要裝設於房間的出入口或出口通道,當消防人員或居民欲進入時,能以視覺上的訊號來通告緊急訊息;消防隊員(firefighter)是具備有行動能力的,每位消防隊員上都攜帶有一個Telos Mote、一個小型可穿戴的電腦、及一個FireEye 消防員防火面罩。當消防隊員進入一個裝設有SmokeNet 的大樓時,SmokeNet 能提供識別及位置資訊給消防隊員,且能經由無線感測網路傳達其他消防隊員的位置資訊及火場位置資訊。而消防隊員身上所穿戴之無線感測器更能隨時監控消防隊員的心跳速率及救災現場的氧氣濃度,並且將此資訊傳達給其他的消防隊員。這些透過無線感測網路傳達至消防隊員的訊息,或者由消防隊員身上穿戴的感測器所感測到的訊息,都能被呈現在FireEye 防火面罩上,藉此能讓消防人員更正確地掌控救災現場,除了加速救災確保居民安全外,同時也能維護救災人員的安危。

三、Elder Healthcare [4]

RFID 為目前業界發展極為迅速的技術產品,Loc Ho 等人便提出一套由RFID 結合無線感測網路所形成的一套居家老人照顧系統.。此套系統利用RFID 辨識物品的功能加上無線感測器網路的資料蒐集與分析,達到監控居家老人定期服用藥劑的功能。首先,先藉由HF RFID reader 和HF RFIDtag 來辨識不同的藥品名稱,並且每一個藥袋上都裝有一個重量感測器,如此便能正確地控制居家老人的藥量,當居家老人不小心記錯該食用之藥量時,此系統能即時透過重量感測器所蒐集到的資料,並加以分析藥量正確與否,進而立即發出警告聲響。
而此系統除了居家老人的藥量控制外,每一個居家老人身上皆穿戴有一個UHFRFID tags,如此便能透過UHF RFID reader 監控居家老人的行踨,而且服用藥劑的時間一到,若重量感測器所回報的資料不正確時,當UHF RFID reader 一偵測到居家老人的標籤時,便會立即發出警告聲響來告知居家老人。

四、iMouse [7]
交通大學資訊工程系亦開發了一套行動無線感測網路系統,該系統除了具有無線感測網路之外,並配有無線感測車,車上搭配有感測器及數位攝影機。該系統將感測網路與行動巡邏概念結合在一起,可應用於家庭保全之中。

肆、  結語
2004 年美國MIT 技術評論的期刊編輯部 [1],從IBM 及通用等大公司和幾所著名的大學聘請了30 名專家,對來自全球600 多位提名者進行了嚴格的評審,篩選出100 名在35 歲以下的青年,為當今世界青年知識分子中的科技創新者。其中Millennial Net 公司創建人兼首席技術官,Sokwoo Rhee 博士(韓裔),設計了超低功率,無線感測器網路,他們的極小尺寸感測器節點技術可用於環境監測、
偵察和健保工作。澳大利亞國立大學講師Shad Roundy 博士,他製成用於無線感測器網路的小發電機,可將很微弱背景震動轉換成電能。
此外,據B&B Electronics 和Sensicast Systems [9] 進行的一項線上調查顯示(2005 年10 月),在200 家業界終端用戶及系統整合商中,有超過53%的公司正考慮在2006 年配置無線感測網路。受訪者中,對無線感應網路特別是工業監控感興趣的人數在持續成長,有73%的受訪者在研究無線網路在其領域中的應用。同時,有33%的受訪者認為,無線感測網路的可靠性是造成配置延誤的主要因。另外,此一線上調查並顯示,2.4GHz 工作頻率是最受青睞的,選擇2.4GHz的受訪者人數是選擇900MHz 的兩倍。
上述兩項評論與調查報告,對WSN 的研究人員與前景不啻是一項鼓舞與肯定。隨著微機電技術的進步與無線傳輸技術之發展,WSN 的應用範圍越來越廣,未來也許在生活中處處充滿著察覺不到的感測器,隨時監控著人們的健康與安全,實現「無所不在」的網路(ubiquitous networking)之願景。

 

參考資料:http://www.ecaa.ntu.edu.tw/weifang/WSN/WSN_ZigBee%20intro.pdf

http://rfid.ctu.edu.tw/01.pdf