无线传感器网络的技术关键与应用.docx

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无线传感器网络的技术关键与应用

无线感测网路关键技术与应用

由WSN的应用需求来看，似乎较可以用由上到下（Top-down）的方式来了解各个细节。

解决方案部分，还有很多的应用都是使用特殊规格的通讯协定，整个应用平台的关键模组包括处理器、无线通讯基础硬体模组、天线设计、网路通讯协定、感测器、IEEE1451规格、闸道器硬体平台等。

WSN的感测资料处理可应用SWE规格的感测器服务内容。

环境因素、耗电量、硬体与通讯的可靠度、感测器功能等等变数，都是布建WSN应考量的重点。

因此，以技术带动应用、以应用检视技术，便是WSN架构的主要特点。

前言

随着台湾e化、m化、以及u化脚步的演进，嵌入式系统已被广泛应用在各个领域，包括工业应用、生活与建筑自动化、多媒体应用等等，这也让无线感测网路（WirelessSensorNetwork；WSN）这个概念越来越常见。

例如不论是使用Bluetooth、UWB（UltraWideBand）、ZigBee乃至于RFID等等协定，只要是使用无线通讯，包括两个以上的节点（Node），每个节点配合一至多个感测器（Sensor），这样都可以广义的被归纳在属于「无线感测网路」的范畴内。

由WSN的应用需求来看，似乎较可以用由上到下（Top-down）的方式来了解各个细节，并研究可能衍生的问题。

因此，在介绍WSN各个层面的关键技术时，相关应用案例的辅助说明也是非常重要的；亦即以技术分析为核心、应用介绍为辅，进而可清楚勾勒WSN的轮廓。

简介WSN发展现况和解决方案

WSN是先由美国国防部（DAPRA）资助、以UCBerkeley以及UCLA为首进行研究并开发应用，国外的平台提供商大概则有CrossbowTechnology、Moteiv、ScalableNetworkTechnologies（SNT）、以及DustNetworks等。

Crossbow利用UCBerkeley的Mica节点，配合Intel的Stargate闸道器，在Cisco以及Intel的赞助下，开发了提供使用者布建WSN所需的软体工具与平台。

另一家Moteiv也是由UCBerkeley的技术团队成立，并沿用TinyOS系统，提供使用者快速布建的解决方案。

SNT则是根据UCLA的GloMoSim模拟程式，提供了一套可混合模拟有线与无线网路的QualNet模拟器。

这套模拟器能有效帮助使用者针对复杂的异质网路进行分析，协助规划和评估效能。

DustNetworks则是由包括UCBerkeley教授KrisPister的团队所创立，提供给使用者很快就能上手使用的「黑盒子式」硬体平台。

藉由XMLRPC标准，使用者即可命令闸道器读取节点资料，而节点也会根据布建时的设定自行组成网路。

从应用布建的观点而言，Crossbow与Moteiv应用TinyOS相关系统，可以发展的弹性非常大，适合掌握网路架构与系统技术的服务提供商。

而DustNetworks提供较为单纯的使用者介面，以利使用者专心发展应用层面，而不必去对网路层多做了解。

两套解决方案都各有市场，使用者可依据自身技术背景以及应用需求选择。

台湾厂商单位包括华宝、台达电、资策会与工研院等都有提供完整的WSN平台，今年国科会也极力推动WSN开放平台，希望藉由开放原始码的力量，统一WSN应用平台的开发规格。

目前在WSN解决方案部分，还有很多的应用都是使用特殊规格的通讯协定。

例如DustNetworks的SmartDust，即是使用特殊自有规格的无线通讯协定。

另外在实际布建方案上，Honeywell在办公室与住宅自动化已经有推出使用ZigBee的无线感测网路解决方案。

台湾的识方科技则是针对监控与安全相关的应用提供相关解决方案。

整体而言，居家自动化与安全监控算是感测网路的应用重点，不过在无线化方面则是尚未找到利基，故仍未开始大量布建应用。

简介WSN平台硬体与系统架构

根据WSN的特性来看，整个应用平台的几个关键模组、其中相关技术内容如下。

处理器

WSN的节点，为了因应低功率的消耗条件，通常都使用低耗电的8位元处理器。

此类型节点也不会由软体去执行复杂的通讯协定堆叠（protocolstack），也不会进行太过繁复的即时运算。

但因为on-chip运算的耗电量远低于无线传输，若在反应时间允许的情况下，可以尽量利用各种前处理的演算法来减少使用无线传输的时间与频宽。

8051、Microchip的PIC、Atmel的AVR、以及Freescale的MC1321x系列，都是目前在WSN应用上广被采用的处理器解决方案。

德州仪器（TI）也推出了一款16位元的MSP430处理器，虽然运作时脉较低，但是却非常省电，目前Tmote等硬体平台都使用MSP430作为运算处理器。

但是若要让处理器直接面对于ZigBee网路协定，同时还要加上一些即时的前处理运算，对于8位元处理器的效能来说可能会有所不足。

因此Intel的Mote2、Jennic的JN5121、以及工研院的CX32都是以32位元处理器为主，配合可以再进一步微调的软体网路协定，不但可以加强整个网路的容错性，也提供更多的计算能力来完成可能的资料前处理以及更多智慧型的即时判断。

无线通讯基础硬体模组（PHY、MAC）

目前WSN并没有特别规定使用的无线通讯基础硬体以及通讯协定，在基础硬体模组方面，许多厂商皆是以IEEE802.15.4或是自订标准来实现WSN。

至于在RF设计方面，目前国外的Chipcon、Freescale、Microchip、Atmel、Nordic以及Jennic等都有自行开发支援IEEE802.15.4相关RF模组。

台湾则有达盛电子开发自有的IEEE802.15.4RF模组。

天线设计与其他干扰考量

WSN的使用环境，会因为不同应用可能产生相当大的差异，天线设计在整个WSN的应用建置非常重要，例如野外环境监测的感应节点位置可以固定，但可能因节点之间布建距离较长因素，需要使用加强型的指向性天线并调整发射功率。

再者，外在环境因素会影响无线通讯的品质，这包括转动设备与周围高压电流的干扰、水气干扰2.4GHz频段、以及WiFi和其他在2.4GHz频段使用的设备干扰等等，都会影响整体WSN的效能。

因此如何针对不同应用，设计或变更可对应配合的天线、并选择适当的发射功率，已是WSN平台设计考虑的重要项目之一。

网路通讯协定（NetworkProtocol）

节点与闸道器之间的通讯拓谱（topology）部分，以往很多WSN的应用都是单纯以IEEE802.15.4来实作点对点（pointtopoint）以及单点对多点（star）的网路。

近年来Zigbee网路通讯协定代表着网路通讯规格趋向智能化的方向，并针对不同的应用功能制定profile，以达到提升效能与低耗电作用。

Zigbee联盟由HomeRF联盟分出后，便有许多厂商加入参与，主要推动厂商有Chipcon、Freescale、Honeywell、Motorola、Philips、Samsung、Siemens、TI等等。

在台湾目前也有工研院、资策会以及达盛电子（Ubec）等投入。

Zigbee硬体装置基本上分为协同器（Coordinator）、全功能装置（FullFunctionDevice）以及精简功能装置（ReducedFunctionDevice）。

Zigbee在PHY以及MAC层都是建构于IEEE802.15.4协定上，而网路拓谱则可以是星状（Star）或是任意（Mesh）型态。

Zigbee网路由协同器建立子网路的拓谱，并具有自我容错功能，因此在应用方面深具弹性、且具有强度（robustness）。

感测器（Sensor）

感测器大略可分为类比式与数位式感测器，基本上动作方式可能相同，例如透过化学的侦测器或是机械的力学作用等、然后造成电流或是电压的变化，类比式感测器就是直接将这个电流或是电压的变化输出，而数位式感测器则内建一个类比数位转换器（A／DConverter）来将感测器测得结果以数位方式传送。

针对不同应用，WSN的感知节点上会使用不同的感测器，诸如荷重、扭力器、光感应器、温度湿度感测器、位移器、速度与加速度器等等。

IEEE1451规格

由于感测器广泛被应用在工业控制、自动化、飞行器与航空、建筑与土木、甚至在生化科技等领域，因此如何制订智慧型转换器介面规格（SmartTransducerInterfaceStandards），让感测器能顺利地与网路、系统、处理器或是另一套感测器进行界接，以降低开发复杂度与研发成本，此即是IEEE1451制订的主要目的。

IEEE1451的精神在于转换器电子资料表单（TransducerElectronicDataSheets；TEDS），此表单就是在转换器上的一个记忆体装置，纪录转换器ID、校正、量测资料、量测范围以及制造相关资讯等等。

藉由此电子资料表单资讯，让使用者在使用有线或是无线连接情况下，都可以利用共通的介面存取感测器的数值。

目前IEEE1451家族有从0到6编号、共7个workinggroup正在进行研究与规格制订。

其中，与WSN关系密切的IEEE1451.5，定义了转换器与具有网路功能的应用处理器（NetworkCapableApplicationProcessor）的介面，以及转换器上具有无线通讯功能的转换器电子资料表单规格。

简言之，大家可以把IEEE1451.5看成是运作在protocolstack上的应用层。

基于大家所熟悉的802.11（Wi-Fi）、802.15.1（Bluetooth）、以及802.15.4（Zigbee）等通讯协定，去制订发现感测器、通讯、以及读取转换器电子资料表单的相关规格。

目前欲克服推广IEEE1451的难题在于，如何降低提供TEDS功能所衍生出来的额外成本。

感测器若提供TEDS晶片功能，成本可能会提高10％到15％。

虽然一些供应商认为，整体测量系统的成本会偏重于资料撷取系统（DataLogger）以及相关软体部分，但目前IEEE1451推动进度缓慢，代表市场反应确实仍在观望。

不过今年3月，IEEE1451.5无线感测器规格已经被IEEE协会认可为Full-UseStandard，往后应会鼓励许多通讯系统整合业者纷纷加入WSN的应用层面。

闸道器（Gateway）硬体平台

闸道器一般需要接收由节点回传的资料，并转交给后端资料中心或是主机，因此闸道器通常都有电源供应（pluggedpower），并连接至较为快速的网路如Ethernet、Wi-Fi或ADSL。

硬体平台本身多以32位元处理器为主，配合Linux或是其他功能较为强大的作业系统，提供桥接（bridging）资料的服务。

WSN的感测资料处理

WSN资料处理特性

目前市面上的无线感测平台，多以无线模组为基础元件，加上使用者所选用的通讯堆叠，提供一个可以进行无线通讯的终端节点（EndNode）。

根据不同应用，这些节点可能配备不同的感测器。

无线感测装置的耗电量、硬体与通讯的可靠度，都是需留意的重点。

针对不同的应用与情境，系统解决方案提供者需要去定义感测时间长度以及周期，除了会影响感测的正确性，也会对硬体平台的耗电量产生影响，也因为订定方式因地制宜，所以难有通用准则。

不过撷取资料后的处里，使用者可用OpenGeospatialConsortium（OGC）组织所制订的开放规格来进行讨论。

应用SWE规格的感测器服务

最初OGC组织是以地理资讯系统的web化出发，希望把大地监控等相关地理资讯应用，透过web简单介面让使用者轻松了解使用，不过这些规格其实是可以广义地扩展应用到WSN领域，因此SensorWebEnablement（SWE）规格也逐渐完成。

使用者可将SWE规格视为许多webservice服务的组合。

若IEEE1451系列规格是要制定感测器与系统、或是通讯网路之间的介面（TEDS），那么SWE则是想提供一个从感测网路使用者或是管理者的眼光所看到的需求。

由（图一）可知，SWE对于感测网路提供四种基础服务，分别是感测器观察服务（SensorObservationService；SOS）、感测器排程规划服务（SensorPlanningService；SPS）、网页介面通知服务（WebNotificationService；WNS）以及感测器警示服务（SensorAlertService；SAS）。

《图一　SWE基础服务示意图》

SOS感测服务

感测器观察服务（SOS）主要回复使用者感测平台所具有的能力以及所配备的感测器功能，并进一步接受使用者的查询。

沟通规格则是以一套XML的延伸语法SensorML进行资料交换，这里以一个在工厂内监控马达振动的WSN范例来说明，如（图二）所示。

《图二　工厂内监控马达振动的WSN范例》

例如，使用者希望知道过去5个月马达振动的纪录，因此对SOS服务提出GetObservation的要求。

透过web形式的使用者介面，使用者送出「回传过去5个月平均振动的数值」此一讯息。

这个要求被转换成SensorML形式后，传送到马达监控WSN后台系统，后台系统就从历史纪录中取出相关数值，再转换为SensorML回传。

事先定义的SensorML介面，可以让WSN所需要的客制化使用者介面迅速地被制作出来，而WSN的应用多样且少量，此一共通化规格能让WSN的发展更为快速。

SPS与SAS感测服务

有了SOS这个例子，我们就可以很快的了解其他服务的涵义。

感测器排程规划服务（SPS）就是提供使用者规划感测动作项目。

例如范例中的马达振动感测系统，每星期就进行一次感测工作，每次进行十分钟纪录。

要求规定后，马达监控WSN后台系统就会评估感测系统状况，并回复使用者此次排程内容。

根据排程使用者可以订阅马达振动警告，当测量到马达的振动超过一定数值，便发出警讯通知使用者注意，这就是感测器警示服务（SAS），如（图三）所示。

《图三　SPS与SAS感测服务示意图》

WNS感测服务

另外使用者排程完毕之后，感测系统所测量的结果都可以透过网页介面通知服务（WNS）告知使用者，其结果也可以透过不同的介面如手机简讯或是email等方式来显现。

与SOS相比，SOS像是一个根据SensorML进行「查询－＞回复」的机制，而WNS则是提供多样的告知功能，让使用者完成感测工作排程之后透过不同方式收到通知。

（图四）是在工研院内部工厂所布建的一个案例图示。

管理者可以经由WNS服务，定期收到工厂内部温湿度与一氧化碳数值；工厂安全监控主机可以透过SOS与SPS服务收集感测器的资料；公共安全与消防人员就会由SAS提供警示服务，在发现有不正常状态出现的时候，即时反应与支援。

《图四　工研院内部工厂布建SWE感测服务网路示意图》

SWE规格的优势

此由OGC组织提出的SWE规格，最主要是根据web-baseservice概念，以一套已提供完整定义的SensorML，订定命令与讯息交换格式。

在WSN环境中，此规格能让系统业者在面对各种应用时，于微调自己的软体元件以后，便可即时迅速提出相对应的系统解决方案与介面应用内容，并且能和其他使用OGC的SWE规格产品互相界接，并且反过来加速WSN的应用广度。

展示使用者介面

在使用介面端，目前Microsoft提供一套SensorMap介面，SensorMap，能让使用者建立具有地理位置资讯的感测器，如IP-Camera、温度计等等，并让感测器的结果直接在Microsoft的地图图资上读取，并提供过滤与搜寻等功能，如（图五）所示。

《图五　具有地理位置资讯感测功能的使用介面》

结合地理资讯位置的感测器网路，虽然不见得是以无线通讯为后端，但是这个使用者介面倒是提供一个不错的思考点：

WSN布建成千上万的感测器时，使用者介面该如何呈现，如何能让使用者迅速找到相关感测资料，这些都是需要进一步去整合的课题。

工研院WSN领域的发展现况

工研院目前积极从应用端角度开发WSN的解决方案，目前针对工业以及家庭应用多有着墨，马达振动、桥梁倾斜、工厂安全防灾、家庭自动化与安全监测等应用，都会是发展重点。

在底层技术方面，工研院使用ChipconCC2430／CC2431的RF晶片，并自行开发与ZigBee相容并提升网路强度与通讯可靠度的通讯堆叠。

（图六）展示工研院自行整合开发的WSN硬体平台，分别有ChipconCC2430／CC2431为核心的RF模组、USB模组、以及具有感测器延伸介面并可使用9V电池的WSN节点模组，适合厂商或使用者针对WSN进一步应用开发与整合。

《图六　工研院自行整合开发的WSN硬体平台》

另外还有功能较强以ARM／Linux为主的32位元powernode模组，适合想要研究通讯堆叠、或是需要快速整合不同感测器、并且以Linux系统为主开发的学界或是系统整合商。

工程应用实例：

桥梁监控自动化

以前的布建方式

台北桥桥墩的监控方式，原本采用有线加上两个倾斜感测器，让感测器讯号可透过延伸到桥面的缆线，让工程人员在现场读取，如（图七）所示。

《图七　有线感测方式的桥墩监控现场》

若需被监控的桥梁数量多，工程人员往返各检测点的时间就会拉长，紧急状况需在短时间内对多座桥梁进行检测的要求便无法达到。

自动化WSN桥梁监测透过统一的后端介面软体，免牵线不用到场，简便的附挂式布建能够发挥无线通讯功能的效益。

WSN桥墩监控应用

（图八）即为三联科技、台北科技大学、以及工研院合作的WSN应用示意图，已在台北桥实际示范布建。

《图八　布建于台北桥的WSN应用现场示意图》

此WSN布建设施使用与原本在桥墩上同型号的倾斜感测器，利用感测节点上类比转换数位（AnalogtoDigital；A2D）的处理功能，将感测器的数值转换为数位讯号以后，透过2.4GHz无线传输RF装置回传至主机端纪录。

（图八）箭头所标示处，即为无线感测节点的布建位置，资料主机设置于桥头并提供电源。

为求测试数据与平台的稳定度，无线感测节点每2分钟就由感测器收集一笔资料传回，测量频率以及电源消耗模式可于大量布建时再进行最佳化调整，并按ZigBee特性进一步规划整个应用布建架构。

有鉴于每个桥墩都需要受到监控，工程人员把每个无线感测节点平行于桥面走向的方式布建，以避免无线讯号被桥墩遮蔽。

同一排的无线感测节点可以利用接力（RelayorHopping）特性，协助距离资料主机较远的节点传送资料。

由于2.4GHz频段很容易受到水气影响的因素，因此在实地测试时，最好是以下雨时的通讯范围作为考量，无线装置本身也需注意避免直接日照高温导致运作不正常的变数。

若资料主机可透过ADSL或是3G网路卡提供上网功能，工程人员则能在任意存取网路的地方，观察所有无线感知节点的最新状况。

WSN布建需先现场勘验

WSN应用环境所需关照的复杂变数可见一斑。

天线及整体网路的强度常受到环境影响，包括金属遮蔽物、水气、高压电流干扰等等，因此WSN布建作业事先需作现场勘查与相关测试。

但是相较于单价较无弹性的无线通讯装置、单晶片模组、或是通讯协定，若能结合应用DomainKnowledge提供解决方案，不但进入障碍高，相对而言也可以获得较高获利。

结语

无线RF以及硬体平台市场竞争激烈，使用者介面的后端软体系统以及解决方案技术非常关键，将会决定厂商能否在WSN领域脱颖而出。

若WSN应用的解决方案提供者，能结合具有DomainKnowledge的服务提供厂商，合作由应用方面建构进入障碍，并配合相关营运模式，应可开拓另一片不同于大量生产与杀价的蓝海天地。