无线感测网路的重要性

人与人的沟通可以藉由感官传递讯息，人能够从面部表情和肢体动作，感受到对方喜怒哀乐的变化。处于自然环境，人也能感受四季分明的时节变迁。但是距离时空的局限，让人们无法即时掌握外在环境与实体世界的变化讯息，往往无法适时反应调整，可能错失避险防灾的关键契机，或是因为搜集错误的讯息资料产生误判结果。

人们希望能在自然变迁与生活工作的周遭环境中，即时、正确、清楚地感测、

收集、监控、侦测各类物体变化的讯息，以便作为日后因应分析情势演变的参考依据，进一步缩短人们生活与实体世界之间的无形隔阂。在分散式多频道的远端监控设备、即时资料撷取分析系统、无线通讯传输、嵌入式装置、感测元件与微机电系统（MEMS）等技术革新逐渐成熟且水到渠成之下，无远弗届而多样化应用的无线感测网路（Wireless Sensor Network；WSN）便应运而生。

WSN的起源与前景

1990年代中期，美国国防部高等研究计划局（DARPA）和美国空军（USAF）委托加州柏克莱分校（UC Berkeley）执行一项研究计划，主要是开发应用在军事战场上的无线感测器。 Dust Networks教授与另一位创办人兼技术长Chris Pister，便提出smart dust的概念。研究人员利用MEMS技术，开发出一种体积与阿斯匹灵药片大小相似的感测器。使用无人驾驶的小飞机，带着数百万的无线感测器，洒在敌军控制区域进行资料搜集任务，资料透过无线网路传回小飞机，带回基地加以分析。尔后DARPA给予UC Berkeley为期4年的研究经费，因此开发出Sensor Network知名的OS系统TinyOS，另外NSF也提供5年经费共4000万美元给UCLA大学，研发出结合IEEE 802.15.4 的无线感测元件Mote系列，之后衍生出许多相关技术的研发公司，其中有Intel的Mote 2，Crossbow的Mote-Kit 2400（MICAz）、与Dust Networks的M2020 Mote等。

时至今日，WSN技术已经逐渐成熟。 2006年MIT Technology Review将WSN视为最有潜力改变未来世界的10大技术之一。研究机构On-World则统计，2010年全球工业用WSN应用领域，将会布建4100万组WSN感测节点（WSN Nodes），预估市场规模在53亿美元；商业大楼将会布建3600万个节点，市场规模在14亿美元，全球总共将布建1.27至1.85亿个WSN节点。

WSN的定义与架构

识方科技（Bandwave）技术总监杨曜荣对WSN下了一个清楚明确的定义：WSN主要以自然环境物与物之间的讯息联系为基础，可扩及至多元化的周遭环境，是人与实体世界（ physical world）互动沟通的最佳化媒介。简言之，WSN就是整合实体世界与虚拟网路的沟通桥梁。 WSN的基本架构，就是以布建大量感测元件为节点，建构完整的网际网路，广泛感测撷取实体世界的讯息，进行分析研判，以此提供人们无所不在（Ubiquitous）的资讯服务。

《图一 识方科技所推出的WSN感测模块》

WSN是由一到数个无线资料收集器以及为数众多的感测器（sensors）所构成的网路系统，而元件之间的沟通则是采用无线的通讯方式。基本上，WSN技术可分为无线网路软体技术和感测平台硬体技术，WSN便是整合既有两大技术，开发相关应用平台。 WSN主要以感测器节点（Sensor Node）、无线闸道器（Wireless Gateway）、PC／NB以及资料处理中心（Data Server）所构成。WSN藉由具有通讯能力、布建于生活周遭环境的各种微小感测器，感测到目标物的物理或化学变化后，利用随意网路（Mesh／Ad-Hoc Network）将资讯传给另一感测器，再将资讯传输到Wireless Gateway上，进而将资料传给附近的PC／NB，再把资料传输到Internet，让使用者可远端监视控制目标物的变化资讯，并做好相关因应作为。

WSN的特性与技术要求

由于WSN需要布建大量具有无线传输功能的感测元件，因此整体网路必须具备以下特性：低成本、低耗电、设计弹性高、可用度高、容易布建以及范围广、具有容错功能等。在感测元件上，要符合微细化制程、封装体积小、可编程、可动态组成等特性。因为WSN应用范围广，需要针对不同情境设计出不同的WSN架构，因此并没有固定的基础结构（infrastructure），加上目前传输标准并没有被大厂垄断，有志者均可加入相关开发行列，因此WSN解决方案如雨后春笋般涌现。市场调研机构On World在WSN市场调查报告中便指出，51％的解决方案都是使用自订的无线通讯协定。

《图二 工研院电通所开发的ZigBee无线感测网络节点 》 资料来源：http://www.ntpo.org.tw/www2/chi/news/0601/02.pdf

WSN的主要技术要求，可包括以下部分。

低耗电

因为WSN不会采取线性布建方式，因此功率损耗会提高、节点生命会受到影响。为降低耗电、减少后端闸道器和主机的工作负荷，WSN最主要是采用能减少无线通讯使用时间的8位元控制器为主。通常此类型的节点不会由软体去执行复杂的通讯协定堆叠（protocol stack），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，可以尽量运用各种前处理的演算法，减少使用无线传输的时间与频宽。

避免干扰

感测器的传输距离，会因为障碍物、无线电波RF强度及当地地形受到影响，且布建距离会依据环境应用来设定，因此周详考虑感测器节点的布建涵盖范围与密度，才能使WSN布建最佳化。 WSN感测模组需要加强型的指向型天线并调整发射功率，避免转动设备受到周遭高压电流干扰、降低水气对于2.4GHz频段的干扰、以及Wi-Fi和其他在2.4GHz频段使用的设备干扰。

弹性化网路架构

WSN虽然没有固定的基础结构，不过基本上，硬体平台本身多以32位元处理器为主，配合Linux或是其他功能的作业系统，提供桥接（bridging）资料的服务。另外闸道器需要接收由节点回传的资料，并交由后端资料中心或是主机，因此闸道器通常要有电源供应，以界接传输较为快速的Ethernet、Wi-Fi或ADSL网路。

由于WSN的网路拓朴（topology）时常因应用需要而改变，所以WSN网路需有路由路径（Routing Path）自我重建修复的功能。另外WSN 主要使用广播（broadcast）或群播（multicast）传输讯息，要符合多对多与可双向传输的特性，需支援多点跳跃传输路由（multi-hop routing）。 WSN的传输效能，提供装置之间的资料互通不会因生产设计厂商不同而发生障碍（vender independent），符合长时间、嵌入式、适应变数多的外部应用环境。

WSN技术发展现况

WSN由感测硬体平台以及无线网路软体两大技术构成，前者负责感测器之间沟通的传输介质，目​​前以ZigBee为主要骨干，并辅以搭配RFID以扩展应用范围；后者在韧体、网路软体布建工具等的开发成绩令人瞩目。台湾厂商、国际大厂及研究单位都有成熟的开发成果，准备在WSN市场中大放异彩。

ZigBee将成为WSN传输骨干

ZigBee的技术优势

按照IEEE 802.15.4定义的ZigBee，工作频段可分为一般的2.4GHz、欧洲的868MHz以及美国的915MHz，传输距离不超过75公尺，传输速率介于20kbps～250kbps之间。 ZigBee晶片在传输时消耗功率可控制在27 mA以下，待机可降到0.3μA以下，低耗电待机模式下使用2颗3号电池可驱动6个月之久。

《图三 ZigBee网络拓朴类型 》 数据源：Freescale

ZigBee网路拓墣支援星状（Star）、树状（Cluster Tree）、任意型（Mesh）三种网路拓朴，能连接最高网路节点数，可依不同型态的WSN加以弹性灵活运用。另外ZigBee的安全性优势，在于标准定义以128bit AES作为加解密演算法的方式，目前尚未被破解过，加上标准目前仍未被大厂垄断，因此ZigBee在WSN的应用上更显相得益彰。

《图四 ZigBee在无线通信领域位阶示意图 》 数据源：Freescale

WSN预计将从2007年开始将显现其真正的潜力，目前多项技术和标准仍在争夺主导地位，也间接延缓WSN市场的成长速度。目前ZigBee协定与Zensys的Z-Wave和SmartLabs的Insteon相互竞争，不过现在许多WSN设备使用的还是按IEEE 802.15.4定义的ZigBee晶片，ZigBee仍被业界视为WSN传输标准的主流骨干，On-World便预测，2010年全球WSN应用平台，将有65％采用ZigBee网路协定。

WSN应用ZigBee模组的要点

Freescale亚洲区无线连结营运部门行销经理邝景亮表示，应用在WSN的ZigBee 8位元控制器就已足够，主要强调控制功能、低功耗、体积微细化、并且提升WSN节点之间的资料传输效率，传输容量并不是问题。厂商目前的设计方向是，透过套装平台（Platform in Package）使ZigBee应用基础元件能够整合于在单一套件中，减少元件数目以降低系统成本，并满足WSN要求体积小与低成本的应用需求。因此封装技术也很重要，厂商要能整合32位元MCU、802.15.4收发器、变压器（balun）与RF元件于LGA（land-grid array）中，才能让WSN感测节点体积微细化，来符合多样性外部环境的布建模式。此外感测器的电源管理也是重点，电池要缩到铜板大小，使用标准碱性电池来提供长时间的系统运作寿命，或将锂离子电池或镍镉电池进行最佳化管理设计。

《图五 Freescale亚洲区无线链接营运部门营销经理邝景亮》

资策会网路多媒体研究所目前正在研发以SoC为基础、整合感测器的WSN万用模组，提供投入业者开放性的共通平台模组，依定位、安全、资料传输等特性设计应用内容，借此带动产业链的发展步调。识方科技（Bandwave）也推出Moteiv能够应用在手机、PDA等行动通讯终端产品的WSN模组。 Freescale以ZigBee传输的MCU产品，预计也将在今年Q3出货。

通讯韧体与网路软体

资策会网路多媒体研究所所长冯明惠表示，ZigBee通讯协定韧体程式IZAP（III ZigBee Advanced Platform）已正式通过ZigBee Compliant Platform（ZCP）认证测试，是亚洲第一个、也是全球第五通过认证的组织，并顺利与多家国际大厂完成互通性测试，网多所与Jennic与STG的合作正持续进行，并与Crossbow及Renesas洽谈未来合作计画。

以ZigBee联盟认证的底层平台为基础，目前资策会依ZigBee标准所开发的软体协定技术，包括与达盛电子（UBEC）合作的ZigBee Network Stack，已完成III ZigBee SDK & AT Command Profile，其他还包括安全认证、同步网路分时多工排程、资料串流压缩等。网多所今年在WSN晶片、韧体、布建工具等也会有相关设计方案与产品问世，年底也将推出整合型SoC为基础的ZigBee产品，因应ZigBee新标准今年将大势底定的发展趋势。

《图六 ZigBee Stack Architecture示意图 》 数据源：ZigBee Alliance Manual

另外Freescale推出的TurboLink技术模式设计，可以将ZigBee节点间的资料速率提升至每秒2 megabits，适合支援多样化WSN感测应用环境。邝景亮表示，相关元件可自动在IEEE 802.15.4协定与TurboLink技术封包之间切换，研发人员可充分利用高速传输特性，并且监控ZigBee的网状网路。例如在病患观察系统等医疗照护应用领域，TurboLink技术可藉由病患身上的感应器取得即时资料，透过ZigBee网路传输至中央控管中心。

布建工具

国外大厂像Freescale的BeeKit无线连接工具，可让使用者架设简单的点对点网路到完整的ZigBee为节点的WSN网状网路，多数应用在家庭自动化（Home Automation）的灯光控制部分。台湾则以资策会和台大资工系合作研发的布建工具为主。

网多所冯明惠所长表示，WSN布建工具平台涵盖从节点开始布建前的布建规划工具（deployment planning tool）、布建完成后作为验证规划效果用的网路检视工具（site survey tool）、在感测网路运作中针对所有节点进行状态监控的监控管理工具（monitoring tool）、到发生网路问题时可对无线感测网路进行监测的网路诊断工具（diagnosis tool），使用者输入空间形状与隔间材质等参数设定，就能以3D空间建立无线讯号模型与空间模拟器，计算出感测器最佳化的布建空间地点位置，有助于让感测器读取准确的相关资料，并且可用WinCE平台、PC、PDA等系统终端装置中内建使用布建工具软体，有利于WSN工程与研究人员行动应用的需求，能有效降低90％的布建与测试时间。

《图七 资策会网络多媒体研究所所长冯明惠》

RFID＋ZigBee

Zigbee可以其网路拓墣特性与成本优势，可以作为WLAN以及RFID的中介，并结合RFID的识别长处，以达到物品管理、追踪及定位等目的。 ZigBee＋RFID标签成本虽然较被动式高，但仍具较长的传输距离（hands-free）、可调整危险区域的感应距离、可传输温度数据、可进行人员与物品定位管理等等。最重要的是，RFID＋ZigBee可同时监控庞大的标签数量。

资策会创新应用服务研究所REAP团队（RFID Enabling Application Platform）计画主持人李长修博士认为，RFID加上感测器就能扮演遥测装置（Telemetry）的角色。 RFID应用在WSN架构时，属于大规模分散系统（Large scale distributed system），强调Traceability。不过WSN各类多样性的感测器，彼此电压也不同，降低耗电、读取器不相互干扰、避免无线长距离被干扰等技术难题，都有待克服，同时要让价格成本符合商业化需求才能扩大应用。此外，如何加速RFID前端的资料采样处理过程、避免大量读取资料使验证速度变慢等问题，也有待解决。因此，开发相关软体模组化设计，掌握主导技术知识，会是RFID能否广泛应用在WSN领域的关键。整体而言，李长修博士还是相当看好Metering主动式RFID的应用前景。

《图八 资策会创新应用服务研究所REAP团队（RFID Enabling Application Platform）计划主持人李长修博士》

RFID利用晶片与无线电波存放或辨识资料，具有耐环境、穿透性、可重复读写、非接触式、资料记录多、可同时读取范围内多个RFID Tag等特性。 RFID是种非接触式的感应技术，所储存的资料为电子数据，某些形式的电子标签的记忆体可以反覆被读写，记忆体中可储存电子标签所依附物件的关键数据资讯，并随物件移动而移动，间接提供资料的可携性。

李长修博士进一步说明，目前资策会开发专属RFID存取记忆体，以资料端Data Base格式作为主要架构，开发共通性平台，建立专属事件资料处理模式的快速感测辨识RFID方案。 2009年研发团队将着力研发RFID安全性功能，特别是在协定部分。

WSN应用实例

WSN应用可遍及各类领域，涵盖家庭照明与自动化控制；智慧门禁、人员追踪；工厂自动化控制；居家与社区医疗照护；气候、地震与土石流防范监测；生态环境监控与污染追踪；河川桥梁建筑物的安全监控；库存管理、物流车队调配；导航管理、定位导览；农业与畜牧养殖业管理等等。

Freescale的ZigBee产品，目前便应用在煤矿隧道或捷运隧道中，沿线铺设加设无线感测器，以ZigBee传输方式监控隧道内变化讯息，也有在矿工识别证上加挂ZigBee感测元件以监控人员安全。此外工研院也与台北捷运合作WSN隧道震动监控布建计画。

台湾达盛电子则是以应用自动量测计量仪表系统（Automatic Meter Reading；AMR）为主，将电表、水表、瓦斯表无线化，经由系统的管理监控，随时可监控读数。丹麦电力公司（NESA）已利用Freescale技术在欧洲部署AMR、中国华仪采用Ember技术、南韩RadioPulse采用自身Zigbee晶片应用AMR。

《图九 识方科技总经理张隆策（右）与技术总监杨曜荣（左）》

资策会网多所则与世和数位科技合作，将WSN应用在内湖「世和御苑」集合住宅、以及兴建中的第三期南港软体园区，欲成为全球首座全面使用WSN应用的社区。网多所亦协助易京与台电合作，建立电力状态监测系统，已在嘉义新港完成系统测试，预计在2007年会计年度Q2装设150组电线杆电力监测系统。工研院创意中心、中科院与网多所共同执行的「智慧化居住空间科技整合应用计画」，定位应用在节能环境控制、气体品质监控、访客位置追踪等领域。

李长修博士表示，WSN架构下的RFID应用领域可涵盖Location定位追踪；配销货物库存零售追踪；医疗系统、人员、废弃物与看护管理识别追踪；工业生产制程管理监控等。李长修博士领导的REAP团队，正与环资国际合作，处理有害事业废弃物的感测辨识流程，并和创识科技合作，在文件仓储管理作业上应用RFID。

《图十 无线感测新应用其一：WSN门禁摄影机 》 数据源：Freescale

识方科技投入WSN模组设计经年有成，曾是亚洲唯一受邀参加第三届史丹佛大学TinyOS Tech Exchange大会的企业，发表了植物生理WSN监测系统。目前识方科技主要发展韧体与软体介面为主的模组解决方案，强调网路能自动多重跳接、低耗电、客制化介面与驱动韧体，可用Email及简讯回报异常警讯。识方科技技术总监杨曜荣表示，现在识方科技已将WSN模组应用在面板厂监测制程传动设备领域中，有效提高玻璃面板在运送过程的平整度与良率。由于生产线传动时以每分钟30公尺速度行进，震幅过大会影响面板平整度，因此需要感测器搜集监控震动数据。以往红外线感测的技术缺点，在于红外线有方向性问题，只能定点感测，且一个接收器只能使用一个装置，感测到的数据并不是真正的震动，而是位移数据。 ZigBee讯号便不具方向性问题，加上ZigBee具有性能佳的网路连结能力，一个接收器可同时使用多个设备，不仅提供应用便利弹性，同时也可降低成本。

《图十一 无线感测新应用其二：博物馆感知系统 》 数据源：资策会网多所

WSN未来发展前景

台湾厂商与国外大厂在WSN研发技术上，均有令人亮眼的成绩出现。对于未来的发展前景，识方科技总经理张隆策表示，如何将WSN硬体平台商业化，按照使用者所需设计应用于不同领域的客制化介面解决方案，并同时向业界推广WSN的技术与应用优势，是WSN能否在市场普及化的关键，未来环保监控将会是WSN应用扩展影响力的重要领域。

网多所冯明惠所长认为，开发WSN技术初期阶段，就应与系统业者并肩携手合作，单单凭借研发协定与平台技术，仍无法达到健全WSN产业链与技术商业化的目标，应该着重系统整合（ System Integration）、发挥技术与应用相互协作的特性，才能让WSN开枝散业。因此以关键法人科专计画为基础，着重实用性考量，提供便利性的人机操作的共通介面，突破资料输出入操作的局限，规划WSN省电与布建的辅助关键技术，会是资策会未来开发WSN的重点。

WSN透过ZigBee技术带出应用市场的一片天，让人们开始有机会清楚掌握物与物之间的奇妙讯息变化，渐渐撤除人们生活与周遭多样环境之间的无形藩篱。随着WSN的技术进步与802.15.4／ZigBee等规格的制定，也象征着WSN逐渐走向标准化，如何吸引上下游企业相继投入WSN领域产品的研究与开发，进一步创造产高附加价值的产业链，且让我们拭目以待。