WSN与众不同之处

无线感测器网路（Wireless Sensor Network；WSN）约是在2000至2001年间开始兴起，台湾则是在1到2年后开始重视WSN。相较于今日多数的新无线标准，WSN是很特殊的新应用。

今日无论是Wi-Fi、WiMAX、3G、Bluetooth等新无线标准，其末端发送／接收者用户都是以人为本，是为了让人与人沟通便利而设。相对地，WSN的末端用户，多半是装设在环境中设备上的感测器或者是致动器（Actuator）等等；与人接触相关部分，仅有一些属于监控数据的显示器、或是监控操作用的按钮等。简言之，WSN是为了在环境现场以设备环节装置进行感测、监督、控制而设。

WSN另一个特性与多数新无线标准所不同的是，多数新无线标准隶属的传输范畴都已获得确立，例如Wi-Fi属于无线区域网路、3G是无线广域网路的主流、Bluetooth在无线个人区域网路及无线免持听筒方面已经成熟等。而相较之下，以何种主流标准作为WSN领域的轮廓，似乎依旧模糊而尚未成形。

多样标准在WSN新生阶段并存并用

目前为止，WSN领域中最具未来主流发展可能性的标准，似乎是其底层基础标准为IEEE 802.15.4的ZigBee，不过相关业界对此并非全然认同。自2004年底ZigBee标准颁布发表后，反而有许多业者与组织陆续提出与ZigBee相同诉求或性质相近的标准。或许有两种可能来解释这种趋势，其一是WSN尚属新生阶段，当前真正具份量的主流标准未成形前，厂商仍有机会争取按自有标准一统江湖，所以同时期多种标准如雨后春笋般浮现竞逐实属正常，等到大势底定，主流成熟的标准自然为业界所心悦诚服。

另一种可能，则是目前ZigBee无法满足WSN领域涵盖各个层面的多样需求，WSN的应用范围非常大，不太容易以单一标准适用于所有类型的空间环境，自然环境监控、医疗环境监控、家庭自动化、设备监控等场合性质几乎互不隶属，因此有可能在短期之内，WSN领域仍旧保持多种标准并用并存的状态。

无论如何，眼前WSN标准众声喧哗是既定事实，而在WSN领域中，各个所推出的新无线标准特性及发展现况为何，便是相关业界开发WSN技术与应用时应该关注的焦点。

Wibree、RuBee、Z-Wave各执擅场

在WSN标准的新生阶段，有几个技术标准动向受到瞩目，包括Wibree、RuBee、Z-Wave等等。不过这些新标准技术并不一定与WSN有直接相关，却都可以作为短距离无线传输标准的新款替代方案选项之一。

Wibree

首先来说明Wibree。 Wibree是Nokia在2006年10月所提出的技术，Wibree的实体层位元传输率仅有1Mbps，收发距离则在30英呎（约10公尺）之内，收发工作频段为2.4GHz，从这些技术特性来研判，Wibree都与现有Bluetooth 1.x相近，很明显的Wibree会是Bluetooth的替代性技术。

《图一 Nokia提出的Wibree无线技术，有很大的意味是为了替代Bluetooth在手机上的应用，Wibree宣称用电仅Bluetooth的1／10，图为Wibree标章。 》 数据源：Wibree.com

作为全球第一的手机大厂，Nokia有为数众多的手机产品需要内建无线免持听筒、无线档案传输及列印等功能，这些应用范围目前大多以Bluetooth技术实现，可是每支使用Bluetooth技术的手机，都需支付技术权利金给授权机构Bluetooth SIG。为节省成本，Nokia便另立Wibree替代方案以合算方式尝试取代Bluetooth。因此，Wibree与WSN领域并无关连。

《图二 Wibree技术的通讯协议堆栈图。 》 数据源：Wibree.com

RuBee

其次是RuBee。 RuBee类似Wi-Fi、WiMAX、ZigBee等发展模式，在底层技术上倚赖IEEE所订立的标准。 RuBee的底层技术为IEEE 1902.1（实体层、资料连结层等规范），不过该标准仍处于提案阶段，因此也称为IEEE P1902.1（P字母为Proposal提案之意），所以RuBee尚未成为正式标准，预计在12～18个月后正式标准便可出炉。

与Wibree相似，RuBee的性质也是以替代性应用为新技术主要考量，其对象正是RFID，不过也有部分互补的用意；因此RuBee在技术特性上，与RFID有诸多差异之处。先以RuBee Tag与RFID Tag来做比较，RFID Tag多为单纯的EEPROM记忆体，而RuBee Tag则多为微控制器；RFID Tag多半不带有电池，也可选用配备，而RuBee Tag几乎都带有锂电池；RuBee Tag的好处在于读取与写入标签资讯时，都只要相同的磁波能量与存取时间，相对地RFID在写入时需要较多的感应能量以及较长的存取时间。

《图三 Visible Assets公司所推出的RuBee（IEEE P1902.1）射频卷标。》 数据源：www.rfidjournal.com

此外，RuBee能以较低的频率、较长的波长进行感应，其波段频率低于450kHz，最佳化的运作频率则在132kHz。 RuBee选择低频的主要原因，很可能在于RFID的前车之鉴。在高频（HF）的RFID感应应用，若RFID Tag所附贴的物品为金属（如罐头）或液体（如饮料）时，金属易造成感应波的反射，以致感应效果变差，而液体更是会吸收感应波，而低频的RuBee则较无此种问题，制作成本低、并且能够感应抗杂讯。

另外，RuBee的感应距离在3～30公尺之内，使用锂电池运作的标签，可以连续使用10～15年，能与附贴保存品的保存年限内都不用再换替标签及电池，传输率最高可达9600鲍率（Baud），超越一般在1200鲍率的效能。

RuBee的应用范畴与RFID相近，不过RFID并非是WSN，RFID用于器物货品等物流的感应辨识，严格来讲WSN应用于设备环境。两者较相近之处则在于：RFID与WSN都不是Wi-Fi或Bluetooth之类的无线个人网路通讯范畴；此外RFID和RuBee都的应用都以类似传统条码呈现，读取器与标签之间是1对1、1对多的感应存取模式，连接拓朴层面属于点对点或星状（Star）放射，而非WSN的多节点间相互资讯中继与传递（Mesh）。

Z-Wave

再来看看Z-Wave。 Z-Wave是丹麦厂商Zensys所创立的无线技术，Zensys为了让此技术有更高的普及适用性，因此另外成立一个技术标准的管理与推行机构Z-Wave Alliance，由该机构负责标准的后续增订、修订，并欢迎其他业者会员的加入与参与。

从技术面来审视Z-Wave，将其归属于WSN是恰当的。 Z-Wave采行多节点互连的Mesh型连接拓朴，各节点能相互转传资讯，并能以低功耗方式运作；节点间的资讯传递具有高度即时性、并确保高度正确性，以及资讯内容量小等特点。不过Z-Wave并非是适用所有环境场合，而是集中针对家庭自动化而设计的WSN技术。

《图四 Zensys公司的Z-Wave系统单芯片ZW0201，宣称在简单的应用如传感器、遥控器、门锁等情况下，只要2个AAA电池即可使用10年。 》 数据源：www.zen-sys.com

在Zensys尚未提出Z-Wave技术之前，Zensys本就专注于家庭自动化的电子设计方案。由于Z-Wave的一个区网仅只允许设置200多个节点（定址长度8-bit，具体数字是232个），相对地ZigBee却可以有6万多个节点（定址长度16-bit，具体数字是65536个），若要进行大型工厂与大面积环境的监控，仅有200多个节点的Z-Wave绝对是不够的，所以Z-Wave只适合家庭应用，目前主要应用来调整灯光、自动百叶窗、空调等方面，未来则可能用来遥控各种自动化家电或数位家庭概念的相关产品。

再论RuBee

前述的RuBee还有更多的技术细节值得分享。由于RuBee内部一定会包含微控制器、提供基准时脉频率给微控器的石英震荡器、锂电池、无线收发天线等零组件，所以业界人士会担心RuBee Tag的体积是否会大于RFID Tag。不过在技术上典型的RuBee Tag仅有1×1×0.7英吋，有些在厚度体积上还能薄于1.5mm，已与RFID相去不远。而在标签内的硬体资源方面，典型RuBee标签内的4-bit微控器还具有1KB～5KB不等的SRAM记忆体，另外可选择加装感测器、或者是简易的显示器及按钮等。

《图五 典型不具备自有电能的被动式RFID卷标天线》

值得注意的是，RuBee Tag支援IPv4协定，这表示RuBee Tag可透过Internet进行存取。不过近年来IPv4的位址数逐渐不够配发，因此RuBee Tag可能需要透过内外IP的对应与转换才能实用，像类似的ZigBee相关增订标准中，有一项便是能让ZigBee节点位址与IPv6位址相互对应转换的机制。

此外RuBee采行可变长度的讯息封包，封包大小约在数十个Byte至数百个Byte之间，同时也支援传输加密，目前的安全防护作法近似于一次性金钥（One Time Key）的概念。

在应用上，RuBee也收到全球卖场厂商与电子资讯化方案业者的支持，卖场业者包括英国Tesco、德国Metro、法国Carrefour、美国Best Buy等都鼎力支持；电子厂商包括HP、IBM、Sony、Panasonic 、Motorola、NCR等都鼎力支持。 RuBee预计将应用在物流追踪（仓库、商店、卖架）、医疗管理（医院、手术室、医疗设备及器材）、以及农务管制（牲畜、进口动物管制）等领域。

再论Z-Wave

与其他无线技术不同，Z-Wave的发展并没有以IEEE标准为基础，这或许是IEEE组织已认定全力发展ZigBee的结果。原本Z-Wave并不被业界看好，但在Cisco采行Z-Wave技术、以及Intel投资Zensys公司及其Z-Wave技术之后，Z-Wave技术受到关注的幅度大大提升起来。之后Microsoft也在.net Micro Framework的预想性应用展示中，应用Z-Wave技术，尔后也有Logitech推出使用Z-Wave技术的家庭遥控器。接连多家国际大厂的积极态度举动，使业界对于Z-Wave技术更感好奇，甚至许多人将它与ZigBee进行比较。

Z-Wave主要有2个可用的频段，在欧洲使用868.42MHz，在美国则用908.42MHz，调变上使用GFSK，初期标准传输率为9.6kbps，随后又增订出40kbps的新速率，且新旧速率的节点可相容共通运作。

在传输距离上，Z-Wave在毫无阻隔遮蔽的条件下，两节点间的传输距离可达100英尺（约30公尺），不过当有遮蔽阻隔时，传输距离就会缩短，不过仍可穿透阻隔持续完成传输，长度缩短的幅度则与阻隔物的材质相关连。此外Z-Wave各节点可以协助资讯转传，最多可以跳跨4个装置节点，若各跨段皆为最远传输的100英呎，则最远传递距离可达400英呎。

除上述特点外，Z-Wave相当低廉简单，Z-Wave单晶片收发器每颗已低于3美元，且使用8-bit的8051微控制器就可操作，相对的Bluetooth的无线通讯，最少都要32-bit的ARM7处理器才能操控。

不过Z-Wave的缺点在于，不是使用最具全球通讯适用性的ISM频段，工作频段没有可切换的通道（Channel），如此将不易排除干扰，且传输上没有加密的安全防护措施，加上节点数不足，还有其他产销面的顾虑，因此目前Z-Wave收发器晶片仍由Zensys独家供应，对欲采行应用的业者而言，仍有供货源上的难题需克服。

参考方向之一：ODVA机构提出CompoNet网路标准

CompoNet过去在研发阶段的专案名称为「CipNet SA」，之后在2006年4月时由ODVA组织发表，才正式命名为CompoNet。 ODVA在订立CompoNet之前就已订立过许多网路标准，包括DeviceNet、ControlNet、EtherNet／IP等等。这些网路标准都有共通特性，那就是只定义实体层、连结层、传输层的技术标准，更往上的协定层则一律采行CIP（Common Industrial Protocol）协定，所以DeviceNet、ControlNet、EtherNet／ IP以及CompoNet等，也都被称为CIP网路。

《图六 ODVA组织订立了各种适用于CIP协议的网络标准，包括DeviceNet、ControlNet、EtherNet/IP等，而最新的成员则是CompoNet。 》 - BigPic:761x638 数据源：www.odva.org

CompoNet确实是针对感测器、致动器而设计的网路，但却不是无线网路，而是实线网路。 CompoNet采行Master／Slave实体连接架构，网路中最多可以有1个主控（Master）节点、64个中继器（Repeater）、以及284个Slave节点。在传输速率上CompoNet有4Mbps、3Mbps、1.5Mbps以及93.75kbps 等4种速率。

CompoNet在连线长度上最远可达1500公尺，但是要达到理想值，必须在速率上使用最低的93.75kbps，同时连线架构中必须用上中继器，线路必须是用Round Cable才行，而CompoNet的Master到Slave之间，最多只能透过3个中继器。

CompoNet的线路类型与连接拓朴也值得注意。 CompoNet的可用线路，除了前述的Round Cable外，还可使用以压力夹钳成的IDC连接器IP20。这个被称为Flat Cable的装置，除了传递信号外，也可以顺带传输电力，最高可传递直流电压24V、电流5A的电能，如此就可​​以在供电状态下实现节点的新增及移除作业。

《图七 CompoNet独有的Flat缆线以及用压力夹钳成的IDC连接器。 》 数据源：www.odva.org

在连接架构上，CompoNet提供2种弹性的连接拓朴，允许使用daisy-chain型态或者是trunk-line型态的连接方式，并可支援阶层式连接，同时也提供高可用性（High Availability；HA ）的备援连接。目前最先支援CompoNet的业者为日本的欧姆龙（OMRON）与美国洛克威尔自动化（Rockwell Automation）。

参考方向之二:Dusk Network公司提出RTMP通讯协定

TSMP的全称为Time Synchronized Mesh Protocol，TSMP确实是针对WSN而提出的通讯协定。该协定的内容范畴，在于OSI通讯堆叠模型中的资料连结层、网路层与传输层。至于最底层的连结层，则不在TSMP的定义内，不过TSMP在此层次也有2种选择：直接取用IEEE 802.15.4的定义，即是使用与ZigBee相同的实体层，但只使用2.4GHz的ISM频段；另一则是使用900MHz频段，不过却没有依循的标准，而是使用专属性技术来实现。

《图八 TSMP支持多种连接拓朴，包括网形（Mesh）、星形（Star）、以及星网形（Star Mesh），星网形的内部为网形（交错性连接），外部为星形（放射性连接）。 》 数据源：www.dustnetworks.com

TSMP在多方存取上，采行TDMA技术，以时槽（Time Slot）来进行传输配置。而为了合乎WSN运用上力求节点省电的应用要求，各节点只有在预先排定的工作排程中、有需要收发传输时才会唤醒运作，否则都会进入休眠模式。

此外，TSMP为了能在恶劣环境下也能完成传输的应用考量，除了采行与Bluetooth相同的跳频（Frequency Hopping）技术来抗干扰外，相同的资讯在透过不同节点进行传递时，也会换用其他通道（Channel）来传递。另外，TSMP也善用Mesh连接拓朴，来做为WSN的容错与备援网路，同时也在协定中加入多种智慧性机制，使整个WSN运作更为顺畅耐用。