無線感測網路的重要性

人與人的溝通可以藉由感官傳遞訊息，人能夠從面部表情和肢體動作，感受到對方喜怒哀樂的變化。處於自然環境，人也能感受四季分明的時節變遷。但是距離時空的侷限，讓人們無法即時掌握外在環境與實體世界的變化訊息，往往無法適時反應調整，可能錯失避險防災的關鍵契機，或是因為蒐集錯誤的訊息資料產生誤判結果。

人們希望能在自然變遷與生活工作的周遭環境中，即時、正確、清楚地感測、

收集、監控、偵測各類物體變化的訊息，以便作為日後因應分析情勢演變的參考依據，進一步縮短人們生活與實體世界之間的無形隔閡。在分散式多頻道的遠端監控設備、即時資料擷取分析系統、無線通訊傳輸、嵌入式裝置、感測元件與微機電系統（MEMS）等技術革新逐漸成熟且水到渠成之下，無遠弗屆而多樣化應用的無線感測網路（Wireless Sensor Network；WSN）便應運而生。

WSN的起源與前景

1990年代中期，美國國防部高等研究計劃局（DARPA）和美國空軍（USAF）委託加州柏克萊分校（UC Berkeley）執行一項研究計劃，主要是開發應用在軍事戰場上的無線感測器。Dust Networks教授與另一位創辦人兼技術長Chris Pister，便提出smart dust的概念。研究人員利用MEMS技術，開發出一種體積與阿斯匹靈藥片大小相似的感測器。使用無人駕駛的小飛機，帶著數百萬的無線感測器，灑在敵軍控制區域進行資料蒐集任務，資料透過無線網路傳回小飛機，帶回基地加以分析。爾後DARPA給予UC Berkeley為期4年的研究經費，因此開發出Sensor Network知名的OS系統TinyOS，另外NSF也提供5年經費共4000萬美元給UCLA大學，研發出結合 IEEE 802.15.4 的無線感測元件Mote系列，之後衍生出許多相關技術的研發公司，其中有Intel的Mote 2，Crossbow的Mote-Kit 2400（MICAz）、與Dust Networks的M2020 Mote等。

時至今日，WSN技術已經逐漸成熟。2006年MIT Technology Review將WSN視為最有潛力改變未來世界的10大技術之一。研究機構On-World則統計，2010年全球工業用WSN應用領域，將會佈建4100萬組WSN感測節點（WSN Nodes），預估市場規模在53億美元；商業大樓將會佈建3600萬個節點，市場規模在14億美元，全球總共將佈建1.27至1.85億個WSN節點。

WSN的定義與架構

識方科技（Bandwave）技術總監楊曜榮對WSN下了一個清楚明確的定義：WSN主要以自然環境物與物之間的訊息聯繫為基礎，可擴及至多元化的周遭環境，是人與實體世界（physical world）互動溝通的最佳化媒介。簡言之，WSN就是整合實體世界與虛擬網路的溝通橋樑。WSN的基本架構，就是以佈建大量感測元件為節點，建構完整的網際網路，廣泛感測擷取實體世界的訊息，進行分析研判，以此提供人們無所不在（Ubiquitous）的資訊服務。

《圖一　識方科技所推出的WSN感測模組》

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。基本上，WSN技術可分為無線網路軟體技術和感測平台硬體技術，WSN便是整合既有兩大技術，開發相關應用平台。WSN主要以感測器節點（Sensor Node）、無線閘道器（Wireless Gateway）、PC／NB以及資料處理中心（Data Server）所構成。WSN藉由具有通訊能力、佈建於生活周遭環境的各種微小感測器，感測到目標物的物理或化學變化後，利用隨意網路（Mesh／Ad-Hoc Network）將資訊傳給另一感測器，再將資訊傳輸到Wireless Gateway上，進而將資料傳給附近的PC／NB，再把資料傳輸到Internet，讓使用者可遠端監視控制目標物的變化資訊，並做好相關因應作為。

WSN的特性與技術要求

由於WSN需要佈建大量具有無線傳輸功能的感測元件，因此整體網路必須具備以下特性：低成本、低耗電、設計彈性高、可用度高、容易佈建以及範圍廣、具有容錯功能等。在感測元件上，要符合微細化製程、封裝體積小、可編程、可動態組成等特性。因為WSN應用範圍廣，需要針對不同情境設計出不同的WSN架構，因此並沒有固定的基礎結構（infrastructure），加上目前傳輸標準並沒有被大廠壟斷，有志者均可加入相關開發行列，因此WSN解決方案如雨後春筍般湧現。市場調研機構On World在WSN市場調查報告中便指出，51％的解決方案都是使用自訂的無線通訊協定。

《圖二　工研院電通所開發的ZigBee無線感測網路節點 》 資料來源：http://www.ntpo.org.tw/www2/chi/news/0601/02.pdf

WSN的主要技術要求，可包括以下部分。

低耗電

因為WSN不會採取線性佈建方式，因此功率損耗會提高、節點生命會受到影響。為降低耗電、減少後端閘道器和主機的工作負荷，WSN最主要是採用能減少無線通訊使用時間的8位元控制器為主。通常此類型的節點不會由軟體去執行複雜的通訊協定堆疊（protocol stack），也不會進行太過繁複的即時運算。但因為on-chip運算的耗電量遠低於無線傳輸，若在反應時間允許的情況下，可以盡量運用各種前處理的演算法，減少使用無線傳輸的時間與頻寬。

避免干擾

感測器的傳輸距離，會因為障礙物、無線電波RF強度及當地地形受到影響，且佈建距離會依據環境應用來設定，因此周詳考慮感測器節點的佈建涵蓋範圍與密度，才能使WSN佈建最佳化。WSN感測模組需要加強型的指向型天線並調整發射功率，避免轉動設備受到周遭高壓電流干擾、降低水氣對於2.4GHz頻段的干擾、以及Wi-Fi和其他在2.4GHz頻段使用的設備干擾。

彈性化網路架構

WSN雖然沒有固定的基礎結構，不過基本上，硬體平台本身多以32位元處理器為主，配合Linux或是其他功能的作業系統，提供橋接（bridging）資料的服務。另外閘道器需要接收由節點回傳的資料，並交由後端資料中心或是主機，因此閘道器通常要有電源供應，以界接傳輸較為快速的Ethernet、Wi-Fi或ADSL網路。

由於WSN的網路拓樸（topology）時常因應用需要而改變，所以WSN網路需有路由路徑（Routing Path）自我重建修復的功能。另外WSN 主要使用廣播（broadcast）或群播（multicast）傳輸訊息，要符合多對多與可雙向傳輸的特性，需支援多點跳躍傳輸路由（multi-hop routing）。WSN的傳輸效能，提供裝置之間的資料互通不會因生產設計廠商不同而發生障礙（vender independent），符合長時間、嵌入式、適應變數多的外部應用環境。

WSN技術發展現況

WSN由感測硬體平台以及無線網路軟體兩大技術構成，前者負責感測器之間溝通的傳輸介質，目前以ZigBee為主要骨幹，並輔以搭配RFID以擴展應用範圍；後者在韌體、網路軟體佈建工具等的開發成績令人矚目。台灣廠商、國際大廠及研究單位都有成熟的開發成果，準備在WSN市場中大放異彩。

ZigBee將成為WSN傳輸骨幹

ZigBee的技術優勢

按照IEEE 802.15.4定義的ZigBee，工作頻段可分為一般的2.4GHz、歐洲的868MHz以及美國的915MHz，傳輸距離不超過75公尺，傳輸速率介於20kbps～250kbps之間。ZigBee晶片在傳輸時消耗功率可控制在27 mA以下，待機可降到0.3μA以下，低耗電待機模式下使用2顆3號電池可驅動6個月之久。

《圖三　ZigBee網路拓樸類型 》 資料來源：Freescale

ZigBee網路拓墣支援星狀（Star）、樹狀（Cluster Tree）、任意型（Mesh）三種網路拓樸，能連接最高網路節點數，可依不同型態的WSN加以彈性靈活運用。另外ZigBee的安全性優勢，在於標準定義以128bit AES作為加解密演算法的方式，目前尚未被破解過，加上標準目前仍未被大廠壟斷，因此ZigBee在WSN的應用上更顯相得益彰。

《圖四　ZigBee在無線通訊領域位階示意圖 》 資料來源：Freescale

WSN預計將從2007年開始將顯現其真正的潛力，目前多項技術和標準仍在爭奪主導地位，也間接延緩WSN市場的成長速度。目前ZigBee協定與Zensys的Z-Wave和SmartLabs的Insteon相互競爭，不過現在許多WSN設備使用的還是按IEEE 802.15.4定義的ZigBee晶片，ZigBee仍被業界視為WSN傳輸標準的主流骨幹，On-World便預測，2010年全球WSN應用平台，將有65％採用ZigBee網路協定。

WSN應用ZigBee模組的要點

Freescale亞洲區無線連結營運部門行銷經理鄺景亮表示，應用在WSN的ZigBee 8位元控制器就已足夠，主要強調控制功能、低功耗、體積微細化、並且提升WSN節點之間的資料傳輸效率，傳輸容量並不是問題。廠商目前的設計方向是，透過套裝平台（Platform in Package）使ZigBee應用基礎元件能夠整合於在單一套件中，減少元件數目以降低系統成本，並滿足WSN要求體積小與低成本的應用需求。因此封裝技術也很重要，廠商要能整合32位元MCU、802.15.4收發器、變壓器（balun）與RF元件於LGA（land-grid array）中，才能讓WSN感測節點體積微細化，來符合多樣性外部環境的佈建模式。此外感測器的電源管理也是重點，電池要縮到銅板大小，使用標準鹼性電池來提供長時間的系統運作壽命，或將鋰離子電池或鎳鎘電池進行最佳化管理設計。

《圖五　Freescale亞洲區無線連結營運部門行銷經理鄺景亮》

資策會網路多媒體研究所目前正在研發以SoC為基礎、整合感測器的WSN萬用模組，提供投入業者開放性的共通平台模組，依定位、安全、資料傳輸等特性設計應用內容，藉此帶動產業鏈的發展步調。識方科技（Bandwave）也推出Moteiv能夠應用在手機、PDA等行動通訊終端產品的WSN模組。Freescale以ZigBee傳輸的MCU產品，預計也將在今年Q3出貨。

通訊韌體與網路軟體

資策會網路多媒體研究所所長馮明惠表示，ZigBee通訊協定韌體程式IZAP（III ZigBee Advanced Platform）已正式通過ZigBee Compliant Platform（ZCP）認證測試，是亞洲第一個、也是全球第五通過認證的組織，並順利與多家國際大廠完成互通性測試，網多所與Jennic與STG的合作正持續進行，並與Crossbow及Renesas洽談未來合作計畫。

以ZigBee聯盟認證的底層平台為基礎，目前資策會依ZigBee標準所開發的軟體協定技術，包括與達盛電子（UBEC）合作的ZigBee Network Stack，已完成III ZigBee SDK & AT Command Profile，其他還包括安全認證、同步網路分時多工排程、資料串流壓縮等。網多所今年在WSN晶片、韌體、佈建工具等也會有相關設計方案與產品問世，年底也將推出整合型SoC為基礎的ZigBee產品，因應ZigBee新標準今年將大勢底定的發展趨勢。

《圖六　ZigBee Stack Architecture示意圖 》 資料來源：ZigBee Alliance Manual

另外Freescale推出的TurboLink技術模式設計，可以將ZigBee節點間的資料速率提升至每秒2 megabits，適合支援多樣化WSN感測應用環境。鄺景亮表示，相關元件可自動在IEEE 802.15.4協定與TurboLink技術封包之間切換，研發人員可充分利用高速傳輸特性，並且監控ZigBee的網狀網路。例如在病患觀察系統等醫療照護應用領域，TurboLink技術可藉由病患身上的感應器取得即時資料，透過ZigBee網路傳輸至中央控管中心。

佈建工具

國外大廠像Freescale的BeeKit無線連接工具，可讓使用者架設簡單的點對點網路到完整的ZigBee為節點的WSN網狀網路，多數應用在家庭自動化（Home Automation）的燈光控制部分。台灣則以資策會和台大資工系合作研發的佈建工具為主。

網多所馮明惠所長表示，WSN佈建工具平台涵蓋從節點開始佈建前的佈建規劃工具（deployment planning tool）、佈建完成後作為驗證規劃效果用的網路檢視工具（site survey tool）、在感測網路運作中針對所有節點進行狀態監控的監控管理工具（monitoring tool）、到發生網路問題時可對無線感測網路進行監測的網路診斷工具（diagnosis tool），使用者輸入空間形狀與隔間材質等參數設定，就能以3D空間建立無線訊號模型與空間模擬器，計算出感測器最佳化的佈建空間地點位置，有助於讓感測器讀取準確的相關資料，並且可用WinCE平台、PC、PDA等系統終端裝置中內建使用佈建工具軟體，有利於WSN工程與研究人員行動應用的需求，能有效降低90％的佈建與測試時間。

《圖七　資策會網路多媒體研究所所長馮明惠》

RFID＋ZigBee

Zigbee可以其網路拓墣特性與成本優勢，可以作為WLAN以及RFID的中介，並結合RFID的識別長處，以達到物品管理、追蹤及定位等目的。ZigBee＋RFID標簽成本雖然較被動式高，但仍具較長的傳輸距離（hands-free）、可調整危險區域的感應距離、可傳輸溫度數據、可進行人員與物品定位管理等等。最重要的是，RFID＋ZigBee可同時監控龐大的標籤數量。

資策會創新應用服務研究所REAP團隊（RFID Enabling Application Platform）計畫主持人李長脩博士認為，RFID加上感測器就能扮演遙測裝置（Telemetry）的角色。RFID應用在WSN架構時，屬於大規模分散系統（Large scale distributed system），強調Traceability。不過WSN各類多樣性的感測器，彼此電壓也不同，降低耗電、讀取器不相互干擾、避免無線長距離被干擾等技術難題，都有待克服，同時要讓價格成本符合商業化需求才能擴大應用。此外，如何加速RFID前端的資料採樣處理過程、避免大量讀取資料使驗證速度變慢等問題，也有待解決。因此，開發相關軟體模組化設計，掌握主導技術知識，會是RFID能否廣泛應用在WSN領域的關鍵。整體而言，李長脩博士還是相當看好Metering主動式RFID的應用前景。

《圖八　資策會創新應用服務研究所REAP團隊（RFID Enabling Application Platform）計畫主持人李長脩博士》

RFID利用晶片與無線電波存放或辨識資料，具有耐環境、穿透性、可重複讀寫、非接觸式、資料記錄多、可同時讀取範圍內多個RFID Tag等特性。RFID是種非接觸式的感應技術，所儲存的資料為電子數據，某些形式的電子標籤的記憶體可以反覆被讀寫，記憶體中可儲存電子標籤所依附物件的關鍵數據資訊，並隨物件移動而移動，間接提供資料的可攜性。

李長脩博士進一步說明，目前資策會開發專屬RFID存取記憶體，以資料端Data Base格式作為主要架構，開發共通性平台，建立專屬事件資料處理模式的快速感測辨識RFID方案。2009年研發團隊將著力研發RFID安全性功能，特別是在協定部分。

WSN應用實例

WSN應用可遍及各類領域，涵蓋家庭照明與自動化控制；智慧門禁、人員追蹤；工廠自動化控制；居家與社區醫療照護；氣候、地震與土石流防範監測；生態環境監控與污染追蹤；河川橋樑建築物的安全監控；庫存管理、物流車隊調配；導航管理、定位導覽；農業與畜牧養殖業管理等等。

Freescale的ZigBee產品，目前便應用在煤礦隧道或捷運隧道中，沿線鋪設加設無線感測器，以ZigBee傳輸方式監控隧道內變化訊息，也有在礦工識別證上加掛ZigBee感測元件以監控人員安全。此外工研院也與台北捷運合作WSN隧道震動監控佈建計畫。

台灣達盛電子則是以應用自動量測計量儀表系統（Automatic Meter Reading；AMR）為主，將電表、水表、瓦斯表無線化，經由系統的管理監控，隨時可監控讀數。丹麥電力公司（NESA）已利用Freescale技術在歐洲部署AMR、中國華儀採用Ember技術、南韓RadioPulse採用自身Zigbee晶片應用AMR。

《圖九　識方科技總經理張隆策（右）與技術總監楊曜榮（左）》

資策會網多所則與世和數位科技合作，將WSN應用在內湖「世和御苑」集合住宅、以及興建中的第三期南港軟體園區，欲成為全球首座全面使用WSN應用的社區。網多所亦協助易京與台電合作，建立電力狀態監測系統，已在嘉義新港完成系統測試，預計在2007年會計年度Q2裝設150組電線桿電力監測系統。工研院創意中心、中科院與網多所共同執行的「智慧化居住空間科技整合應用計畫」，定位應用在節能環境控制、氣體品質監控、訪客位置追蹤等領域。

李長脩博士表示，WSN架構下的RFID應用領域可涵蓋Location定位追蹤；配銷貨物庫存零售追蹤；醫療系統、人員、廢棄物與看護管理識別追蹤；工業生產製程管理監控等。李長脩博士領導的REAP團隊，正與環資國際合作，處理有害事業廢棄物的感測辨識流程，並和創識科技合作，在文件倉儲管理作業上應用RFID。

《圖十　無線感測新應用其一：WSN門禁攝影機 》 資料來源：Freescale

識方科技投入WSN模組設計經年有成，曾是亞洲唯一受邀參加第三屆史丹佛大學TinyOS Tech Exchange大會的企業，發表了植物生理WSN監測系統。目前識方科技主要發展韌體與軟體介面為主的模組解決方案，強調網路能自動多重跳接、低耗電、客製化介面與驅動韌體，可用Email及簡訊回報異常警訊。識方科技技術總監楊曜榮表示，現在識方科技已將WSN模組應用在面板廠監測製程傳動設備領域中，有效提高玻璃面板在運送過程的平整度與良率。由於生產線傳動時以每分鐘30公尺速度行進，震幅過大會影響面板平整度，因此需要感測器蒐集監控震動數據。以往紅外線感測的技術缺點，在於紅外線有方向性問題，只能定點感測，且一個接收器只能使用一個裝置，感測到的數據並不是真正的震動，而是位移數據。ZigBee訊號便不具方向性問題，加上ZigBee具有性能佳的網路連結能力，一個接收器可同時使用多個設備，不僅提供應用便利彈性，同時也可降低成本。

《圖十一　無線感測新應用其二：博物館感知系統 》 資料來源：資策會網多所

WSN未來發展前景

台灣廠商與國外大廠在WSN研發技術上，均有令人亮眼的成績出現。對於未來的發展前景，識方科技總經理張隆策表示，如何將WSN硬體平台商業化，按照使用者所需設計應用於不同領域的客製化介面解決方案，並同時向業界推廣WSN的技術與應用優勢，是WSN能否在市場普及化的關鍵，未來環保監控將會是WSN應用擴展影響力的重要領域。

網多所馮明惠所長認為，開發WSN技術初期階段，就應與系統業者並肩攜手合作，單單憑藉研發協定與平台技術，仍無法達到健全WSN產業鏈與技術商業化的目標，應該著重系統整合（System Integration）、發揮技術與應用相互協作的特性，才能讓WSN開枝散業。因此以關鍵法人科專計畫為基礎，著重實用性考量，提供便利性的人機操作的共通介面，突破資料輸出入操作的侷限，規劃WSN省電與佈建的輔助關鍵技術，會是資策會未來開發WSN的重點。

WSN透過ZigBee技術帶出應用市場的一片天，讓人們開始有機會清楚掌握物與物之間的奇妙訊息變化，漸漸撤除人們生活與周遭多樣環境之間的無形藩籬。隨著WSN的技術進步與802.15.4／ZigBee等規格的制定，也象徵著WSN逐漸走向標準化，如何吸引上下游企業相繼投入WSN領域產品的研究與開發，進一步創造產高附加價值的產業鏈，且讓我們拭目以待。