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。
表一 主要國家發展Sensor Network的比較 <資料來源:工研院IEK,2006年8月>
國家 |
日本 |
韓國 |
美國 |
台灣 |
政府單位
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總務省推出U-Japan |
情報通訊部 推出U-Korea |
1、美國國防部高等研究計劃局
2、美國空軍
3、美國CIA
4、DoD (Department of Defense) |
經濟部技術處 |
主要投入者 |
產業界:
日立、新力、理光、富士通、三菱、富士全錄、NTT DoCoMo、橫河電機等
學界:
慶應大學等 |
產業界:
Samsung |
學界:
UC Berkeley、UCLA
產業界:
Dust Networks、Crossbow Technology、MSI |
財團法人:
工研院、資策會
學界:
清大、台大、交大、逢甲等 |
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。
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 》](/art/2007/06/011200514424/p2.gif)
《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 |
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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 》](/art/2007/06/011200514424/p3.gif)
《圖三 ZigBee網路拓樸類型 》 | 資料來源:Freescale |
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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 》](/art/2007/06/011200514424/p4.gif)
《圖四 ZigBee在無線通訊領域位階示意圖 》 | 資料來源:Freescale |
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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。
表二 ZigBee在WSN的技術優勢 <資料來源:163.23.45.9:8080/rueychi/course/RFID/ZigBeeRFID.ppt>
Feature(s) |
IEEE 802.11b |
Bluetooth |
ZigBee |
電源持續力 |
hours |
days |
years |
複雜度 |
Very complex |
complex |
Simple |
節點數 |
Many |
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建立連線速度 |
Upto 3 seconds |
Upto 10 seconds |
30 ms |
傳輸距離 |
100m |
10m |
70m ~ 300m |
擴充性 |
Roaming possible |
no |
Yes |
資料傳輸率 |
11 Mbps |
1 Mpbs |
250 Kbps |
安全性 |
SSID |
64bit, 128bit |
128bit AES |
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》](/art/2007/06/011200514424/p5.gif)
《圖五 Freescale亞洲區無線連結營運部門行銷經理鄺景亮》 |
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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 》](/art/2007/06/011200514424/p6.gif)
《圖六 ZigBee Stack Architecture示意圖 》 | 資料來源:ZigBee Alliance Manual |
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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。
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。
表三 ZigBee RFID與Active RFID的主要差異 <資料來源:163.23.45.9:8080/rueychi/course/RFID/ZigBeeRFID.ppt>
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ZigBee Tag |
Active RFID Tag |
雙向傳輸 |
優 |
良 |
網路涵蓋範圍 |
大 |
中 |
抗同頻干擾 |
強 |
弱 |
最大標籤數 |
65535 |
200~1000 |
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》](/art/2007/06/011200514424/p8.gif)
《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》 |
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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)》](/art/2007/06/011200514424/p9.gif)
《圖九 識方科技總經理張隆策(右)與技術總監楊曜榮(左)》 |
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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 》](/art/2007/06/011200514424/p10.gif)
《圖十 無線感測新應用其一:WSN門禁攝影機 》 | 資料來源:Freescale |
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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 》](/art/2007/06/011200514424/p11.gif)
《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 |
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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。