WSN與眾不同之處

無線感測器網路（Wireless Sensor Network；WSN）約是在2000至2001年間開始興起，台灣則是在1到2年後開始重視WSN。相較於今日多數的新無線標準，WSN是很特殊的新應用。

今日無論是Wi-Fi、WiMAX、3G、Bluetooth等新無線標準，其末端發送／接收者用戶都是以人為本，是為了讓人與人溝通便利而設。相對地，WSN的末端用戶，多半是裝設在環境中設備上的感測器或者是致動器（Actuator）等等；與人接觸相關部分，僅有一些屬於監控數據的顯示器、或是監控操作用的按鈕等。簡言之，WSN是為了在環境現場以設備環節裝置進行感測、監督、控制而設。

WSN另一個特性與多數新無線標準所不同的是，多數新無線標準隸屬的傳輸範疇都已獲得確立，例如Wi-Fi屬於無線區域網路、3G是無線廣域網路的主流、Bluetooth在無線個人區域網路及無線免持聽筒方面已經成熟等。而相較之下，以何種主流標準作為WSN領域的輪廓，似乎依舊模糊而尚未成形。

多樣標準在WSN新生階段並存並用

目前為止，WSN領域中最具未來主流發展可能性的標準，似乎是其底層基礎標準為IEEE 802.15.4的ZigBee，不過相關業界對此並非全然認同。自2004年底ZigBee標準頒佈發表後，反而有許多業者與組織陸續提出與ZigBee相同訴求或性質相近的標準。或許有兩種可能來解釋這種趨勢，其一是WSN尚屬新生階段，當前真正具份量的主流標準未成形前，廠商仍有機會爭取按自有標準一統江湖，所以同時期多種標準如雨後春筍般浮現競逐實屬正常，等到大勢底定，主流成熟的標準自然為業界所心悅誠服。

另一種可能，則是目前ZigBee無法滿足WSN領域涵蓋各個層面的多樣需求，WSN的應用範圍非常大，不太容易以單一標準適用於所有類型的空間環境，自然環境監控、醫療環境監控、家庭自動化、設備監控等場合性質幾乎互不隸屬，因此有可能在短期之內，WSN領域仍舊保持多種標準並用並存的狀態。

無論如何，眼前WSN標準眾聲喧嘩是既定事實，而在WSN領域中，各個所推出的新無線標準特性及發展現況為何，便是相關業界開發WSN技術與應用時應該關注的焦點。

Wibree、RuBee、Z-Wave各執擅場

在WSN標準的新生階段，有幾個技術標準動向受到矚目，包括Wibree、RuBee、Z-Wave等等。不過這些新標準技術並不一定與WSN有直接相關，卻都可以作為短距離無線傳輸標準的新款替代方案選項之一。

Wibree

首先來說明Wibree。Wibree是Nokia在2006年10月所提出的技術，Wibree的實體層位元傳輸率僅有1Mbps，收發距離則在30英呎（約10公尺）之內，收發工作頻段為2.4GHz，從這些技術特性來研判，Wibree都與現有Bluetooth 1.x相近，很明顯的Wibree會是Bluetooth的替代性技術。

《圖一　Nokia提出的Wibree無線技術，有很大的意味是為了替代Bluetooth在手機上的應用，Wibree宣稱用電僅Bluetooth的1／10，圖為Wibree標章。 》 資料來源：Wibree.com

作為全球第一的手機大廠，Nokia有為數眾多的手機產品需要內建無線免持聽筒、無線檔案傳輸及列印等功能，這些應用範圍目前大多以Bluetooth技術實現，可是每支使用Bluetooth技術的手機，都需支付技術權利金給授權機構Bluetooth SIG。為節省成本，Nokia便另立Wibree替代方案以合算方式嘗試取代Bluetooth。因此，Wibree與WSN領域並無關連。

《圖二　Wibree技術的通訊協定堆疊圖。 》 資料來源：Wibree.com

RuBee

其次是RuBee。RuBee類似Wi-Fi、WiMAX、ZigBee等發展模式，在底層技術上倚賴IEEE所訂立的標準。RuBee的底層技術為IEEE 1902.1（實體層、資料連結層等規範），不過該標準仍處於提案階段，因此也稱為IEEE P1902.1（P字母為Proposal提案之意），所以RuBee尚未成為正式標準，預計在12～18個月後正式標準便可出爐。

與Wibree相似，RuBee的性質也是以替代性應用為新技術主要考量，其對象正是RFID，不過也有部分互補的用意；因此RuBee在技術特性上，與RFID有諸多差異之處。先以RuBee Tag與RFID Tag來做比較，RFID Tag多為單純的EEPROM記憶體，而RuBee Tag則多為微控制器；RFID Tag多半不帶有電池，也可選用配備，而RuBee Tag幾乎都帶有鋰電池；RuBee Tag的好處在於讀取與寫入標籤資訊時，都只要相同的磁波能量與存取時間，相對地RFID在寫入時需要較多的感應能量以及較長的存取時間。

《圖三　Visible Assets公司所推出的RuBee（IEEE P1902.1）射頻標籤。》 資料來源：www.rfidjournal.com

此外，RuBee能以較低的頻率、較長的波長進行感應，其波段頻率低於450kHz，最佳化的運作頻率則在132kHz。RuBee選擇低頻的主要原因，很可能在於RFID的前車之鑑。在高頻（HF）的RFID感應應用，若RFID Tag所附貼的物品為金屬（如罐頭）或液體（如飲料）時，金屬易造成感應波的反射，以致感應效果變差，而液體更是會吸收感應波，而低頻的RuBee則較無此種問題，製作成本低、並且能夠感應抗雜訊。

另外，RuBee的感應距離在3～30公尺之內，使用鋰電池運作的標籤，可以連續使用10～15年，能與附貼保存品的保存年限內都不用再換替標籤及電池，傳輸率最高可達9600鮑率（Baud），超越一般在1200鮑率的效能。

RuBee的應用範疇與RFID相近，不過RFID並非是WSN，RFID用於器物貨品等物流的感應辨識，嚴格來講WSN應用於設備環境。兩者較相近之處則在於：RFID與WSN都不是Wi-Fi或Bluetooth之類的無線個人網路通訊範疇；此外RFID和RuBee都的應用都以類似傳統條碼呈現，讀取器與標籤之間是1對1、1對多的感應存取模式，連接拓樸層面屬於點對點或星狀（Star）放射，而非WSN的多節點間相互資訊中繼與傳遞（Mesh）。

Z-Wave

再來看看Z-Wave。Z-Wave是丹麥廠商Zensys所創立的無線技術，Zensys為了讓此技術有更高的普及適用性，因此另外成立一個技術標準的管理與推行機構Z-Wave Alliance，由該機構負責標準的後續增訂、修訂，並歡迎其他業者會員的加入與參與。

從技術面來審視Z-Wave，將其歸屬於WSN是恰當的。Z-Wave採行多節點互連的Mesh型連接拓樸，各節點能相互轉傳資訊，並能以低功耗方式運作；節點間的資訊傳遞具有高度即時性、並確保高度正確性，以及資訊內容量小等特點。不過Z-Wave並非是適用所有環境場合，而是集中針對家庭自動化而設計的WSN技術。

《圖四　Zensys公司的Z-Wave系統單晶片ZW0201，宣稱在簡單的應用如感測器、遙控器、門鎖等情況下，只要2個AAA電池即可使用10年。 》 資料來源：www.zen-sys.com

在Zensys尚未提出Z-Wave技術之前，Zensys本就專注於家庭自動化的電子設計方案。由於Z-Wave的一個區網僅只允許設置200多個節點（定址長度8-bit，具體數字是232個），相對地ZigBee卻可以有6萬多個節點（定址長度16-bit，具體數字是65536個），若要進行大型工廠與大面積環境的監控，僅有200多個節點的Z-Wave絕對是不夠的，所以Z-Wave只適合家庭應用，目前主要應用來調整燈光、自動百葉窗、空調等方面，未來則可能用來遙控各種自動化家電或數位家庭概念的相關產品。

再論RuBee

前述的RuBee還有更多的技術細節值得分享。由於RuBee內部一定會包含微控制器、提供基準時脈頻率給微控器的石英震盪器、鋰電池、無線收發天線等零組件，所以業界人士會擔心RuBee Tag的體積是否會大於RFID Tag。不過在技術上典型的RuBee Tag僅有1×1×0.7英吋，有些在厚度體積上還能薄於1.5mm，已與RFID相去不遠。而在標籤內的硬體資源方面，典型RuBee標籤內的4-bit微控器還具有1KB～5KB不等的SRAM記憶體，另外可選擇加裝感測器、或者是簡易的顯示器及按鈕等。

《圖五　典型不具備自有電能的被動式RFID標籤天線》

值得注意的是，RuBee Tag支援IPv4協定，這表示RuBee Tag可透過Internet進行存取。不過近年來IPv4的位址數逐漸不夠配發，因此RuBee Tag可能需要透過內外IP的對應與轉換才能實用，像類似的ZigBee相關增訂標準中，有一項便是能讓ZigBee節點位址與IPv6位址相互對應轉換的機制。

此外RuBee採行可變長度的訊息封包，封包大小約在數十個Byte至數百個Byte之間，同時也支援傳輸加密，目前的安全防護作法近似於一次性金鑰（One Time Key）的概念。

在應用上，RuBee也收到全球賣場廠商與電子資訊化方案業者的支持，賣場業者包括英國Tesco、德國Metro、法國Carrefour、美國Best Buy等都鼎力支持；電子廠商包括HP、IBM、Sony、Panasonic、Motorola、NCR等都鼎力支持。RuBee預計將應用在物流追蹤（倉庫、商店、賣架）、醫療管理（醫院、手術室、醫療設備及器材）、以及農務管制（牲畜、進口動物管制）等領域。

再論Z-Wave

與其他無線技術不同，Z-Wave的發展並沒有以IEEE標準為基礎，這或許是IEEE組織已認定全力發展ZigBee的結果。原本Z-Wave並不被業界看好，但在Cisco採行Z-Wave技術、以及Intel投資Zensys公司及其Z-Wave技術之後，Z-Wave技術受到關注的幅度大大提升起來。之後Microsoft也在.net Micro Framework的預想性應用展示中，應用Z-Wave技術，爾後也有Logitech推出使用Z-Wave技術的家庭遙控器。接連多家國際大廠的積極態度舉動，使業界對於Z-Wave技術更感好奇，甚至許多人將它與ZigBee進行比較。

Z-Wave主要有2個可用的頻段，在歐洲使用868.42MHz，在美國則用908.42MHz，調變上使用GFSK，初期標準傳輸率為9.6kbps，隨後又增訂出40kbps的新速率，且新舊速率的節點可相容共通運作。

在傳輸距離上，Z-Wave在毫無阻隔遮蔽的條件下，兩節點間的傳輸距離可達100英尺（約30公尺），不過當有遮蔽阻隔時，傳輸距離就會縮短，不過仍可穿透阻隔持續完成傳輸，長度縮短的幅度則與阻隔物的材質相關連。此外Z-Wave各節點可以協助資訊轉傳，最多可以跳跨4個裝置節點，若各跨段皆為最遠傳輸的100英呎，則最遠傳遞距離可達400英呎。

除上述特點外，Z-Wave相當低廉簡單，Z-Wave單晶片收發器每顆已低於3美元，且使用8-bit的8051微控制器就可操作，相對的Bluetooth的無線通訊，最少都要32-bit的ARM7處理器才能操控。

不過Z-Wave的缺點在於，不是使用最具全球通訊適用性的ISM頻段，工作頻段沒有可切換的通道（Channel），如此將不易排除干擾，且傳輸上沒有加密的安全防護措施，加上節點數不足，還有其他產銷面的顧慮，因此目前Z-Wave收發器晶片仍由Zensys獨家供應，對欲採行應用的業者而言，仍有供貨源上的難題需克服。

參考方向之一：ODVA機構提出CompoNet網路標準

CompoNet過去在研發階段的專案名稱為「CipNet SA」，之後在2006年4月時由ODVA組織發表，才正式命名為CompoNet。ODVA在訂立CompoNet之前就已訂立過許多網路標準，包括DeviceNet、ControlNet、EtherNet／IP等等。這些網路標準都有共通特性，那就是只定義實體層、連結層、傳輸層的技術標準，更往上的協定層則一律採行CIP（Common Industrial Protocol）協定，所以DeviceNet、ControlNet、EtherNet／IP以及CompoNet等，也都被稱為CIP網路。

《圖六　ODVA組織訂立了各種適用於CIP協定的網路標準，包括DeviceNet、ControlNet、EtherNet/IP等，而最新的成員則是CompoNet。 》 - BigPic:761x638 資料來源：www.odva.org

CompoNet確實是針對感測器、致動器而設計的網路，但卻不是無線網路，而是實線網路。CompoNet採行Master／Slave實體連接架構，網路中最多可以有1個主控（Master）節點、64個中繼器（Repeater）、以及284個Slave節點。在傳輸速率上CompoNet有4Mbps、3Mbps、1.5Mbps以及93.75kbps 等4種速率。

CompoNet在連線長度上最遠可達1500公尺，但是要達到理想值，必須在速率上使用最低的93.75kbps，同時連線架構中必須用上中繼器，線路必須是用Round Cable才行，而CompoNet的Master到Slave之間，最多只能透過3個中繼器。

CompoNet的線路類型與連接拓樸也值得注意。CompoNet的可用線路，除了前述的Round Cable外，還可使用以壓力夾鉗成的IDC連接器IP20。這個被稱為Flat Cable的裝置，除了傳遞信號外，也可以順帶傳輸電力，最高可傳遞直流電壓24V、電流5A的電能，如此就可以在供電狀態下實現節點的新增及移除作業。

《圖七　CompoNet獨有的Flat纜線以及用壓力夾鉗成的IDC連接器。 》 資料來源：www.odva.org

在連接架構上，CompoNet提供2種彈性的連接拓樸，允許使用daisy-chain型態或者是trunk-line型態的連接方式，並可支援階層式連接，同時也提供高可用性（High Availability；HA）的備援連接。目前最先支援CompoNet的業者為日本的歐姆龍（OMRON）與美國洛克威爾自動化（Rockwell Automation）。

參考方向之二：Dusk Network公司提出TSMP通訊協定

TSMP的全稱為Time Synchronized Mesh Protocol，TSMP確實是針對WSN而提出的通訊協定。該協定的內容範疇，在於OSI通訊堆疊模型中的資料連結層、網路層與傳輸層。至於最底層的連結層，則不在TSMP的定義內，不過TSMP在此層次也有2種選擇：直接取用IEEE 802.15.4的定義，即是使用與ZigBee相同的實體層，但只使用2.4GHz的ISM頻段；另一則是使用900MHz頻段，不過卻沒有依循的標準，而是使用專屬性技術來實現。

《圖八　TSMP支援多種連接拓樸，包括網形（Mesh）、星形（Star）、以及星網形（Star Mesh），星網形的內部為網形（交錯性連接），外部為星形（放射性連接）。 》 資料來源：www.dustnetworks.com

TSMP在多方存取上，採行TDMA技術，以時槽（Time Slot）來進行傳輸配置。而為了合乎WSN運用上力求節點省電的應用要求，各節點只有在預先排定的工作排程中、有需要收發傳輸時才會喚醒運作，否則都會進入休眠模式。

此外，TSMP為了能在惡劣環境下也能完成傳輸的應用考量，除了採行與Bluetooth相同的跳頻（Frequency Hopping）技術來抗干擾外，相同的資訊在透過不同節點進行傳遞時，也會換用其他通道（Channel）來傳遞。另外，TSMP也善用Mesh連接拓樸，來做為WSN的容錯與備援網路，同時也在協定中加入多種智慧性機制，使整個WSN運作更為順暢耐用。