無線感測器網路平台及應用

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  • 時間:2010/3/10 下午 06:06:00
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無線感測器網路平台及應用

無線感測器網路平台及應用

隨著科技日新月異,無線通訊已取代過去有線的溝通方式,成為生活中不可或缺的一部分。無論何時,只要在可接收到訊號的地方,撥打手機便可和家人朋友通話;拿著配備無線網卡的電腦就可連上網路,隨時接收最新資訊。

早在 1993 年,日本 Hitachi 公司就提出把感測網路的概念應用於下水道監測系統的構想,但礙於線路配置和感測器設置的問題,感測網路只能使用在某些特定的高成本監測儀器上。直到 2000 年,加州大學柏克萊分校提出以無線傳輸為基礎的無線感測器網路(wireless sensor network, WSN),才解決了有線傳輸產生的問題。因為應用層面廣泛,學術和產業界都投入這研究領域,使無線感測網路迅速發展。

在無線感測網路中,感測器和無線網路是兩大核心。整個系統是由大量具備通訊能力的感測節點組成,元件上可攜載各式的感測器,測量溫度、溼度、光度、加速度、壓力、聲音等,且這些感測節點有自我組織網路的能力,每個都代表網路中的一個節點,可透過網路把感測器蒐集到的資訊回傳到主控端。

現今由於微機電系統和奈米科技的進步,感測器體積不斷縮小,已可使攜有各式微感測器的元件結合無線傳輸通訊網路,大量散布在環境中,組成無線感測網路。這技術可以隨時提供必需的資訊,應用在生活中便可達成現今對於樂活環境的要求,包含便利、安全、舒適、節能等。

美國 MIT《技術評論》認為,無線感測器網路技術是未來新興科技中最重要的一項關鍵性技術;美國《商業周刊》也預測,無線感測網路是未來 4 大新技術之一。因此可預見 WSN 的廣泛應用是一種趨勢,在未來的 5 至 10 年,會對許多產業和日常生活帶來衝擊性的影響。

無線感測網路技術發展

無線感測網路最初由加州大學柏克萊分校的「智慧粉塵(Smart Dust)」計畫提出,並由美國國防部贊助,應用於軍事相關的情報蒐集。這計畫主要是發展一套微小的感測節點,大小如粉塵一般,可懸浮在空中,負責監視敵軍和蒐集情報。爾後,如加州大學洛杉磯分校、麻省理工學院陸續研發不同的感測節點,以擴展無線感測網路的應用,例如生態環境的監測、森林火災防護、健康醫療、居家照護等。

在生態環境的監測上,把體積輕巧、攜有定位功能的感測節點裝置在生物體上,如鳥類、小型動物、昆蟲等,就可追蹤動物的生活作息及遷移活動。在森林火災防護方面,把大量感測器分布在森林內,當環境溫度異常時,就發出警告訊息給林管單位,只要及時處理,便可防止火災蔓延,以免造成災害及重大損傷。

除了學界的研發之外,一些知名企業也陸續以加州大學柏克萊分校開發的Mote為雛形,進一步發展各自的感測節點硬體並使其商業化。

平台架構

無線感測器網路平台可分為軟體和硬體兩大主軸。軟體包含通訊協定、感測節點所使用的作業系統、定位功能所需的演算法、網路的安全和管理等;硬體則有感測節點硬體、微感測器電路模組等。

自無線感測網路概念提出後,各研究團隊都開發各自的平台,種類繁多,其中以加州大學柏克萊分校研發的 Mote 最具代表性。這些平台彼此不相容,加上成本過於昂貴,造成無線感測網路的發展近乎被壟斷,相關研究和應用無法普及化。

臺灣擁有電子相關製造業的優勢,加上學術界具備軟體、韌體和人機介面研發能力,若能凝聚產學界的力量,制定共同平台規範,並依據這規範量身打造無線感測器硬體和優良的無線感測網路平台,必可為無線感測網路奠定發展的良好基礎。因此,國科會提出「無線感測器網路技術前瞻研究」專案計畫,想建立一套完整的無線感測器網路共同平台,和研發跨領域的整合應用服務,結合產學界力量,打造屬於臺灣本土的技術,並本著學術資源共享的原則,把這些硬體設計架構和軟體程式開放給各界自由使用。

無線感測器網路主要由眾多的感測器節點構成,每一個節點都包含4大單元:感測單元、處理單元、無線傳輸單元及電源供應單元。

感測單元 由種類繁多的微感測器所構成,負責環境參數和資訊的量測,如溫度、溼度、光度、加速度、壓力、聲音、煙、紅外線、化學物品等,並把蒐集到的類比訊號傳送到訊號轉換元件,轉換成數位訊號。

處理單元 類似個人電腦中的中央處理機,負責執行程式碼、協調並控制不同的單元,或接收命令啟動感測單元蒐集環境資訊,並在經過處理後,透過傳輸單元把資料發送回去。這單元包含小型儲存單元,以儲存蒐集到的環境資訊。

無線傳輸單元 負責感測節點和其他節點之間的溝通,並把感測器的資料傳送給資料收集器,可因環境需求選擇不同的傳輸波段,包括紅外線、無線電波等。

電源供應單元 主要用來提供感測器節點硬體動作所需的能源,一般可選擇標準的鋰電池,或可從環境中擷取能量的太陽能電池。

在平台規劃中,依在感測網路中所扮演的角色,節點分為基礎節點與進階節點。針對這兩種不同的功能需求,分別設計合適的硬體規格,並設置閘道扮演無線感測網路系統和主控端的媒介。

基礎節點是無線感測網路中的最底層,耗能和運算能力最低,具感測和通訊能力,數量最多且分布最廣,負責感測大範圍環境,並把收集的資料回傳。在硬體設計上,微處理器選擇 Silicon Lab 的 C8051F411,它有兩種時脈可供選擇,能讓基礎節點在傳送資料時全速運作,其餘時間則處在休眠狀態,以達到省電的目的。

進階節點是系統中的中階硬體,負責建立、維護路由和管理網路,可下令允許新節點加入或要求節點離開網路。相較於基礎節點,進階節點須有較高的運算能力,且耗能較多,因此在硬體設計上,選用由德州儀器設計、運算能力較強且低耗能的 MSP430F1611,使用 3 伏特電壓源,在室溫的環境下以 32 KHz 的時脈運作時,消耗的電流不超過 3 微安培。

閘道是做為無線感測網路和使用者之間溝通的橋梁,整合不同 RF 通訊協定,可利用 USB 介面輕易地和個人電腦連接,且大部分工作由電腦完成,硬體本身進行指令和資料轉遞。因電源直接由電腦提供,所以不需和節點一樣考慮耗能問題。

無線感測網路平台以 ZigBee 為主要無線通訊協定。ZigBee 針對無線感測網路需求,制定低消耗功率、低速率(250 Kbs)、短距離(50 ~ 100 m)、網路架構簡單的通訊協定,並可支援星形、網形、樹形等網路拓樸。

無線感測網路的應用

在「無線感測器網路技術前瞻研究計畫」中,除了平台開發外,更以實體情境展示應用成果,共有遠距醫療診斷的應用、智慧居家與環境安全的應用、生態監測與預警的應用、土石流監測的應用、微氣候監測控制的智慧型建築、智慧型數位生活空間的應用、居家遠距監控與自主管理系統的應用等 8 項。期望藉由以上示範開啟先例,讓無線感測網路技術得以落實,並提升國內相關技術的研發能力。

在智慧居家與環境安全應用示範的計畫中,由臺灣大學應用力學研究所、機械工程研究所、資訊工程研究所、電子工程研究所、工程科學與海洋工程研究所,和交通大學資訊工程研究所等跨校跨領域軟硬體研發團隊,所發展的各種無線感測器網路系統的軟硬體平台和性能擴充模組,以「智慧生活」為主題落實於不同的應用情境。

再以「橋梁安全即時監測與預警系統」為例。南投縣集鹿斜張橋於 921 地震後,主塔從橋面以上 25 公尺的混凝土保護層有嚴重剝落現象,還有 L14 的鋼纜脫落、鋼索外皮扯裂、鋼索阻尼脫落、索帽脫落等嚴重破壞,因此選定把 WSN 技術應用於橋體,進行即時全天候的安全監測研究,以防災於未然。

採用的無線感測技術和傳統有線系統相較,除不需另外拉電源、光纖或其他訊號傳輸線外,還可以根據現場狀況,機動調整感測節點的位置。整體監測系統的布設相當方便,可提供一個機動性高、費用低且具彈性的橋梁安全即時監測與預警系統。

在這個應用情境中,無線感測器模組將用於監測現場溫度、溼度、加速度、傾斜度等,並把訊號傳回處理系統,進行結構安全的分析。為驗證這系統的實用性,還以大型吊車拉扯橋體鋼纜,模擬橋體遭受衝擊的情境,並經由所架構的無線感測器網路系統取得橋梁受震動資料。值得一提的是,該無線感測器網路平台系統的各感測節點在遇到干擾而脫離網路後,具有自動回復網路的功能,不需人工重新撥動開關,這特點可減輕現地監測的困擾和風險。

另一應用實例是「智慧居家生活」,主要是生活空間內外環境的感測,如溫度、溼度、照度等,以及空間內居住者的活動行為偵測,例如移動/靜止位置、看電視、聽音樂等,並推論適切服務的提供,增加人機互動的多樣性。

以居家室內環境為例,可布建各種環境感測器,根據環境的狀態和居住者的活動,推論當時的情境,再因應情境對環境做出改變或與使用者作適當的互動。例如,利用溫溼度感測器可以了解目前環境的狀態,並以 RFID 辨識使用者身分,經確認後,根據使用者的喜好,調整為對居住者最舒適的環境狀態,創造能因應生活情境提供相關服務的智慧生活空間,以提升生活品質。

無線感測網路可解決過去實體線路傳輸面臨的問題,克服如高溫危險區域架設線路的困難,和省去布建後的定期維護,並減少大量線路成本,估計約可減少 80%。此外,無線感測網路具備自我組織、修復網路的能力,且機動性高,感測節點易布建。

結合臺灣電子產業的豐富資源和學術界的優異研發能力,共同打造無線感測網路平台,並以平台為基礎,做實地應用示範,必能使無線感測網路普及化。這個新興技術發展潛力無窮,可應用在軍事、環境、健康、居住環境等領域,若能結合無線感測技術與創新想法,嘗試各種應用,有可能對未來生活產生革命性的影響!

本文取自 國科會

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