无线感测器的软硬体架构与相关应用简介国立中兴大学蔡智强课件.ppt

1、 What is WSNs?設計考量 硬體規格 軟體規格 相關開發工具 學術上的研究 生活上的應用 結語 What is WSNs?設計考量 硬體規格 軟體規格 相關開發工具 學術上的研究 生活上的應用 結語 WSNs：Wireless Sensor Networks.無線感測網路。針對使用者所需要監控之區域，佈署大量具有感測能力及通訊能力之節點（Sensor Node），這些節點所形成之網路系統，即可稱為無線感測網路。WSNs：在系統中的各個節點，各自進行感測、運算及儲存，之後透過無線傳輸的方式，經由其它節點或是直接地將資料傳回到資料聚集中心。資料聚集中心除了負責資料之蒐集，同時也可用來發起

2、一個網路並充當協調者的角色。使用者將可從資料聚集中心來取得所需要的資料，並加以使用這些資料。WSNs：基於上述的運作原理，這些無線感測節點並不需要安裝太多昂貴的晶片及元件；並可視不同的應用，安裝不同的元件，更能減少無線感測節點的成本。利用大量佈署節點，來達到等同於一些昂貴器材的效能，這更是無線感測網路的特色之一。WSNs：美國早於越戰期間便有類似的概念。在地面上佈署音響感測器，用來偵察裝甲車以及部隊所造成的地面震動，利用C130運輸機將空投式振動偵測裝置（The air-delivered seismic detection,ADSID）空投到越南這個巨大的戰爭實驗場。WSNs：在1999年，

3、美國著名商業週刊（Business Week）就提到了這個可能成為21世紀最偉大發明的無線感測網路。WSNs：在2003年IEEE Journals，CHEE-YEE CHONG、SRIKANTA P.KUMAR 也在其著作“Sensor Networks:Evolution,Opportunities,and Challenges.”中，提到無線感測網路，並且以Cheap,smart devices來稱呼它。WSNs：由於微電子技術的進步，使得WSNs的相關元件成本得以下降至合理的範圍，成本的下降也讓更多人願意嘗試這項新科技以取代傳統的監控方式。WSNs：傳統的監控任務，通常是人工的方式進行

4、監控，或者是利用感測器收集資料後，再經由人工的方式回收資料至中央控制端。相較於上述的方式，WSNs有著全自動的資料回收流程，利用無線網路的傳輸，即可有效率的回收感應到的資料。WSNs：一些相關的通訊及計算的演算法也在同步發展中，讓這個電力資源有限的無線感測網路系統，能夠得到最高的效率。What is WSNs?設計考量 硬體規格 軟體規格 相關開發工具 學術上的研究 生活上的應用 結語 無線感測器設計的時候，主要有幾個需要考量的因素，如：運作環境.擴充性.硬體成本.電量消耗.容錯能力.網路拓樸.不同的無線感測網路應用，搭配上不同的設計，除了可以有效的節省成本外，也可以得到更高的系統效能。設計考

5、量：運作環境：無線感測網路的應用範圍相當廣泛，如：居家照護、野生動物追蹤、森林火災監測、化學環境監測以及戰場監測等。感測器的設計必須能夠因應各種不同環境而有不同的設計，以便更快速且正確地蒐集不同環境所產生的資料。設計考量：擴充性：依照應用的不同，感測器所需的數量也不相同，數量可從數十個、數百個到甚至數百萬個。例如：在車輛追蹤的應用上，每個區域中就可能會部署數十個無線感測器。如果需要較高的精準度，甚至可以將密度提高到數千個無線感測器，以增加準確度。設計考量：硬體成本：由於感測器部署的數量往往極為龐大，所以必須要降低設計開發時所花費的系統成本。因此，考慮什麼時候要裝配定位裝置、溫度感應裝置、溼度感

6、應裝置等，這些硬體方面的取捨，都是可以成為我們減少成本的考量因素。設計考量：電量消耗：無線感測器是一個微電子裝置，所能裝配的電量也因此受到限制，其一般的系統中，通常是以電池來提供電力的。在某些應用環境中要更換電池是不可能的。在進行事件感測、資料運算以及資料傳輸都會消耗感測器的電量，因此要怎麼減少電源的消耗以及如何管理電源就顯得相當重要。設計考量：容錯能力：無線感測節點很可能因為電力耗盡或是遭到環境因素的影響而故障，而這些故障的節點必須不能影響到整個網路的運作，因此我們必須設計容錯的機制，來避免上述情況的發生。在容錯的部分我們也會視應用的不同而分為不同等級，例如：用於感測居家環境的溫度、溼度時，

7、只需要等級較低的容錯機制；如果是在軍事環境中，用來監測敵方行動的情況，則需要較高的容錯等級，以便因應一些緊急的狀況。What is WSNs?設計考量 硬體規格 軟體規格 相關開發工具 學術上的研究 生活上的應用 結語 在無線感測器的硬體架構上，目前已經有共通的規範，也就是不管是由哪家廠商所生產製造的無線感測器都會包含感測元件、處理元件、傳送元件與提供電源的電力元件。針對感測器硬體中的幾個重要部份，說明其設計及應用之原理：感測單元（Sensing Unit）處理單元（Processing Unit）傳送單元（Transceiver Unit）電力單元（Power Unit）硬體規格：感測單元：

8、分為感測元件與訊號轉換元件兩部分。其中感測元件主要是用來負責偵測環境，例如：光的強度、溫度、濕度等。這些蒐集到的資料是以類比訊號表示，因此便要有一個訊號轉換的元件，將感測器所感測到的類比訊號轉換成數位訊號，之後再將資料送到處理元件加以處理。硬體規格：處理單元：分為儲存元件與處理元件兩部分。其中儲存元件功能就類似個人電腦中的記憶體，儲存感測到的資料。而處理元件就是嵌入式系統上的微控制元件，就像是個人電腦的中央處理器（Central Processing Unit，CPU），主要負責執行事先燒錄的韌體，或是透過後端發送命令，控制感測元件來收集資料，之後再透過傳送元件將感測到的資料，以無線的方式傳送

9、回去資料聚集中心。硬體規格：傳送單元：用來連結網路上的節點，也就是負責將其所存在的無線感測器與其它無線感測器連結，讓無線感測器之間能夠進行溝通，或是將感測器所感測到的資料回傳至資料聚集中心。硬體規格：電力單元：提供所有元件電力的主要來源。尤其，可以視應用的需求加裝太陽能電池來增加電能。大部分的感測任務中都需要藉由獲得無線感測節點所在的位置來提高準確率，因此可以安裝定位裝置來輔助系統運作。或是當系統執行較特別的任務時，也可以視情況加裝不同的元件，來取得更精準的實驗數據。What is WSNs?設計考量 硬體規格 軟體規格 相關開發工具 學術上的研究 生活上的應用 結語 作業系統：無線感測器的由

10、於硬體簡單，雖然可以直接在硬體上製作應用程式，但是在應用開發上出現問題時，設計人員便需要直接對硬體進行處理，無法得到一般作業系統可提供的強大支援。作業系統：若是直接使用現有的嵌入式作業系統，例如：WinCE、Linux等，由於這些作業系統主要支援嵌入式系統領域較複雜的應用，其功能對於感測器而言依舊過於複雜。且系統程式相當龐大，無線感測器的硬體資源相當有限，故一般作業系統很難在這樣的資源環境下正常運作。作業系統：因此，加州柏克萊大學針對感測器網路的特點設計了目前最普及的感測器作業系統TinyOS。TinyOS作業系統有一些特點，例如：輕量級線程技術(Lightweight Thread)、事件驅

11、動模式(Event Driven)、組件編程(Component-Based Programming)等。TinyOS作業系統、函式庫及應用程式都是用Network Embedded System C(nesC)語言撰寫而成的，這是一種全新的概念。程式語言：nesC利用編寫組件結構化的原理，來實現TinyOS的架構化概念和執行模型設計，其主要用於感應器網路嵌入式系統。nesC具有類似於標準C語言的語法，但支援TinyOS的協同模型。TinyOS定義了許多在nesC中所表達的重要概念。程式語言：nesC基本概念是讓架構和內容的分離。程式由許多組件構成，它們利用配線連結在一起(Wire)構成一個完

12、整程式。組件的定義有兩種：一種用於它們的描述，包含它們介面請求名稱。一種用於它們介面的補充與執行。What is WSNs?設計考量 硬體規格 軟體規格 相關開發工具 學術上的研究 生活上的應用 結語 簡單介紹兩種台灣常用的無線感測器系統，分別為：識方科技 Tmote Sky。源鼎科技 FT-6250。識方科技 Tmote Sky：Tmote Sky為識方科技針對無線感測網路及各式監測應用所開發之超低用電無線傳輸模組。其採用產業標準之界面，並且遵循最新產業標準來整合溫度、濕度、光照等周邊裝置以形成區域網路應用。Tmote Sky可以藉由TinyOS來獲得完整之相關無線傳輸協定的支援並結合各種開

13、放之資源軟體。識方科技 Tmote Sky：Tmote Sky開發套件組包含以下套件：IEEE802.15.4支援模組。TinyOS系統。各類on board感測器（溫度、濕度、全光照及可見光照）。源鼎科技 FT 6250：源鼎科所開發的FT-6250是一塊內建高功率ZigBee無線傳輸模組的實驗開發板，可透過GPIO、UART、ADC、DAC或Comparator等相關介面接上各式感測器，以進行無線感測網路的相關實驗。源鼎科技 FT 6250：高功率的無線傳輸模組設計，具備較大的訊號涵蓋範圍，相當適用於長距離的無線感測應用。尤其，在戶外無遮蔽物的情況下，點對點的傳輸距離可高達700公尺。可拆

14、卸式的無線天線設計，可配合實驗目的不同更換各種型式的天線。符合IEEE 802.15.4規範。提供彈性的電源選擇，包含適用於開發階段的電源供應器以及可應用於實驗階段的電池盒。What is WSNs?設計考量 硬體規格 軟體規格 相關開發工具 學術上的研究 生活上的應用 結語 基於無線感測網路的特性，將會有許多有別於一般網路系統的問題需要解決。Topology：由於無線感測網路的節點是以任意的方式來佈滿整個需要監控的區域，所以並沒有辦法事先得到節點的散佈方式，以及這些節點間連線的詳細資料。Topology：明顯地，如果節點之間沒有辦法連線，它們就無法傳送感應到的資料回到中央控制端，使用者也就無

15、法得到相關的訊息。同時，如果系統雖然有辦法連線，但是卻以較沒有效率的方式來連線，在這種情況下將會快速的消耗節點的生命週期（life time），這種情況將不會是使用者希望看到的。Topology：有關連線方式的改良，近年來著名的LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）演算法就是一個很好的例子。利用下面幾頁的簡介，可以很清楚的看出該演算法利用簡單的創意，卻能有效的延長整個系統的生命週期。Topology：麻省理工學院：LEACH演算法是針對原有的分群網路更進一步改良的分群演算法。該演算法首先在分群網路中收集分群節點的資料來加以處理以降低全區域

16、的通訊量，然後再隨機選擇分群網路的領導節點來與遠端的中央控制中心通訊，如此便可將能量消耗平均地分散在所有的感測節點，進而延長系統的生命週期。Topology：使用相同的節點分佈模型，並且利用傳統的Direct communication和MTE（minimum transmission energy）來相比於LEACH，可以很清楚的看出，在經過1200次回傳資料至中央控制端，無線感測節點的存活率已有相當大的差別。Topology：原始模型：Topology：Direct communication：Topology：MTE（minimum transmission energy）：Topolo

17、gy：LEACH：Volume：無線感測器的體積，也是科學家們一直相當投入的一個領域。節點除了會散佈於大自然中，以用來執行監控環境的任務；同時，這些節點也有可能被放置於人們所無法到達的洞穴、或需監控的機器空隙中，這時候節點的體積大小就是相當重要的了。Volume：加州柏克萊大學：該校的研究計畫Smart Dust專案，則是探索感測器硬體最小化的可行性。該計畫成果將感測器、微處理器、電源及無線傳輸晶片整合在一個僅僅只有一方英吋的微小節點上。由於這項計畫的成功，使得感測器的最小化設計，有了進一步的創新成果。What is WSNs?設計考量 硬體規格 軟體規格 相關開發工具 學術上的研究 生活上的

18、應用 結語 由於無線感測器的微小體積，使得它有著相當大的機動性，一些人們無法到達或者是無法輕易部署人力的場所，都可以利用無線感測器來取代。近十年來微機電技術的進步，微處理器晶片、無線電控制元件以及各種感測元件的體積與製造成本逐漸減少到可以接受的範圍。尤其，就以傳統的監控任務而言，都是需要大量的人力、大量的資源以及長時間的資料累積，但如果以無線感測器來取代的話，基於無線感測器的機動性，更是可以大量的縮減成本，同時也能夠達到原有任務所需的成效。生活上的應用：資產與倉儲的管理：感測器可用於監控及追蹤資產，例如：卡車或是設備。尤其是在沒有網路架構的環境裡。此外，感測器亦可使用在工業管理上，例如：石油或

19、瓦斯的儲存及運輸設備。生活上的應用：汽車工業：隨著汽車通訊標準的發展，汽車間的通訊以及汽車與交通設施間的通訊將是重要的研究議題。而感測器的近程應用為汽車行進間緊急狀況的警告與安全駕駛的輔助措施。生活上的應用：建築物的監控：嵌入至建築物中的感測器，可藉由監控建築物裡的溫度及照明狀況，來調節大樓的空調系統，進而達到節約能源的目的。生活上的應用：生態環境監控：感測器可用於觀察野生棲息地的變化，並以避免造成棲息地受到破壞的方式來進行網路的佈建。如此一來，感測器便能提供環境變化的警訊，例如：空氣品質的監控、水質監控、自然或人為災害的追蹤控制等等。生活上的應用：健康醫療照護：對於老人的醫療照護，可以透過感

20、測網路將重要的生理訊號傳送到遠方的醫療系統。若感測器發現病患的生理現象異常時，可透過感測網路通知醫療團隊做適時的處理。對老人醫療照護系統而言，將是非常重要的應用。生活上的應用：軍事戰場的感知：即時的智慧型戰場感知為現代戰爭中非常重要的核心能力。藉由感測網路蒐集的情資，後方的指揮官便可參考相關的軍事訊息，進而做出重要的軍事判斷與決策。生活上的應用：安全性與維安：無線感測網路一個相當重要的應用為重要設施，如機場、地下鐵、核電廠、發電廠、電信設備等等的安全維護。透過感測器所提供的資訊，將可使這些重要的民生設備正常運作，以維護大家的生命安全。一些無線感測器之應用的實例：工研院電光所晶圓廠務區。台積電W

21、SN示範應用計畫。故宮博物院。生活上的應用：工研院電光所晶圓廠務區：工研院在其電光所晶圓廠務區，利用溫度和煙霧感測器偵測廠區環境，藉由佈建多個溫度和煙霧感測器、無線網路連接中介器、WSN逃難指示板、閘道器等組成一個WSN網路。生活上的應用：工研院電光所晶圓廠務區：每天感測器會自動偵測環境狀況，只要發現數據異常，並判定為火災發生時，便會透過無線感知網路通知應變伺服器。應變伺服器同時進行三項任務：透過WSN指示照明板的逃難方向，緊急發送手機短訊通知工安人員以及透過PDA通知消防隊。生活上的應用：工研院電光所晶圓廠務區：生活上的應用：台積電WSN示範應用計畫：工研院與帆宣科技合作，在轉動設備上加裝W

22、SN裝置，藉由監控設備運作、震動幅度、次數以及溫度等，得知系統是否正常，進而完成自動化預知與保養。生活上的應用：台積電WSN示範應用計畫：生活上的應用：故宮博物院：由於故宮現有的展櫃溫濕度監控是以紙捲的方式記錄曲線變化，當溫濕度或光線發生異常時，紙捲即會有異常變化，但是往往等到館內人員查閱紙捲發現，時效已經過了。而採用WSN技術，搭配能夠接取溫濕度與光線資訊的感應器，後端的系統將便能夠即時獲得相關訊息，讓館方人員能夠即時做出反應，保護珍貴的藝術品。What is WSNs?設計考量 硬體規格 軟體規格 相關開發工具 學術上的研究 生活上的應用 結語 無線感測網路是由一群通訊分散式的節點所組成，

23、這些節點不僅體積很小、不需大量電源，並且具有運算、感測之功能。將感測器散佈在所需探測的環境中，利用自我組織的能力架構出感測網路，以利資料的回傳，且達到最少感測器能量消耗的目標。無線感測網路設計的影響因素甚多，主要包含應用的環境條件、使用的硬體需求、消耗的能量及建構的網路拓樸等，其中電力消耗是決定無線感測網路存活時間長短的重要因素。就以傳統的監控任務而言，都是需要大量的人力、大量的資源以及長時間的資料累積。但如果以無線感測器來取代的話，基於無線感測器的機動性，更可以大量地縮減成本，同時也能夠達到原任務的成效。可預見地，無線感測網路的廣泛應用是一種趨勢，在未來將會對許多產業及人類日常生活帶來衝擊性影響。