WSN技術群研析

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Posted by Mr. Eve

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(圖片來源: Motorola)

簡介

無線感測網路(wireless sensor network, WSN)在未來五到十年將會對許多主要的產業帶來衝擊,拜技術進步所賜,積體電路、微電機、無線技術產生的綜效使得過去無法實現或是必須花很多成本才能實現的應用可以用比較少的成本達成。

WSN基本上具備以下元件:RF收發器、感測器、microcontroller (MCU)和電源供應;每個節點至少具備一個感測器,以及至少有兩個節點以無線電溝通。

WSN並不界定網路型態,也就是可以是starmeshP2P或綜合以上型態的網路,但都一定具備下列的功能:

1. Sensors/microcontroller:偵測、蒐集以及處理環境中的資料,例如偵測溫度、溼度等等。

2. Radio frequency:節點或gateway用以收發資料。

3. Software:包含在節點端的嵌入式系統以及使用者端的管理程式,軟體確保資料感測的功能進行順利以及提供容易閱讀的介面。

WSN相關技術內容

I. sensor

在過去十年,感測器技術有長足的成長,目前名義上有數以千計不同的感測器可以裝在無線感測設備上,擴增了需多應用的範圍。微型電機系統(MEMS)、奈米科技(nanotechnology)以及光纖的進步使得設備供應商能研發出更新更小的感測器,較典型的感測器偵測的對象有:光、溫度、溼度、壓力、加速度(震動)、聲音、煙、紅外線、水分以及化學物品。

PerkinElmer公司TP4339紅外線吸收式氣體感測器為例:

(資料來源:http://www.perkinelmer.com/optoelectronics)

原理為利用紅外線經過氣體時的能量耗損,測得通過氣體後紅外線的強度(或波長)得知氣體的種類和濃度,圖表 1所示,相同的紅外線經過gas filterreference filter後分別得I0I0exp(-kcl),其中I0為紅外線經過空氣後的強度,I0exp(-kcl)為經過欲偵測氣體後的強度,該強度與氣體濃度c以及經過的距離l有關;U1 U2為電壓,分別與兩種氣體的紅外線強度成正比,藉由U1/U2的比值可以知道氣體的濃度和種類,圖表 2可知CO的波長大約介於4.5-4.7μm

圖表 3預設偵測一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物和一個參考氣體,每個氣體各有一支接腳輸出電壓,thermistor接腳輸出周圍溫度用以校準。

使用限制

紅外線吸收式感測器的原理為紅外線經過不同原子構成的氣體時激發氣體,紅外線因此損失能量,例如一氧化碳、碳氫化合物等等;如果氣體為相同原子構成例如氧氣、氫氣,則無法使用。

gas-sensor.jpg

圖表 1: 紅外線經過參考氣體和欲測氣體以及個別的電壓輸出。

transmission-wavelength.jpg

圖表 2: 紅外線通過不同氣體後的波長。

sensor.jpg

圖表 3: TP4339外觀和接腳。

II. Micro-electromechanical systems (MEMS)

微電機技術的進步是促使感測器節點體積更小、更便宜、更省電的最主要原因,應用在感測器或處理資料的運算單元micro control unit (MCU)上。

MEMS技術的基本觀念是用標準化半導體製程製造小型機械結構,藉由批次製造,MEMS可以具備高規格的功能卻只需要低成本。

III. wireless radio technologies

無線電的技術可由頻寬和距離分類。

長距離的無線技術,例如GPRSGSM,頻寬64128Kbps,適合行動電話語音與資料的應用。

短距離的無線技術範圍最遠可達幾百公尺,高頻寬的技術,例如802.11a,頻寬50100Mbps,中等頻寬的技術例如Wi-FiBlueTooth,頻寬154Mbps,至於低頻寬低成本的應用,發展中的技術IEEE802.15.4/ZigBee逐漸演進為無線感測網路的標準,以下用一張表比較短距離無線技術的特性:

ZigBee

Bluetooth

Wi-Fi

standard

IEEE802.15.4

IEEE802.15.2

IEEE802.11b/g/a

Radio

DSSS

FHSS

DSSS

Frequency bands

2.4GHz, 915/868MHz

2.4GHz

2400-2497MHz, 5GHz

Network topologies

P2P, star, mesh, hybrid

Piconet

Star, mesh

Nodes per network

255/65000+

7

30

Range(typical)

~50m

~10m

~100m

Duty cycle

Low

Moderate

Low to moderate

Bandwidth

250Kbps, 40Kbps, 20Kbps

1Mbps

1, 2, 5.5, 11, 54Mbps

Ideal applications

Low power, low duty cycle, battery device

Wire replacement, voice

Email, web, VoIP, Internet

表格 1: 短距離無線傳輸技術比較。(本研究整理)

IV. software

I. operating systems

無線感測網路最大的限制是硬體能力與資源數量,因此,在感測器節點上的作業系統必須節省記憶體、運算能力、頻寬和電源,同時必須能負擔許多工作同時使用系統資源,例如同時傳輸資料和感測。

一些商業化的嵌入式系統例如pSOSVxWorks,所需的資源會超過感測器節點所提供之資源,因此,UC Berkeley為了無線感測網路開發TinyOS作業系統,TinyOS具備元件化架構以及使用C語言開發;然而,TinyOS一樣面臨資源限制以及必須為了不同應用特製軟體的問題,並且由於不保證資料能及時傳送回來,這些原因使TinyOS不適用於某些需要即時回報的用途。

II. software tools

佈建WSN時需要的工具可以從設備供應商提供,或者有些情況第三方軟體供應商會提供客製化的工具軟體。

模擬和佈建軟體用來設計和測試不同的網路建構,以及紀錄頻寬使用情形和網路延遲;模擬工具在開發的時候很有幫助,但是絕不會取代現地測試。

III. network software

WSN安裝完成以後,網路管理與控制軟體可使管理員由中央辦公室與整個網路互動,管理員可以確認整體網路的完好狀態以及效能、查詢節點的狀態、送出校正指令和廣播訊息到整個網路。

目前只有少數公司提供無線感測網路的網路管理軟體,例如SensicastEmber開發自家特有的軟體,Xsilogy的軟體可供儲存資料以及遠端存取,Sensoria則提供開放的軟體架構,內含一組應用軟體和middleware WSN的優點

WSN對每個應用有不同的效益,以下是一些共通優點:

1. 解決有線網路本身的缺陷。例如煉鋼廠的高溫無法佈放線路、危險地區不適合線路施工期間過久等等。

2. 減少線路成本,最多可減少80%線路成本。

3. 減少維護複雜度以及成本。網路自我修復的特性使單一節點損壞不至於使其他節點失去連線,因為大量的節點提供其他路徑傳輸資料。

4. 提供更多應用以減少使用者的成本,例如藉由監測水電使用量,減少浪費;檢測機器設備,減少不必要之更換,預警重大損壞。

WSN的限制與挑戰

如同WSN在不同的應用有不同的效益,不同的應用也會有不同的挑戰,例如資料精確度、高頻率抽樣、傳輸優先權、資料保密等等議題,以下是WSN對不同領域均會面臨的挑戰:

1. 在應用方面,最主要的限制來自於使用不易。安裝與佈建需要專業知識,目前也沒有標準化商品,而是各供應商推出自己特有的系統。

2. 缺乏與既有系統的溝通。工業廣泛使用的監控系統SCADA具備本身的協定,例如MODBus,整合既有系統不容易。

3. 無線傳輸的可靠度。許多現有的無線電會干擾WSN所使用的頻段,例如微波爐、無線電話,許多應用需要精準的資訊,無線傳輸相較於實體線路是比較不可靠的媒介。

個人觀點

筆者恰巧曾經參與WSN的應用開發,以目前的情勢來看都是工業應用最為廣泛,其次才是商業建築或是家用建築,但很弔詭的,需求最大的市場,卻也是最不能容忍WSN不穩定的地方。

 

其次,我們的專案中原本也很理想化的將WSN的應用想成很單純的:感測、傳送、儲存、分析,最後遇到最困難的問題卻是mote無法將抽樣頻率提高到我們需要的水準,雖經過各種嘗試,包括調整底層code都沒辦法,因此硬體能力再繼續進步將驅動更多的應用。

第三,目前看到的應用大都是很正經八百的,少數有趣的主題還被認為只是玩票性質,連筆者的上司也都曾經叫筆者不用參考它,但以最近EeePC熱銷的例子來看,將他定為成有錢人玩具的市場,並不見得會小於入門者的低價方案市場。

參考資料:

1. “Wireless Sensor Networks: Mass Market Opportunities”, ON World, 2004.

2. “Case Study: Steel Mill Temperature Monitoring”, Sensicast, 2005.

3. Perkinelmer gas sensor, http://www.perkinelmer.com/optoelectronics

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