Transcript 改變世界的無線感測器

無線感測器的軟硬體
架構與相關應用簡介
國立中興大學
蔡智強
Outline
• 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
Outline
• 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?
• 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。
What is WSNs?（cont.）
• 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。
What is WSNs?（cont.）
• 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。
What is WSNs?（cont.）
What is WSNs?（cont.）
• 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。
What is WSNs?（cont.）
• WSNs：
– 在1999年，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。
What is WSNs?（cont.）
• 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。
What is WSNs?（cont.）
• 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。
What is WSNs?（cont.）
• WSNs：
– 傳統的監控任務，通常是人工的方式進行監控，
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。
What is WSNs?（cont.）
• 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。
Outline
• 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
設計考量
• 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.
設計考量（cont.）
• 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。
設計考量（cont.）
• 設計考量：
– 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（cont.）
• 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（cont.）
• 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（cont.）
• 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（cont.）
• 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，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。
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• 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
硬體規格
• 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。
硬體規格（cont.）
硬體規格（cont.）
• 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（cont.）
• 硬體規格：
– 感測單元：
• 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（cont.）
• 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
式傳送回去資料聚集中心。
硬體規格（cont.）
• 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（cont.）
• 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。
硬體規格（cont.）
• 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。
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• 軟體規格
• 相關開發工具
• 學術上的研究
• 生活上的應用
• 結語
軟體規格
• 作業系統：
– 無線感測器的由於硬體簡單，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。
軟體規格（cont.）
• 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。
軟體規格（cont.）
• 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。
軟體規格（cont.）
• 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。
軟體規格（cont.）
• 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。
軟體規格（cont.）
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• 學術上的研究
• 生活上的應用
• 結語
相關開發工具
• 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。
相關開發工具（cont.）
• 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放之資源
軟體。
相關開發工具（cont.）
相關開發工具（cont.）
相關開發工具（cont.）
• 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）。
相關開發工具（cont.）
相關開發工具（cont.）
• 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。
相關開發工具（cont.）
相關開發工具（cont.）
• 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。
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• 軟體規格
• 相關開發工具
• 學術上的研究
• 生活上的應用
• 結語
學術上的研究
• 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。
學術上的研究（cont.）
• 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。
學術上的研究（cont.）
• 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。
學術上的研究（cont.）
• 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。
學術上的研究（cont.）
• 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。
學術上的研究（cont.）
• 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。
學術上的研究（cont.）
• Topology：
– 原始模型：
學術上的研究（cont.）
• Topology：
– Direct communication：
學術上的研究（cont.）
• Topology：
– MTE（minimum transmission energy）：
學術上的研究（cont.）
• Topology：
– LEACH：
學術上的研究（cont.）
• 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。
學術上的研究（cont.）
• 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立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。
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• 軟體規格
• 相關開發工具
• 學術上的研究
• 生活上的應用
• 結語
生活上的應用
• 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。
生活上的應用（cont.）
• 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。
生活上的應用（cont.）
• 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（cont.）
• 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：石油或瓦斯的儲存及運輸設
備。
生活上的應用（cont.）
• 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（cont.）
• 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（cont.）
• 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（cont.）
• 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（cont.）
• 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（cont.）
• 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。
生活上的應用（cont.）
• 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WSN示範應用計畫。
– 故宮博物院。
生活上的應用（cont.）
• 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（cont.）
• 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（cont.）
• 生活上的應用：
– 工研院電光所晶圓廠務區：
生活上的應用（cont.）
• 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WSN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（cont.）
• 生活上的應用：
– 台積電WSN示範應用計畫：
生活上的應用（cont.）
• 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。
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• 相關開發工具
• 學術上的研究
• 生活上的應用
• 結語
結語
• 無線感測網路是由一群通訊分散式的節點所組成，
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。
結語（cont.）
• 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。