通信网络-无线感测网络与ZigBee协定简介.pdfVIP

2006.元月號/77 期 無線感測網路與ZigBee 協定簡介 工研院電通所 / 李俊賢 博士 壹、即將改變世界的新興技術 : WSN 2002 年夏季，研究人員把許多被稱為「塵埃」的微小型監控元件裝到海燕 巢的洞穴中。這些裝置的尺寸只有一對 AA號電池那麼大，並且裝備了一個處理 器，一個小量電腦記憶體和監控溫度、濕度、壓力、光與熱量的感測器。這些「塵 埃」預示著一個到處是以電池為電源的無線感測器網路的未來，這些感測器監控 我們的環境、機器甚至我們自己。 2003 年美國MIT 技術評論(Technology Review) [1]認為，有十種新興技術很 快就可以改變計算、醫療、製造、運輸和我們的能源基礎設施。其中排名第一的， 即是無線感測器網路 (Wireless Sensor Networks, WSN) 。WSN是由一到數個無線 資料收集器以及為數眾多的感測器 (sensors)所構成的網路系統，而元件之間的溝 通則是採用無線的通訊方式。為了達到大量佈建的目的，無線感測網路必須具備 低成本、低耗電、體積小、容易佈建，並具有感應環境裝置，可程式化、可動態 組成等特性。 圖一、美國加州柏克萊大學所研發的智慧灰塵 [2] WSN的發展，最早是美國加州柏克萊大學 (UC Berkeley)的一項研究計劃， 研究人員利用 MEMS 技術，開發出一種體積與普通阿斯匹靈藥片大小相似的感 測器，稱為智慧灰塵 (smart dust) [2] ，如圖一所示。由於這項計劃是由美國國防 本刊文章僅代表作者本人觀點，不代表計畫辦公室立場 1 2006.元月號/77 期 部研究計劃單位 (DARPA)所資助，原先的構想是應用在軍事上。例如在戰場上， 使用無人駕駛的小飛機，帶著數以百萬的無線感測器，灑在監控敵軍的區域進行 蒐集資料任務，一段時間之後，同樣派遣無人駕駛的小飛機，將感測器蒐集到的 資料透過無線網路傳回小飛機上，並帶回基地加以分析。如此一來，就不需要冒 著極大的危險派遣兵力深入敵方，便可完成蒐集敵軍情報的任務。在加州柏克萊 大學的計劃中，研發出的無線感測元件，稱為Mote 系列。之後衍生出許多相關 技術的研發公司，其中結合 IEEE 802.15.4的商品化 Mote 家族，有Intel [3]的 Mote 2 ，Crossbow [4]的 Mote-Kit 2400 (MICAz) ，與Dust Networks [5]的 M2020 Mote 等。 貮、 WSN的特點與限制 目前現有的 Wireless Ad hoc NETwork (WANET)的架構是為最接近 WSN的 架構。雖然它們同為無固定基礎結構(infrastructure)型的網路，但現有的 WANET 協定及演算法大多無法直接應用到WSN 上。其中最主要的幾個原因如下： 1) WSN的節點數常是 WANET的數十倍至數千倍，故需低製造成本。 2) WSN節點的體積，能量，運算能力，及記憶體受到極大的限制。 3) WSN的節點密度高，且較容易故障，因此需有容錯功能。 4) WSN的網路拓樸 (topology)時常改變，需有網路自我重建功能。 5) 大部份的WANET使用點對點 (point-to-point)通訊，而 WSN 主要使用廣播 (broadcast)或群播 (multicast)通訊，而且需支援多點跳躍傳輸路由(multi-hop routing) 。 6) 為節省傳輸資料的能量，WSN的 ID (MAC address)將不適用傳統IEEE802 系列的6個位元組。 也由於 WSN的上述特性，衍生許多有趣的研究題目，是一個跨足多領域與 技術的新學門，而相關的學術論文與產業應用也正蓬勃發展中。 本刊文章僅代表作者本人觀點，不代