無線感測器網路(WSN)技術挑戰

郭長祐／DIGITIMES

前言：雖然許多人都看好無線感測器網路(Wireless Sensor Network；WSN)的應用及市場，且感測節點的電路在技術層次上並不高，但即便如此，感測節點的電路設計仍有諸多的挑戰，這些挑戰皆是現場環境因素 所造成，使WSN變成「知易行難」的1項電子工程技術……

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近 年來無線感測器網路(WSN)的應用議題愈來愈熱，然多數人或許不知，無線感測器網路的最原初構想是來自軍事用途，即是用於戰場、戰區看守之用，好減輕人 力衛哨的負擔，之後才產生出各種的延伸應用。而今WSN到底有哪些應用呢？這方面的舉例相當多，且每種應用例子都深具吸引力。

例如家庭自動化用途，在家庭各處佈建感測器節點(Sensor Node)，由節點進行溫度感測，然後將各節點的感溫數據進行回傳，並對數據進行研判，以決定是否要調整空調，是將中冷轉為強冷，或將中冷轉為送風等等，對建築物而言可以用來做自動化的中央空調運作。

類 似的，空調能自動感測、自動調節，建築的照明也能如此，各佈建的節點可配置光感的亮度感測器，然後回報各位置的亮度，如此就能通知各照明燈或電動百葉窗是 否該因應調整。同樣的作法，感測器內可設置煙霧感測，如此就可以建立起自動消防系統，或設置動作感測，就可以做為保全系統。

或 者，建築物的地下停車場也可以進行感應，每個車位設置一個感測器節點，如此停車之前就能知道還有幾個車位，且車位分佈在各層的那個位置。再者，對醫院而言 可以在各病患身上設置多個感測器節點，包括心跳、血壓、體溫等感測，並把資料集中回傳到護理站，省去護士逐一查房巡視的心力，同時在病患危急時能在第一時 間做出反應。

家庭或建築運用只是WSN諸多種應用的一種，事實上在產業控制、環境研究等領域有更廣泛的應用，例如將感測器 節點佈建在工廠各處，就可以知道某處的鍋爐是否溫度過高，某個管線是否壓力過低等等。或者在大自然環境中佈建感測器節點，透過廣泛且長時間的記錄，來瞭解 大自然的變遷或環境污染等情形。

另外WSN也能用於橋樑的應力檢測，在橋樑各位置設置感測器節點，以感應橋樑的應力壓力或車輛經過後的震動程度，因此找出脆弱位置，並進行事先性的補強，以避免橋樑坍崩的事故發生。

還有，對能源公司而言，長達數百、數千公里的輸油管、天然氣管也必須進行壓力與溫度等監督，對此必須在輸送管上每隔數公尺就設計一個感測器節點，以此進行監控，一旦有油氣外洩(壓力減低)就能即時回報，並盡快到現場搶修。

以上列舉的種種都是WSN的應用，這些應用都有個特點，即是需要設置多個節點來進行感測，節點的多寡視應用而定，建築的消防煙霧偵測可以每隔3公尺設置1個節點，油管的壓力偵測可以每隔30公尺設置1個節點，此外每個病床上的病患可以依據不同的病況還設置多個節點。

雖然節點用數不同，但都少不了要大規模、大數目地運用，事實上這也是WSN市場之所以迷人的原因，只要研發、設計一次感測器節點，就可以大量生產與佈建，不斷生產後就能將最原初的研發投入成本均攤至極低，使每一節點的生產利潤達到最高。

不 過，感測器節點的研發卻不容易，雖然感測器節點內的硬體規格相當簡單，僅有運算力薄弱的微控制器(或微處理器)、小容量的記憶體、以及電源電路、感測器等 組件，但要將節點體積設計到極嬌小、功耗用電設計到極低、機構及電路設計成高度抗環境性等，就成了電子工程技術上的多項挑戰，到底感測器節點的設計有哪些 難點？本文以下將對此進行討論。(附註1、2)

抗環境性

感 測器節點有些會設置在屋內，然也有許多會設置在戶外，由於會在各種環境下佈建及設置節點，所以節點必須具備現場環境的因應能力，現場環境可能極寒冷、極炎 熱、極乾或極濕、或有大量沙塵，或經常晃震(設置在汽車內或橋樑上)，這些都不能對節點的感測產生影響，也不能對節點內的電路運作產生影響，同時也不能對 感測後的資訊傳遞產生影響。

關於這些就相當考驗節點設計，不僅考驗節點的機構(外殼)設計，也考驗內部電路的設計，另外也考驗通訊傳遞的設計。

所 謂考驗通訊傳遞的設計，是一旦某個節點要進行感測數據傳遞時，若A中繼節點失效時(可能是毀損、電力用盡或暫時的不明原因而導致失效)，會懂得自動將數據 改由B中繼節點來繞徑傳遞，最終仍可將數據傳達最後方的資訊收集站。關於此在無線通訊的協定(Protocol)設計上就要格外用心。

體積性

由於感測器節點要裝佈在現場環境，為了盡可能方便、容易地進行現場裝設，所以節點的體積可說是愈小愈好，最好能在裝設後仍不會讓人感受到節點的存在。

要 想達到盡可能的小巧，單是純機構外殼著手是不夠的，倘若機構內的電路不能夠更加小巧，那麼機構能夠縮密的程度也有所限。因此許多人提議必須將微機電系統 (MicroElectroMechanical Systems；MEMS)技術運用於感測節點上，使感測器及相關電路能夠更為嬌小，進而使外部機構有機會再縮小。

省電性

省電性也是感測節點設計的一大挑戰，原因在於節點的體積已被要求盡可能縮小，所以節點內可以放置的電池，其體積也不可能太大，如此節點自身的可用電量將極為受限。

其 次，各節點佈建在廣大的現場環境，如果各節點經常電力用盡，就必須額外出動現場人員至現場為各節點換替電池，如果經常要勞動到現場人員，則使用感測節點的 意義性將大減。所以感測節點必須能長時間獨立運作，如此節點內的電路就必須盡可能地省電，為了省電就必須讓晶片盡可能使用先進的半導體製程，同時也盡可能 使用先進的微機電系統製程。

事實上省電確實是現階段WSN節點研發上的一大難題，特別是在電源電路的設計上，即便是將現有 針對手持式應用而設計的電源晶片運用到WSN節點內，其省電性依然是遠不如預期，如此也迫使電源晶片業者設計出體積更嬌小、更具電源轉換效率的電源晶片， 這同時也是電源晶片下一個努力的目標方向，也極可能是電源晶片的下一個大獲利市場。

不斷精省節約電路用電是一個方法，另一個方法則是從軟體層面下手，針對節點內的控制軟體與通訊協定來調整，讓節點在沒有感測、沒有回傳資訊時盡可能處於省電狀態，如此也可以精省用電。

不 過，一味減少用電依然是不夠的，許多WSN領域的學術研究人員、業者等開始提議能從現場「搜刮（Harvest）」電力的方法，如果節點佈建的位置有日 照，則可以在節點外部設置太陽能面板，自行進行太陽能發電。或者，設置在橋樑上，用來感測橋樑各位置的晃震程度的節點，則內部可以設計一個晃震發電裝置， 一旦晃震就可以自行發電。

當然，這些就地取電、就地發電的作法，也不能違背前述的「體積嬌小」的原則，所以這些發電設計也必須盡可能縮小體積，最後依然不得不用上微機電系統技術。

自我組態性

節點的現場佈置必須盡可能容易，最好只要派員到現場放置即可，不需要在意方位、角度等，如果每個節點都要仔細調整才能完成佈建，那佈建的速度將會受影響。

因 此，節點內的電路必須自己能進行組態設定，自行確認自身是處於那個感測網路之下，自身是屬於整體網路中的哪一個角色位置等等，這些就必須倚賴節點內的程式 設計與協定設計才能達成。更簡單地說，此屬於節點的網路智慧性設計，多半要倚賴軟體程式設計來達成，以軟體方式實現的好處，是未來能快速改善、提升節點的 智慧性。

功效電路彈性

由於不同的應用需要不同的感測特性，有的只需要感測溫度，有的只需要感測震動，有的則是同一個節點同時感測亮度與溫度，所以不可能只用一種感測節點的設計就能滿足各種現場需求。

雖 然如此，但也並不表示要為每個特性感測而設計截然不同的節點電路，事實上只有感測器、制動器(如果有的話)、控制軟體等方面需要改變，其餘部分可以維持一 致，也因此節點內的電路可以設計成子板的方式來彈性替換。不過，子板作法雖較具彈性，但也會使電路所佔的整體容積加大，關於此在設計時就必須權衡取捨。

除了感測方面有可能不同外，現階段有關WSN的無線通訊標準也更有不同，有的使用Bluetooth，有的使用ZigBee，也有人使用Z-Wave等，所以不僅感測電路方面需要模組化、子卡化設計，通訊電路也可能有此需求。

進一步的，既然感測電路可能更替，如此供電設計也必須連帶改變，再加上同的環境現場有不同的用電、取電方式，所以供電電路也必須保有換替彈性。總歸而言只有「運算」及「記憶」方面的電路最固定，可以高度整合性設計，其餘在現階段都有保持彈性的必要。