WSN传感元件技术发展与演进
- DIGITIMES企划
-
无线传感网络(WSN)主要可以分成传感节点(Node)、网络闸道(Gateway)技术和软件(Software)平台，让开发者能够依照传感地点环境的不同，做出最好的布设规划，同时兼顾低成本与日后扩充的需求。因此在传感元件的选择上，必须注意功能、能耗、网络架构、开发工具、扩充性，以下就来介绍各传感元件的技术发展…
感应器(Sensor)从早期的类比式到近年的数码式，而原本采用有线的连接方式，也渐渐进展成无线传输的设计。由于ICT产业技术的精进，让传感元件越做越小，功能更强，成本降低，同时兼顾可扩充性。一般而言，无线传感器网络(Wireless Sensor Networks；WSN)的布建，可以分成传感节点(Node)、网络闸道(Gateway)技术和软件(Software)平台。
传感节点需要搭配布设地点与环境因素，来选择节点的元件功能，而网络闸道则须考虑网络拓扑(Topology)与数据集散、信息传回的方法。至于软件平台则须考虑运行的操作系统，以及开发者专用的软件开发工具。
由于WSN的传感节点，会受到体积、成本和电源供给等条件的限制，其储存空间、运算能力、甚至通讯能力，远不如一般的嵌入式电脑系统。因此，WSN在处理器、嵌入式操作系统、无线通信协定的规划上，都是采用特殊的精简版本来运作。
也由于精简化，虽说WSN也采用无线通信，做为数据传递的方式，但WSN的架构跟我们所认知的WLAN(无线区域网络)却有很大的不同。因为WSN是将布建在特定区域的各传感节点，自组而成的一套封闭式网络，采用无固定的Infrastructure、无Hub的设计，透过感知自然界的数据蒐集、处理、内部传输，甚至提供执行能力，将最正确的感应数据蒐集至闸道器，然后再透过网际网络，传至主控台。
此外，WSN还必须考虑到传感器的失效，或者被外人拔走、破坏，所带来的系统动态稳定性，以及网安等议题，因此新一代的无线感应元件，必须注重精确性、省电性、安全性，甚至提供隐密性，不易受到察觉而破坏。而为了让传感节点不要一有风吹草动，就频频上传测量的数据，造成整个无线传感网的带宽与能源的消耗，新一代的无线感应元件，大多具备区域自主运算(Local Processing)的能力，也是WSN的设计新趋势。
传感节点(Node)
一个传感节点(Sensor Node，北美称为Mote)，必须具备自主的感应能力，并可做到数据采集，然后将数据透过通往闸道器传送至外部系统的基本功能。
因此在Node的架构组成上，必须具备: 1. 传感单元、2. 处理单元、3. 传送单元、4. 电力单元，有些还具备外部的5. 储存单元。为考量不同需求，许多Sensor产品制造商，已将其Node产品采用子板的模块化设计，其主板、天线、电池、传感器皆可依需求做增减，让开发人员能够依据其目标来设计其Node。
由于传感节点最大成本为CPU(MCU)与传送单元(如RF射频)，因此业者透过先进的半导体封装制程，采多晶封装(MCP)或单芯片(SoC)方式来整合、密集化，其体积能做到如硬币大小；而具备Wi-Fi功能的汇集节点，体积也能做到跟U盘或口香糖一样的大小。
在电源设计部份，一般的Node皆具备三种电源节能模式，如浅眠、深眠、冬眠模式，提供更长久的运作。电池供应部份，一般使用锂电池或水银乾电池，可提供超长时间(3？20年)的运作，有些好一点的Node，还搭配自主供电的能力(例如加入太阳能电池、压电开关、热电产生器、热电堆)。
在通讯模块上，依照产品等级，有支持802.15.4、6LoWPAN、ZigBee、Bluetooth等协定，有些则直接支持到802.11 Wi-Fi、GPRS/3G等网际网络协定。至于储存单元部份，一般内建几KB的EEPROM，主要存放程序，有些会提供SD插槽以供扩充。
在感应器部份，以内建微机电(MEMS)元件，并根据传感需求，提供环境类(温度、湿度、压力、风速、气体)、动作类(加速计、陀螺仪、磁力计)、光学类(CMOS镜头、红外线/近场/光度感应器)、声音类(麦克风)、物理类(电磁计、电流计、距离计)，以及应用在各场所之各类感应器，像是医院、居家、工厂、公共设施…等场所。
将不同类型的传感器所侦测到或物理量，经由类比至数码转换之后，变成数据，再将数据送到处理单元(微控制器)。而处理单元一般都是采用超低功耗的8bit至32bit的CPU(或MCU)，当CPU收到本身或自其他节点的数据后，进行分析、比对、筛选，再依本身在WSN里所扮演的角色，把处理过的数据存放在记忆单元，或外部存储器(如SD卡)，或者直接透过传送单元，将数据往其他节点传送，或直接送到闸道器。
闸道器(Gateway)
自WSN的各传感节点所蒐集并处理好的数据，必须经过汇聚节点(Sink Node)，将其内部通讯协定转换成一般网际网络的TCP/IP标准协定，再将数据传到主控台，或IoT(物联网)的云端服务层或应用层。
而这个汇聚节点，本身可以是硬件等级较高的传感节点，也可以是单纯的闸道器。汇聚节点将其周边传感器所探勘并收集到的数据汇集起来，然后以开放式的无线网络标准，传送到主控台(如PC、平板、手机的装置)。
闸道器的硬件等级会比上述各传感节点还高。如处理器部份，大概跟一般家用网络闸道器、路由器产品差不多。而坊间有实验室利用Raspberry Pi 搭配扩充子板，当作WSN闸道器。此外，针对大数据(Big Data)的需求，也有厂商推出等级更高的产品，将内部的存储器加大，甚至内建硬盘，以便就地储存，以应付长时间的环境监测所累积的大量数据。
在通讯协定上，WSN闸道器有支持802.15.4、6LoWPAN、WirelessHART、ZigBee、MiWi…等协定，以连接Sensor Node；另外也支持802.11 Wi-Fi、甚至GPRS/3G/CDMA等协定，以将数据传至主控台。
软件平台(Software)
在软件技术上，传感网络和闸道器因为硬件等级较低，因此所执行的操作系统，大多是容量小、且能实时反应的RTOS (实时操作系统)。例如像是Contiki、TinyOS等等。
有监于IoT、WSN元件的硬件限制，因此像是Contiki这类小型、开源的多任务电脑操作系统，便适合这类环境。从最早8位元的电脑(如Apple II)到微型控制器MCU，大多以Contiki作为嵌入式网络系统。以最低只需2KB的RAM与40KB的ROM的系统需求，提供了事件驱动核心，可在系统运行时动态加载上层应用程序。在网络功能上，提供TCP/IP v6的网络协定，网页浏览器、Telnet客户端、以及VNC线上显示等基本的网络通讯需求。
此外，最早投入WSN计划的加州大学柏克莱分校，也针对WSN量身打造专属的操作系统－TinyOS，具备轻量级线程技术、事件驱动模式、组件编程等特色。而其OS核心、函式库及应用程序，都是采用nesC (Network Embedded System C)语言所撰写，因此成为当今最普及的WSN专用OS。
在远程控制方面，有些厂商的产品可直接透过网络浏览器，来设定Sensor Node的网络组态与监视动作。例如网络连接与构成方式，节电模式，同时在数据采集页面，具备mysql数据库，可将检测到的数据，如时间、压力、温度、湿度、位移量等原始数据，列表出来或定时传回主控台，以作为储存与分析之用。
包含NI的LabVIEW WSN系列、Digi的Xbee系列、Linear的SmartMesh 系列、Libelium的Waspmote/Meshlium系列，皆提供上述完整的WSN开发工具，提供WSN用户设计使用。
