第一章 序論
1-1 無線感測網路的簡介
近幾年來，由於科技的發展，加上無線通訊和微型製造技術的進步，
使得無線感測網路(Wireless Sensor Network，簡稱WSN)變成目前各國學術 研究單位爭相投入的熱門題目。一個無線感測網路通常包含了大量的感測 節點(sensor node)，這些感測節點會偵測網路的情況，以及處理資料及一些 必要的運算，除此之外，無線感測網路還會包含一些中繼點，負責資料的 轉送和少數負責收集資料的節點，稱為收集點(sink node)。
因為無線感測網路可應用於多方面的環境，如軍事、生物、科技、醫 療、工業等的重視，尤其用於無法長時間做記錄的監控和人類無法到達工 作的地方，其應用範圍相當廣泛。但是無線感測網路容易受到地形和氣候 及其他外在因素的影響。無線感測網路的特性包括有體積小、低成本、低 耗電，具有簡單的運算能力以及較短距離的傳輸範圍的感測節點，以及可 以彼此合作以完成工作目的。
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圖 1 感測節點的實體圖。(資料來源:[1])
無線感測網路是結合了一個或多個收集點(Sink Node)以及數量很多 的小型且較便宜的感測節點(Sensor Nodes)所組成的無線感測網路系統，通 常根據不同需求的目標來執行各種感測的任務，感測節點偵測週遭環境上 的改變，如溫度、溼度、壓力、亮度、物體移動速度等等，並將所偵測到 的資料利用無線傳輸的方式及多重跳躍(Multi-hop)的中繼方式匯集到特 定收集點，在做後續的壓縮及計算，最後利用網路傳回基地台或傳給使用 者，再根據得到的資料做出相對應的方法。
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圖 2 無線感測網路示意圖。(資料來源:[2])
感測網路是由數百至數萬的感測節點組合而成，使得網路的管理非常 困難，每個感測節點都是獨立的，在一個複雜環境中，加上感測節點的電 池可能無法置換，因此電量的控制(energy control)是所有感測網路中最 重要的一環。再加上感測器為嵌入式系統，它們故障的機會相對提高，因 此容錯（fault tolerant）的機制在感測網路中是不可缺少的。所以在設 計一個有效率的無線感測網路有許多影響的因素， 因為他們提供了一個 設計感測網路的協定或演算法，另外這些影響因素也可以用來比較不同設 計的好壞，以下簡略介紹一下有哪些的影響因素[2]
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1.容錯性(Fault-tolerance) ：一些感測節點的能源會消耗殆盡或是在惡
劣的環境下和遭受到蓄意的破壞都有可能導致感測節點的失效，當能感測 節點失效時，感測節點將無法執行任務，也會影響到整個無線感測網路系 統 的 生 命 週 期 ， 所 以 容 錯 性 (Fault-tolerance) 是 一 種 維 持 sensor network 功能性不因感測節點失效而被打斷的能力。根據不同的環境，必 須加強更嚴謹的容錯能力，以便維持整個無線感測網路，例如偵測溫度、
溼度的容錯能力不需要太高，因為這類型的感測節點不容易受到損壞或環 境的干擾。但戰場上的監控及偵測就必須要有很高的容錯能力，當有某些 感測節點失效的情況時，整個感測網路依然能夠進行正常的感測工作，並 將正確的資料融合結果送回基地台。
2.延展性(Scalability) ：在無線感測網路中，現存的感測節點隨時有可
能會失效，也隨時有可能會有新的感測節點加入，因此，像這種對整個無 線感測網路結構造成很大的變化以及更替頻繁的情況下，需要有良好的具 延展性的通訊協定及演算法的支援，才能維持整個無線感測網路正常運 作。
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3.感測網路的拓撲結構(Sensor network topology)：濃密地配置大量的
節點必須小心的處理拓樸維持，下面就拓樸的維持和改變分三部份討論：
1. 前置配置：
感測節點可以藉著隨機散佈或一個一個的部署到感測地點。
雖然感測節點不需要設計配置計畫，但最初的配置需要減少 成本、增加部署的彈性、提升自我組織能力以及容錯性。
2. 後置配置：
感測節點在靜態的配置可能因為能源耗盡或是變成蓄意破壞 的目標，所以感測節點和感測網路會動態的改變任務，因此 感測網路在配置後所以有頻繁改變的傾向。
3. 額外節點重新配置：
額外增加的節點可以隨時重新配置，用來替換故障節點或任 務的改變。新增節點會造成重新組織網路的需求。另外，處 理在隨意無線網路中具有大量節點和能源消耗限制的頻繁拓 樸改變需要特別的繞路協定。
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4.能源消耗(Power consumption) ：感測節點通常在感測、傳送、接收資
料及在資料處理會消耗許多能源，但是因為感測節點的體積很小，再加上 環境的因素，所以電池往往不會太大，而且也無法補充。因此通常只能用 有限的電力來運作。若是運作的時間太長，電力只能夠維持很短的時間，
當電源消耗殆盡時，感測節點將無法執行而失效。因此，如何有效的利用 能源以及分配能源是一個非常重要的問題，不僅要使感測節點有效率的運 用，還要延長整個無線感測網路的壽命。
5.硬體限制(Hardware constraints) ：ㄧ個 sensor node 是由四個基本元件
所組成：感測裝置（sensing unit）、處理器（processing unit）、收發器
（transceiver unit）和能量裝置（power unit）。另外可能因為不同的應用 而有一些額外增加的元件，如：定位裝置（location finding system）、移 動器（mobilizer）及能源產生器（power generator）。
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圖 3 感測器硬體結構。(資料來源:[2])
另 外 還 有 其 他 像 是 製 造 成 本 (Production costs) 、 整 體 環 境 (Environment)、以及傳輸媒介(Transmission media)等影響因素，根據這些 影響因素並依照不同的需求，而設計出許多不同環境的無線感測網路。
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1-1-1無線感測網路的應用
無線感測網路(WSN)的應用範圍很廣，主要可分為下列幾類[3]
軍事安全: 在軍事應用方面十分廣泛，其中包含在友軍的人員、裝備及軍 火上加裝感測器提供辨識度，還有監控戰場上的狀態，例如敵方的位置。
當智慧型軍火的導引器，偵察及判斷核子、生物和化學攻擊。將感測器投 擲於敵方陣營當中，在被敵人破壞之前，能完成偵察的任務。
健康的應用: 將感測網路佈署於房子內及人的身上，而達到遠距監測人體 各項健康數據及人的各種行為。感測器可放在病人或藥師身上，這樣可以 降低藥物處方的出錯以及病人拿錯藥的機會。
環境的應用: 將數萬個感測器佈置於森林中，可以對火災地點的判定及提 供新的訊息。感測器能提供遭受化學污染的位置及檢定出何種化學污染，
不需要人親自冒險進入受污染區。水災判定、監測空氣污染、水污染及土 壤污染。取得生態環境中的溫度、溼度、壓力與追蹤動物的行蹤。
家庭的應用: 將含有起動器(actuator)的感測網路佈署於家中，可以讓人 們在遠方或在家裡經由網際網路作許多家事。
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1-1-2 傳統無線感測網路上資料傳送接收的方法
在無線感測網路上，感測節點必須將感測的資料傳送到資料收集節 點，而傳送的方式可分為直接傳送或間接傳送。傳統的資料傳送方法就是 在資料收集節點發出詢問後，感測節點將感測到的結果直接以無線電波傳 的方式將資料傳送到收集節點，這就是直接傳送。但是通常資料的收集點 與感測節點距離不會很近，而且感測節點又受限於能源及短距離的傳輸範 圍，所以直接傳送的方法是很消耗能源又沒有效率的。
在無線感測網路中，通常感測節點數量龐大及密度高，再加上隨時可 能失效或增加節點而改變整個拓樸結構，以及受限於電力、功能和傳輸範 圍 的 限 制 ， 另 外 為 了 提 昇 效 能 及 節 省 能 源 而 使 用 資 料 聚 集 (Data Aggregation)及資料融合(Data Fusion)的過程，因為上述的幾項因素，使得 最接近無線感測網路架構的無線隨意網路(Wireless Ad-Hoc Network)現有 的網路協定(protocol)和演算法(Algorithm)大多無法直接應用在感測網路 上。因此針對感測網路不同的需求、不同的傳送方式及路徑選擇(routing)，
又發展了一些協定：
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1.Flooding 協定和 Gossiping 協定：
這是兩個最簡單的傳統網路路由協定，在Flooding協定[4]中節點產生或 收到資料後會向所有的鄰居節點廣播，直到資料到達目的地才停止傳播。
該協議具有嚴重缺陷: 但是這種方法會造成資料大重複傳送(Implosion)、感 測區域重疊(Overlap)及能源浪費等問題。Gossiping協定[5]是對Flooding協定 的改進,節點將產生或收到的資料隨機轉發,避免了內爆,但增加了時延.這兩 個協定不需要維護路由資訊,也不需要任何演算法,簡單但擴展性很差。
2.SPIN（Sensor Protocols for Information via Negotiation）： SPIN 這個通訊協定有兩個主要的目的[4]：
1.是讓資料傳輸更有效率以節省傳輸資料時的能量消耗
2. 就 是 在 此 協 定 下 的 感 測 節 點 必 須 能 夠 監 控 以 及 適 應 自 己 的 能 源 改變，好延長整個系統的壽命。
當一個感測節點要傳送資料(DATA)給它的鄰居時，會先廣播一種 (ADV) 的 廣 告 訊 息 ， 裡 面 包 含 了 一 些 關 於 感 測 資 料 內 容 的 描 述 (meta-data)。而鄰居節點收到時，根據是否對該資料內容回傳想要接收的 訊息(REQ)，感測節點收到(REQ)後，就會將完整的資料(DATA)傳送給有 回傳(REQ)的感測節點，如此一直重複步驟，到最後所有想要得到資料內 容的節點或是收集點，都會得到一份複製的資料。
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圖 4 SPIN (資料來源[2])
3.LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）：
LEACH[6]是一個以叢集分層為基礎且能盡量減少能源消耗的方法。
將多個鄰近的感測節點組成一個叢集（Cluster），所有的感測節點最後會 分成好幾個叢集，再從每個叢集中經由一定的程序，輪流選出一個感測節 點來做叢集頭(Cluster-Heads)，Cluster-Heads 負責收集由叢集中的感測節 點 所 傳 來 的 資 料 ， 並 加 以 整 理 或 進 行 資 料 融 合 ， 再 經 由 其 他 的 Cluster-Heads 重 送 回 資 料 收 集 節 點 ， 另 外 每 隔 一 段 時 間 會 重 新 選 擇 Cluster-Heads，讓每個感測節點都能平均分攤擔任叢集頭中繼任務所消耗
將多個鄰近的感測節點組成一個叢集（Cluster），所有的感測節點最後會 分成好幾個叢集，再從每個叢集中經由一定的程序，輪流選出一個感測節 點來做叢集頭(Cluster-Heads)，Cluster-Heads 負責收集由叢集中的感測節 點 所 傳 來 的 資 料 ， 並 加 以 整 理 或 進 行 資 料 融 合 ， 再 經 由 其 他 的 Cluster-Heads 重 送 回 資 料 收 集 節 點 ， 另 外 每 隔 一 段 時 間 會 重 新 選 擇 Cluster-Heads，讓每個感測節點都能平均分攤擔任叢集頭中繼任務所消耗