無線感測器節點硬體介紹

以往在執行監測任務時，監測區域通常都是人們很難前往去處，如：深山或 火山等，也有放置於某些特定場所，這些場所通常為高危險地點或是儀器定位資 訊需要快速更新，例如：高自動化工廠以及大型醫院之貴重儀器。從原先大量人 力資源轉變到有線式的電子產品監測，近年來通訊系統的技術突飛猛進，網路系 統從有線更進步到無線就可使用，其中無線感測器網路亦扮演著重要腳色，而系 統之核心腳色就是無線感測器節點。到目前為止，各國已有許多無線感測器節點

29

成功開發，並可開始量產販售，例如： Crossbow 公司所製造的 Iris (USA：

Crossbow, 2008)如圖 2-23(a)所示以及研華公司(Advantech)所製造的 ADAM-2510Z 如圖 2-24(b)所示(Taiwan： Advantech, 2012)。

(a) (b)

圖 2- 20 無線感測器節點實體圖 (a) Crossbow 公司所開的的 Iris(USA：

Crossbow, 2008) (b)研華科技公司所開發的 ADAM-2510Z(Taiwan：Advantech, 2012)

無線感測器網路在這幾年蓬勃發展下，國內學術界也對於這塊新領域開始進 行研究與開發，由國科會主導之無線感測器網路前瞻研究計畫，主要就是要建立 一套完善的無線感測網路共同平台，結合產學合作目的是為加速台灣對於無線感 測網路普遍以及應用無線網路特性提升整體經濟產值。近幾年國內亦開始開發硬 體，分別為清華大學資工系的許健平教授團隊所開發的 OctopusII 如圖 2-24(a)所 示以及台灣大學電機工程系所開發的 SuperNode 如圖 2-24(b)所示。特別注意的是，

OctopusII 以及 SuperNode 都是以 Zigbee 協定為基礎去開發節點的，Zigbee 協定 在近期已被大量用於國內外學術研究。如台灣大學生物產業機電工程學系在東方 果實蠅監測計畫中整合 OctopusII 進行野外害蟲監測，即時回報建置於感測田間中 各果樹遭受害蟲為害情形，建構一套有效且即時監測農業害蟲之無線感測器系統，

30

此系統整體效果顯著，對於往後空間解析度及時間解析度的資料收集能力上都將 有精確的表現並期望可建立害蟲模型(林，2007)。

無線感測器節點的主要架構如圖 2-25 所示，無線感測器節點主要包括微處理 器晶片(Microprocessor Control Unit, MCU)、無線通訊晶片(Radio Frequency Chip)、

ADC 轉換(Analog-to-Digital Converter, ADC)、電源供應(Power Supply)、記憶體 (Memory)以及感測器元件(Sensing Device)。目前市面上有再販售之無線感測器節 點來看，由於使用者希望感測器節點可以長時間運作，即使在無市電供應狀態下 也希望可以運行整個系統，故廠商在挑選微處理晶片時大多使用省電且高效能的 晶片，如 Atmel 公司所製造的 ATmega123 晶片(USA: Atmel Corporation, 2007)以及 德州儀器公司所研發的 MSP430 晶片(USA: Texas Instruments, 2007)。

感測器元件部分可依計畫需求或是使用者需要，可搭配不同的環境感測器，

如：溫溼度感應器、照度感應器、三軸加速度感應器、震動感應器、特殊氣體感 應器以及陀螺儀等等，感測器元件可連接節點上特別擴充出來供其他元件使用之 I/O 腳(Input/Output Pin)，使用者可控制處理晶片讀取各感應器數值，並且處理與 運算這些未經處理過的資料(Raw Data)。

無線通訊晶片部分最主要工作是使感測節點可透過無線通訊晶片達到互相傳 送資料，挑選通訊晶片方面，主要有三種通訊晶片，包括：CC2420, CC1000 以及 CC1021(USA: Texas Instruments, 2007a, 2007b, 2009b)，每種晶片都有不同工作頻率、

傳輸速率以及喜愛的工作電壓，市面上較多人使用的是德州儀器所製造的 CC2420 晶片，其使用頻率為 2.4GHz，傳輸速率可達 250 kbps，並且可以調整輸出功率，

目前無線感測節點通訊部分大多使用 IEEE 802.15.4 與 ZigBee 通訊協定(Baroni et al., 2007)。

電源供應端部分，無論是學術界的清華大學資工系的 OctopusII 和台灣大學電 機 系 的 SuperNode ， 或 是 科 技 公 司 所 生 產 的 節 點 ， 如 ： Tmote-Sky 、 Iris 和 ADAM-2510Z，這些節點都使用 2 個 AA 電池，只要 3V 的電壓即可使無線感測器

31

節點正常運作。此外，因為政府大力提倡永續能源觀念，故也可以在整個無線感 測器系統電源供應端裝置太陽能充電系統，利用無汙染且永續的能源提升無線感 測器網路系統整體運作壽命(Liao et al., 2012)。

(a) (b)

圖 2- 21 無線感測器節點實體圖(a)清華大學資工系所開發的 OctopusII (b)台灣 大學電機系所開發的 SuperNode

圖 2- 22 無線感測器節點構成示意圖

32

無線感測器網路(Wireless Sensor Network, WSN)是近年來常用的生態監測方 法，透過機電整合及無線網路通訊技術來達成自動化與即時監測的系統，經由建