無線感測器網路節點介紹

電子產業在 90 年代快速發展，過去由傳統使用大量人力進行監測的任務，已 逐漸由機電整合設備所取代，如倉儲管理監測系統、工廠自動化系統及居家安全 偵測系統，有線的自動化監測系統在現今已經是非常普遍被應用的技術，透過有 線通訊來達成交換資料的目的將設備連結起來形成一個監測系統，系統透過對於

監測資料交換及判斷自動地調整。隨著無線通訊協定於近年快速發展及突破，使 用者開始對無線傳輸應用於自動化監測感到興趣，期望藉著無線傳輸的特性改善 監測系統佈建時的便利性。無線感測器網路中扮演最重要的角色即為無線感測器 節點，自智慧微塵(Smart Dust)計畫從 1999 年開始進行至今，隨著更多以低耗能 為導向之無線通訊協定發展，無線感測器節點種類日趨多元，不只在學界出現許 多適應於不同應用的設計，市面上也已有許多不同種類的產品問世。

圖 2-14 為典型的無線感測器節點系統架構(Mahalik, 2006)，主要分為三部份，

分別為系統平台(System Board)、通訊平台(Communication Board)以及底層硬體 (Hardware)。系統平台內的系統程式可經由後台程序(Daemon)透過硬體設備凾式 庫(Device Library)操控每個位於節點上的硬體使其正常運作，而各項硬體亦可由 後台程序與函式庫監控及傳輸訊號通知系統程式以觸發對應系統運作。例如無線 通訊模組(Radio Frequency Module, RF Module)運作即由其專屬的通訊凾式庫與後 台程序進行功能監控，當無線電電波被無線通訊模組所接收時，即可經由共享凾 式庫(Shared Library)告知系統平台；而系統平台亦可透過呼叫凾式庫的功能，告 知無線通訊模組進行無線電電波發送。感測模組已經由同樣的操作流程，當擷取 到感測資料時，後台程序即會通知系統程式，進行後續的運算流程。另外，位於 系統架構圖的內部整合電路(Inter-integrated Circuit, I²C)與輸入/輸出(Input/Output, I/O)設備是以有線的方式提供節點系統一個類比或數位設備連接的介面，可以單 獨或利用類比數位轉換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)等裝置，與外部設備 進行通訊。

圖 2-14 無線感測器節點系統架構圖(Mahalik, 2006)

無線感測器節點上基本硬體元件架構示意圖如圖 2-15 所示，主要包含：微 處理器(Microprocessor Control Unit, MCU)、電源供應模組(Power Supply)、快閃記 憶體(Flash Memory)、以及前述提到的 ADC、無線通訊模組與感測器模組，以下 將針對這幾項基本元件作簡單介紹。

 微處理器

微處理器與記憶體的搭配最主要的功能即為負責控制周邊其他元件模 組，以及處理基本決策運算。為了達到低耗能的需求，無線感測器節點大多 使用節能型微處理器，例如德州儀器公司(Texas Instruments, TI)所開發的低功 耗 MSP430 系列晶片(USA: Texas Instruments, 2009a)或由 Atmel 公司所開發的 ATmega128 晶片(USA: Atmel, 2012)。

 電源供應模組

由於無線感測器網路經常應用於市電所難以到達或佈建之處，故常使用 電池作為其電源供應模組，而綠能概念於近年廣為流行，無線感測器節點亦

能在一些應用中使用太陽能充電模組，可以有效地減少換電池的頻率(Seah et al., 2009)。

 感測器模組

感測器模組可將擷取到的類比訊號經由類比數位轉換器轉換成數位訊 號給微處理器進行運算，由於微處理器上有許多 I/O 接腳可供使用者進行擴 充，所以感測器節點通常可以依微處理器的接腳數目搭載多個感測器模組，

常見的感測器模組有：溫溼度感測器、震動感測器、照度感測器、加速度感 測器以及壓力感測器等等。

 無線通訊模組

依照應用情境不同，無線感測器節點上的無線通訊模組可以依使用頻段、

耗能以及資料傳輸速率等特性來作選取，表 2-4 列出目前常用的無線通訊模 組之比較，除了德州儀器所開發的 CC 系列射頻積體電路(USA: Texas Instruments, 2010; USA: Texas Instruments, 2010; USA: Texas Instruments, 2011) 外，另外有 RF Monolithics (RFM)(USA: RFM, 2008)及 Semtech(USA: Semtech, 2008)這兩間公司所開發之無線通訊模組晶片。

CC2420 及 CC2530 這兩個型號晶片為德州儀器專為 IEEE 802.15.4 無線 通訊協定所開發，工作頻段位於 ISM 頻段所規範的全球 WPAN/WLAN 通用 2.4 ~ 2.5GHz 頻段，在低功耗的射頻晶片裡擁有較優良的傳輸速率，而 CC2530 為系統晶片(System On Chip, SOC)，較小的體積使其更易嵌入無線感 測器節點內。

表 2-4 各型號無線感測模組之比較

型號 CC1021 CC2420 CC2530 TR1000 XE1205

生產公司 TI TI TI RFM Semtech

工作頻段 (MHz)

402 ~ 470 804 ~ 940

2400 2400 916.3 ~ 916.7 433, 868, 915

工作電壓 (伏特)

2.1 ~ 3.6 2.1 ~ 3.6 2 ~ 3.6 2.2 ~ 3.7 2.4 ~ 3.6

傳輸速率 (kbps)

153.6 250 250 115.2 1.2~152.3

圖 2-15 無線感測器節點元件架構圖

目前市面上已有許多業界及學界所開發出的無線感測器節點，例如 2004 年柏 克 萊 大 學 (University of California, Berkeley, USA) 為 了 觀 測 白 腰 叉 尾 海 燕 (Szewczyk et al., 2004)所使用的圖 2-16(a) MOTE 感測器節點，為美國 Crossbow

公司所開發。圖 2-11(b)為同時期 Crossbow 所開發的另一項類似產品 MICA 感測 器節點。這兩個感測器節點均使用以事件驅動(Event-Driven)為流程設計的 TinyOS 作業系統，此系統由 Intel 公司、柏克萊大學以及 Crossbow 公司共同為 Smart Dust 專案開發。

隨著無線通訊技術及微機電技術的發展，越來越多公司及學術單位投入研究 感測器節點的開發製作，包括 Crossbow 公司的 Imote(USA: Crossbow, 2008)與 Sentilla 公司所開發的 Tmote-Sky(USA: Sentilla, 2006)，其感測器節點外觀如圖 2-12。其他還有像德國 ETH Zürich 公司生產的 BTnode(Germany: ETH Zürich, 2003) 等，甚至還有專為某些特定應用所開發的無線感測器節點，例如南加州大學 (University of Southern California, USA)所開發的 Robomote(USA: USC, 2004)，不 但具有無線感測的功能，同時節點具有移動的功能，外觀圖如圖 2-18 所示。由 這些設計不但可看出無線感測器節點開發被高度重視外，也可以看出無線感測器 節點已經被設計成可以適應更多環境，達到更穩定監測及回傳的功能。

(a) (b)

圖 2-11 國外感測器節點實體圖(a) MOTE(Szewczyk et al., 2004)；(b) MICA(USA:

Crossbow, 2009)

(a) (b)

圖 2-12 國外感測器節點實體圖(a) Tmote-Sky(USA: Sentilla, 2006)；(b) Imote2(USA: Crossbow, 2008)

圖 2-18 Robomote 實體圖(USA: USC, 2004)

而在國內，由國家科學委員會所主導的無線感測器網路技術前瞻研究之專案 計畫，帶領各學術單位於近年開始投入無線感測器節點的開發研究。目前已成功 研發兩個無線感測器節點產品，且已被許多學術單位於研究時所採用。於圖 2-19 (a)(b)所示，分別為臺灣大學團隊的 SuperNode(Taiwan: Wireless Sensor Network Center, 2007a)以及清華大學團隊所開發的 Octopus II(Taiwan: Wireless Sensor Network Center, 2007b)。

(a) (b)

圖 2-19 國內感測器節點實體圖(a) SuperNode (Taiwan: Wireless Sensor Network Center, 2007a)；(b) OctopusII (Taiwan: Wireless Sensor Network Center, 2007b)