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第二章 蒐集之資料、文獻分析

第五節 無線感測網路

壹、技術原理

無線感測網路(Wireless Sensor Network),是由許多空間的自動裝置組成的一種無 線通訊網路,這些裝置使用感測器協作監控不同位置的物理或環境狀況,ZigBee 為 WSN 的其中一種被廣泛使用的協定。

ZigBee 是一種低速短距離傳輸的無線網路協定,底層是採用 IEEE 802.15.4 標準 規範的媒體存取層與實體層。主要特色有低傳輸速率(250kbps)、短距離(一般約為 50-100 m,依耗電量之不同,可提昇至 300m)、低消耗功率、低成本、支援大量網路節點、

支援多種網路拓撲、低複雜度、快速、可靠、安全。ZigBee 協定層從下到上分別為實 體層(PHY)、媒體存取層(MAC)、網路層(NWK)、應用層(APL)等。網路裝置 的角色可分為 ZigBee Coordinator、ZigBee Router、ZigBee End Device 等三種。

ZigBee 可支援主從式以及點對點的運作方式,最高可擴充至 65536 個節點,擁有 非常高靈活的擴充特性。目前已被廣泛使用於環境監測、安全控制、電子設備自動化、

醫療照護、置換住宅等方面,已是無線感測網路內所共同認可的短距離無線通訊技術 之一。

貳、規格比較

與目前所熟知的高頻寬系統一樣,為了獲得最佳性能,使用者可以將低速率網路 安排為多重配置。例如,用一條橋接兩個端點的點對點無線鏈路簡單地替換一條通信

纜線。為了消除串接在一起的纜線,使用者可以用一條點對點無線鏈路將遙控面板連 接到一台可移動設備(例如機器人)上。許多低資料速率點對點鏈路在各端都含有低 成本收發器,可用來轉換通用的通信協定,例如:RS-232 。另一種無線網路形式:點 對多點,包括一個中央基地台和多個以星形或中心輻射(hub-and-spoke)模型安排的 無線節點。儘管 Bluetooth 和 IEEE 802.11 被認為是高頻寬網路,但它們的各種衍生 產品都是以點對多點模型為基礎。

Bluetooth 採用跳頻展頻來抵抗干擾,並且以大約 720 kbps 的峰值速率傳送資料;

ZigBee 的最大速率為 128 kbps。基本的 Bluetooth 協定要求複雜的通信協定棧,消耗多 達 250 kbytes 的系統記憶體資源,而 ZigBee 控制器要求少於 32 kbytes(8 位元控制 器)。ZigBee 設備可以快速連接,交換資訊、分離,然後再回到深度睡眠狀態,以便獲 得長久的電池壽命。Bluetoot 模型假定了類似蜂窩電話的週期性電池充電。Bluetooth 網 路增加一個新的從屬節點需要超過 3 秒的時間;ZigBee 則只需要 30 毫秒。最後,

Bluetooth 受限於 7 個使用者端;ZigBee 則可以處理成千上萬個使用者端。

表 2- 2 不同通訊協定間的比較

802.11b Bluetooth ZigBee 傳輸距離 100m 10m 70~300m

開發複雜度 高 普通 低

可容納節點數 視硬體能力而定 8 65536 資料傳輸率 11Mbps 1Mbps 25Kbps

安全性 SSID / WEP 64/128 bit 128 bit / key define

可否搭配感測器 否 可 可

生命週期單位 小時 天 年

(資料來源:本研究自行繪製)

參、應用發展

ZigBee 發展至今已廣泛的應用於本研究的日常生活中,如:智慧型住宅的控制(圖 2-5)、安全門禁系統的控制、醫學監測、環境監控等。在 2010 年 Yu 等學者[10]發表的 論文中,作者建立了一種使用 Octopus X 平台為基礎並以 Zigbee 為傳輸方式的環境感 測器,實作溫度、濕度、照度、一氧化碳、二氧化碳等多種不同功能之環境監控感測 器(圖 2-6),並佈署於建築物中,再依據感測到的環境資訊調整建築物內相關的電器,

更利用所開發的系統介面將感測到的環境資訊統整後供管理者查看,落實感測網路於 一般民生領域之應用等。

ZigBee 技術提供了以標準為基礎的無線連結能力,使用起來既簡單又方便,應用 範圍無遠弗屆。大樓的所有人若充分利用具備 ZigBee 功能的產品,就可以享有許多 好處,例如加強控制、減少成本、增加便利性,還能提高設施裡外的安全防護。而 ZigBee 的感應器耗電量低,於非使用狀態時會進入睡眠模式,減省不必要的能量耗損。但 ZigBee 的設計又非常適合分秒必爭的情況,處於睡眠模式的 ZigBee 感應器會在收到 訊號的 15 毫秒之內立即回應,並且即時回到網路上運作。即在整個網路上引發一連 串的動作:打開大燈,通 知警方或緊急救援單位,監視錄影系統會鎖定可疑的區域,

各個鎖也會即時因應通知而進行運作。

圖 2- 5 ZigBee 於智慧住宅中的應用

(資料來源:ZigBee’ye Giriş, http://okul.selyam.net/docs/index-23892.html )

圖 2- 6 使用 ZigBee 傳輸的亮度感測器 (資料來源:Yu, 2010 CALE)

肆、網路架構

一個典型的感測器網路的體系結構由感測器節點、路由器節點、網際網路(Internet) 和用戶介面等組成。在這個網路中,感測器節點通過多跳中繼的方式將數據傳到路由 器上,最後由路由器將所收集的整個網路的資料透過網際網路或者其他傳輸方式傳到 控制中心進行集中的處理。 ZigBee 傳輸協定支援的網路拓樸結構包括星狀 (Star Topology)、網狀(Mesh Topology)、以及樹狀(Tree Topology)型態的網路拓樸(如圖 2-7),

每一種結構都有各自的優點且可應用在多種不同的情況下。其中星狀結構的構造最簡 單,是由一個 Coordinator 連接多個 End Device 所組成,其優點為結構簡單、維護容 易、低延遲;但是由於單一 Coordinator 所能服務的 End Device 數量有限,所以較不易 進行網路的擴充。網狀結構是由一個 Coordinator、多個 Router 以及多個 End Device 所 組成,Router 之間可彼此互相溝通與傳遞資訊,網狀結構可提高較高程度的可靠性,

資訊也可通過不同的傳輸路徑進行傳遞,擁有多點跳躍、網路形成彈性、低延遲等優 點,但是路由成本較高且必需搭配路由表的儲存。樹狀結構也是由多個 Router 以及多 個 End Device 所組成,從結構的本質看來可說是網狀結構與星狀結構的綜合體,但與 網狀結構不同的地方是樹狀結構的網路型態有如樹木一樣以 Coordinator 為中心延伸 出許多不同組的枝葉,而且每一枝葉之間並不會互相溝通,樹狀結構的路由成本較低、

在資料傳輸上允許多點跳躍;但其延遲時間較長,且路由重建成本較大。

( :Coordinator :Router :End Device)

圖 2- 7 星狀、網狀、樹狀拓樸結構 (資料來源:本研究自行繪製)

基於安全與便利的考量上,若使用網狀網路拓樸設計網路的範圍就可以輕鬆擴展 到建物之外,增強周邊的防護。ZigBee 網路就像籃球架上的籃網每條線都彼此相連一 樣,將許多連結至其他區塊的點串聯起來,這些連結會形成堅固的多次跳躍式網狀網 路 (Multi-hop Mesh Network),如此一來,單一裝置無法傳輸資料時,就有其他傳輸數 據方式可供使用。在網路上增添新裝置的方式是向主裝置或個人區域網路 (PAN) 的協 調元件簡單提出要求即可。網路協調元件一收到要求訊號之後,就會將新的裝置納入 運作的網路之中。如果要讓裝置在原本網路周邊範圍以外運作,使用者可以添置無線 訊號增幅器 (Range Extender)。

ZigBee 網路可以輕鬆擴充,進而使單一網路可容納多達六萬五千個裝置。在設施 中採用大樓自動化的開發商與建築師可以充份運用 ZigBee 來建置無線監控網路,以 便集中管理建物內部的照明、暖氣、冷氣、保全系統。建物開發人員與設施管理人員 使用 ZigBee 產品之後,就無需佈設監控與管理各場地所需要的線路。以 ZigBee 為 基礎的無線網路同時具備彈性,使設施管理人員得以快速重新設定系統,以適應個人 或租戶在建物內所做的改變,包括因應公司擴建、縮編、或是想要改變現有的工作空 間而進行的改變,如此就能減少裝設與重新改建的成本。

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