System model

如圖 2，我們的系統包含以下三部份，分別是：GSM Network、Vehicle Sensor Network 車載裝置，以及一個中控式的 Server，車載裝置負責採樣空氣中的

CO

² 值，接收來自 Server 的命令後，就會依據 Server 所給定的回報率週期性地將

CO

²濃度、目前所在位置、以及時間等資料回傳；Server 會如同 WSN 中的 Sink 一般收集資料，並且依據小區塊內車載裝置所回報的數據分析處理，並且計算出 新的回報率，並將新頻率以簡訊發送給各個 VSN 車載裝置以調整各區塊車載裝置 回報的資料數量。

我們利用調整回報率控制各區塊回報資料量的原因在於，在大範圍環境中，

能夠提供免費傳輸服務的協定(例如 Wi-Fi)，其傳輸距離都不足以支援 VSN 網路 的移動距離以及速度，因此我們選擇使用 GSM 簡訊來實做我們的系統，但在電信 網路中，每個訊息的傳輸都必須收費，在這個前提下，我們希望儘可能以較少的 訊息量，有目地的測量到我們認為重要性較高的區塊，若是以其他的無線網路協 定(例如：WF-Fi、WiMAX)來看，則調控回報率有助於控制封包量，節省頻寬，舒 緩大量 VSN device 同時回報資料可能造成的擁塞問題。

GSM Network 即是目前最為廣泛使用的行動電話電信網路，基本架構如圖 3，

它的網路拓墣是由許多散佈在各處的 Base Station(BSS)所組成，Base station 會負責服務進入自己涵蓋範圍的 MS(Mobile Station)，當 MS 開始使用 GSM 網路 的服務時，BSS 中的 BTS(Base Transceiver Station )會負責收集 MS 發出的訊 號並交給後端的 BSC(Base station controller)，BSC 負責建立通話、斷線、

handoff 等工作，隨後在經由 MSC(mobile service switching centre)進入 NSS(Network and Switching Subsystem)，開始執行實際的服務及功能。如圖 4，

當使用要傳送一封簡訊時，會透過手機將簡訊傳送至基地台，基地台隨後會將簡 訊透過 BSC 傳送至各家電信的簡訊中心(SM-SC)，再由簡訊中心將訊息透過 MSC 找到目標接收者的手機，並經過與發送簡訊相同的流程將訊息發送過去。

圖 3.GSM 網路基本架構

圖 4.簡訊發送流程圖

VSN 車載裝置的部分，主要分為兩個部份—車外裝置及車內裝置，如圖 5，

並以 Jennic 整合，其中

CO

² sensor module 為車外裝置，安裝在車外以便對空 氣中的二氧化碳值進行採樣，而車內裝置，則是由 GPS module 和 GSM module 構成，GPS module 主要的工作是定位，而 GSM module 負責接收、回傳資料。

在圖 5 中.，Server 與 VSN 車載裝置之間的通訊，是依靠 GSM 系統以簡訊的 方式傳遞，之所以會採用 GSM 系統的原因有二，(1)我們希望能夠感測大範圍的 都會區，雖然有如 Wi-Fi 之類免費的系統，但它們的通訊距離太短，無法提供遠 距離的通訊。(2)使用 GSM 系統，較不會發生一般無線網路環境中封包丟失的問 題，有助於讓我們計算系統是否能夠成功的減少用於通訊方面的成本。

至於車內、車外裝置的聯繫，則使用 Jennic 提供的 802.15.4 通訊協定 (ZigBee)與車內裝置溝通，802.15.4 協定是一種低傳輸速率 (250kbps)、短距 離、低消耗功率、架構簡單的技術，支援主從式或點對點方式運作，同時最多可 有 255 個裝置鏈結，具有高擴充性，因此相當適合用於我們兩部分裝置的通訊。

詳細的實做細節，我們會於第四章詳述。

圖 5.VSN 車載裝置架構示意圖

3.2 Control Flow for Data Collection

圖 6 為 Server 行為的流程圖，首先 Server 會將一個 initial message 發送 給各裝載有 VSN device 的汽車，我們稱這種汽車為 VSN car，當 VSN car 收到 這個 Message 後就會開始收集資料並回報給 Server，當收集資料一段時間後，

Server 會根據收集到的資料量推估每個區塊內的 VSN car 數量，計算出各區塊 新的回報率，之後再傳送一個 adjusting message 來做出調整。

H

VSN device:

internal part

VSN device:

external part

GSM Base station

external part:

CO2 sensor

internal part : GPS + GSM

Receive data from vehicles

Determine the new report rate based on :

1. number of data 2. number of Vehicles

Transmit command with new reporting rate through

GSM short message Server

Send initial message to each VSN car

圖 6.Server 系統流程圖

YESYes YES

Yes

圖 7.VSN car 動作流程圖

3.3 Reporting Rate Adjustment Scheme

在上面的章節中，我們提到希望藉由調整回報率的方式來節省 GSM 通訊的成 本，因此我們在這邊提出一個簡單的中控式演算法，讓 server 可以自行決定是 哪些區塊應該調整回報率，又應該調整多少？

在本系統中，我們將希望感測的區域限定為矩形，並且分割為若干個小區 塊，因此，Server 會將區域的範圍、該分割為多少小區塊、以及一個基本的回 報頻率發給所有 VSN 裝置。

我們先假定常態下，氣體在空間中是呈現連續的擴散分佈，而可能會有劇烈 氣體濃度變化，或者有較高濃度氣體分佈的區塊設定為較為重要的目標，因此這 些區塊就需要有比較高的回報率以收集更多資料，回報率則是以分鐘為時間單 位，由 initial message 設定的起始回報率為基準向上調整，而因為 CO² sensor 感測亦需要時間，以我們採用的 H550 EV 來說，每三秒可採樣一次，也就是說最 高的回報率為 20 次/分鐘。

當 VSN car 進入目標監測區域開始工作一段時間之後，server 就能得到各 區塊的一些資料，由於 VSN car 大部分時間保持在移動狀態，因此我們無法預設 會得到哪個地點的氣體濃度資料，因此我們必須以現有的資料推測區塊內可能的 氣體分佈狀況，藉此調整回報率，演算法流程圖如下圖 8。

Estimate the number of VSN cars

Calculate Cij ,δ_i,j ,andλi,j

for each grid(i,j) Is timer expired?

Collect data form environment SERVER

VSN car

Receive data from VSN cars

send adjusting message to each VSN car.

Adjust reporting rate

YES NO

Adjust reporting rate Received reporting message

NOYES

YES

NO

圖 8.演算法流程圖

首先，server 會依據收集到的數據，藉由收到的資料量，推測每個區塊中

其中α、β、γ皆為係數，可以依據實測數據或是個人需求調整，設一段時 間間隔為 t ，經過 t 時間後，server 就會開始計算第 i 輪所收到的資料量是否有 達到門檻值，若發現資料量不足，server 就會依據上述方式計算出新的回報率，

並以上輪推測出的 VSN car 數量分配在此區塊內每輛車的回報頻率。

3.3.1 Determine Block

因為我們的系統偵測的區域設定在都會區，無可避免的會受限於道路走向，

建築物等障礙，舉例來說，下圖的兩種情況就可能會 server 因為長期無法接收 到遭建築物阻礙區域的回報資料，導致 server 不斷調高該處的回報率。

Building

Building

到來自該區塊的資料，並確認該區塊回傳資料的經緯度是否僅集中在某些區域，

若這些區塊根本沒有回傳資料，又或是僅有很小的區域有資料回傳，則 server 就會假定區塊內有足以阻擋 VSN car 的地理障礙，因此會將這些區塊內的回報率 設為最低，減少無意義的資料回報。

CHAPTER 4

Implementation

在本章節，我們將提供實作的細節，完整的系統架構圖如圖 8，包含 Jennic、

CO² sensor module、GPS、以及 GSM module，圖 10 中，Jennic 會週期性的檢查 GSM 是否有收到訊息，若有，則 Jennic 會處理並保留這些訊息，當已經收到來 自 Server 訊息的 VSN car 進入目標監測區域時，Jennic 會透過 ZigBee 丟訊息 給 CO2 sensor 所在的 Jennic，要求它開始測量 CO2 值，之後會再透過 ZigBee 把 CO2 的值回傳，得到所需資料後，Jennic 就會透過 GSM module 把資料傳給 Server。

圖 10.VSN 車載裝置硬體架構示意圖

VSN device 會依照回報率定期回報空氣中的 CO²濃度，回報率由 Server 根 據不同區塊 CO²濃度值的差異度決定，因為目標設定的感測區域較大，所以 Server 會以 GSM 短訊將命令或資料傳送給各個 VSN node，最後，Server 再將收集到的 data 與 Google Map 整合後呈現。我們的系統分為 Server 和 VSN device，各部 份詳述如下。

4.1 VSN device

VSN device 裝置於許多汽車上，分為三個部份 GPS module[13]、CO² sensor module[12]、以及 GSM module，其中 GPS module 以及 GSM module 合併放於車 內，而 CO² sensor module 則獨立安裝於車外，以無線網路將資料傳入車內的裝 置，使其得以順利收集車外的 CO²讀數，我們以 Jennic 晶片[11]將它們整合，

Jennic 支援 802.15.4 protocol，主要設計使用於短距離的無線通訊，我們加上 GSM module 以提供大範圍區域採樣以及資料傳輸。

我們的裝置中，將 CO² sensor module 和 GPS module 分別組裝於兩塊不同的 Jennic，而 GPS module 與 GSM module 則以 RS-232 連接，當 GPS module 透過 Jennic 提供的 802.15.4 protocol 收到 CO² sensor module 的採樣資訊，GPS 所 在的 Jennic 會判斷目前的回報率，並依據回報率，經由 RS-232 以 AT Command 控制 GSM module，定期將目前所在地的 CO²濃度以及經緯度回傳給 Server。下

列表 1 為我們所使用裝置之各部功能：

裝置 功能 連接方式

Jennic 整合平台、資料處理 內建 UART Port 以及 I2C 介面

GPS module 提供 GPS 定位資訊 以 UART 連結至 Jennic GSM module 接收/回報資訊 以 RS232 與 Jennic 相連 CO² sensor module 感測空氣中二氧化碳濃

度

以 802.15.4(ZigBee)與 GPS 所在 Jennic 溝通

表 1.各硬體功能及連接介面

4.1.1 Jennic

我們主要以 Jennic5139 型[11]晶片整合所有 module，它提供了 32-bit RISC CPU 的運算能力、192kB 的 ROM、96kB 的 RAM、2 個 UART port、一個 2.4GHz 收 發器，並支援 802.15.4 protocol，提供短距離的無線通訊能力。圖 11 為 Jennic 的硬體框架簡圖。

圖 11. Jennic 系統架構圖

4.1.2 CO

₂

Sensor

我們使用 ELT 公司出產的 H550-EV CO² sensor module[12]來感測空氣中的 CO² 濃度，它是一種電子式的 module，每 3 秒取樣一次，可感測的 CO²濃度範圍 在 0~5000p.p.m.，一般室外空氣中的 CO² 濃度值約為 4~500p.p.m.，因此採用這 個 module 完全可以滿足我們的需求，但此 module 感測到的 CO²數值會略為偏高，

我們在經由與不同種類的化學式 sensor 對照校正後，將採樣的值以一個簡單的 函式向下修正。

CO² sensor module 以 I-Squared-C 介面與 Jennic 連接，每次由 sensor 感 測到的數值，都會經由 Jennic 下修後，以 802.15.4(ZigBee)傳送至 GPS module

I-Squared-C 是一種串列通訊匯流排，運用在類似 Jennic 的微控制器時，

可以讓週邊在系統運作的同時加入或移出此介面，因此即使同時有複數個週邊，

也可用一個 I-Squared-C 介面來整合。我們採用此介面來整合 Jennic 與 CO² sensor module 是考量到這個系統的擴充性，以供未來加入其他的 sensor 加強 系統對空氣監測的能力，或者運用於別種用途(例如：溫度、溼度、風向、氣壓 等監測)。

下圖 12 是一個 CO² sensor module 的實體圖，左邊是一個 H550-EV CO² sensor module，透過分接的介面連接到右邊 Jennic 的 I-Squared-C 介面，此外電源也 由 Jennic 分接出來，以便於控制 CO² sensor，以後若要加入新的裝置(例如：

sensor)，只需要依照同樣的模式連接該裝置即可。

sensor)，只需要依照同樣的模式連接該裝置即可。

在文檔中 車載感測網路於大範圍環境監測二氧化碳之應用 (頁 17-0)