行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
總計畫(1/3)
計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC93-2213-E-002-121- 執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣大學電機工程學系暨研究所 計畫主持人： 郭斯彥 共同主持人： 雷欽隆，黃寶儀，陳英一，王勝德，王國禎 計畫參與人員： 王思齊、吳明蔚 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 94 年 5 月 24 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
□ 成 果 報 告
▓期中進度報告
無線感測網路之關鍵技術及在社區照護之應用
計畫類別：□ 個別型計畫
▓ 整合型計畫
計畫編號：NSC
93－2213－E－002－121
執行期間：
93
年
8 月 1 日至 94 年 7 月 31 日
計畫主持人：
郭斯彥
共同主持人：
黃寶儀、王國禎、王勝德、雷欽隆、陳英一
計畫參與人員： 王思齊、吳明蔚
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：▓精簡報告
□完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、
列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢
執行單位：台灣大學電機系
中
華
民
國
94
年
5
月
31
日
2 一、中文摘要 由於無線感測器生產技術的進步與成 本降低，無線感測器已經漸漸適合被應用 於許多場合，尤其在社區的醫療照護更是 一個相當有潛力的應用。由於社區醫療人 員並無法隨時隨地的與病患接觸與看護， 我們可以在病患身上隨身裝備無線感測器 來測量其身體狀況來解決這個問題，例如 心跳、脈搏與血壓等等資料，可以透過無 線感測網路將即時資料傳回醫療中心的伺 服器，如此一來醫護人員將可以方便的掌 控病患的病情。 但這類的感測網路還存在一些限制與 考量因素，例如感測器有限的電力能源、 病患資料的即時性與保密性，這些議題即 為設計適用於社區照護之無線感測網路的 關鍵技術，本研究計劃在於探討並整合這 些關鍵技術，本期的研究將以對世界相關 的文獻做蒐集與探討。 關鍵字：無線感測網路、關鍵技術、社區 照護 Abstract
Because of the progress and reduced cost of wireless sensors, wireless sensors had been applied in many fields. For example, the Community Health Care is a promising application. Because the public health workers cannot contact and care the patients anytime and anywhere, one of the solutions is to equip wireless sensors on the patients to measure the health condition, such as heartbeat, pulsation, and blood pressure.
Then, those data can be sent back to healthy center through wireless sensor network. Thus, the patients’condition can be controlled by the public health workers conveniently.
However, this type of sensor network still has some constraints and needs to do some considerations, such as the limited energy resource of wireless sensors, the real-time and secret features of patients. Those issues are the key technologies of the wireless sensor network which are applied in Community Health Care. This research plan will discuss these issues and integrate them into a system. This periodical plan will collect and discuss the related lectures in the world.
Key word: wireless sensor network, key technology, and community health care.
二、研究計劃之動機與目的 隨著台灣社會人口的高齡化趨勢和一 般民眾對於生活品質要求的提高，社區照 護已經是一項迫切需要解決的問題。需要 建立照護網路系統主動關心病人的健康， 並逐步在社區中擴大照顧的範圍。 社區照護主要目的之一在於針對有需 要的群體 (例如由老人、孕婦或是慢性疾 病患者為主的環境)，在限定的地點 (如安 養中心)，來提供兼具廣泛性監測和即時性 支持的協助。但在實際的考量上，醫護人 員始終都是不足夠的，若能建立自動化系 統來代替人工，則不僅可以節省成本，甚 至能達到許多人力難以達到的好處，例如 二十四小時的醫療照顧和即時生理狀況監
行政院國家科學委員會專題研究計畫期中進度報告
無線感測網路之關鍵技術及在社區照護之應用
Key Technologies For Wireless Sensor Networks and Their Applications in Community Health Care
計畫編號： NSC 93-2213-E-002-121 執行期限： 民國93年08月01日到94年07月31日 主持人：郭斯彥 台灣大學電機工程學系教授
控等等。綜合以上優點，使用無線感測系 統來做社區醫療照顧將是往後的趨勢。 三、研究方法與文獻探討 本研究計劃基於許多設計考慮來研發 無線感測網路之關鍵技術，並實際發展一 高效能及高品質社區照護系統。我們依主 題分成若干個研究子項目，同時進行關鍵 技術的探索及社區照護應用系統的開發， 最後再進行整體性的整合。要做好無線感 測網路之關鍵技術及在社區照護之系統， 有幾點我們需要考量以下系統的整合： 無線通訊基礎架構 因為由感測器所組成的無線網路沒有 辦法像固接式的網路有穩定而無限制的電 源供應，而現代科技在電池等能源儲存裝 置上的進展相當緩慢，而當某些網路節點 因為能源缺乏而無法運作後，造成通訊的 路徑會受到破壞，整個網路壽命 (network lifetime) 也會受到限制，連帶使得架構在 其上的應用系統效率低落或無法完成。於 是發展可節省能源之通訊基礎架構為無線 感測網路中重要的議題，通常在無線網路 中有許多節省能源的方法，其中最常見的 方法就是當無線節點閒置時使之進入休眠 模式 [2]，但是在無線感測網路中節點通常 還要進行封包的轉達，於是並不適合將無 線節點經常性的進入休眠模式，在本計劃 則利用適當的降低無線節點的傳輸功率來 達到節省能源的目的 [3]，同時將相關的方 法整合到無線網路的路由協定當中[4]，並 適合的使用無線網路模擬器[5]進行驗證與 效能評估。 雖然適度的減少傳輸距離可以達到節 省能源的目的，但是同時也很容易造成網 路產能是降低，這亦是一項系統權衡的因 素，要如何在中間取一平衡點也是項重要 的議題。同時在社區醫療的系統當中，資 料的可靠性和傳遞性亦是相當重要的議 題，我們不充許病患在緊急時無法將訊息 傳遞回醫療中心，於是在接下來的研究當 中，我們將探討如何建立一具有可靠性的 通訊架構，這系統中是可以容許若干錯誤 發生而不造成系統停頓，並具有自我修復 (recovery)的能力。 動態定位技術 我們可在感測器本身加裝低功率的 全 球 衛 星 定 位 系 統 (Global Positioning System, GPS) 來進行對配帶對象行動範 圍的掌控，在一些電話系統(如 GSM)已經 在話機上面大量做用這類這項定位技術 來做導航和緊急的服務，甚至在一些政府 機構亦提出許多定位技術相關的應用和 技術[6]。 將定位技術應用於社區醫療也是項 相當重要的議題，其好處是可以即時掌握 病患的位置。若是病患發出了緊急通知， 醫護人員在經由 GPS 所提供的資訊用最 短 時 間 到 達 病 患 的 位 置 進 行 醫 療 與 搶 救。除此之外，GPS 的精確性也是一項重 要的技術[9]，醫療人員若不能精確的掌握 病患位患，將延遲病患救治的時間。雖然 GPS 系 統 解 決 了 戶 外 使 用 者 的 定 位 問 題，但是對無線感測網路來說，GPS 並 不適用，因為它太消耗能源及成本太高。 而這些問題，正是無線感測網路設計最關 鍵的部分。 影 響 定 位 的 因 素 還 包 括 Beacon Placement，但在這方面一直都沒有被深入 的探討，對於 Placement 來說，一般人常 認為只要做到平均 (uniform) 以及密集 (dense) 就會對定位有很好的貢獻 [8]，但 實際上來講，必須考量到成本問題，如果 採取密集分佈，則成本必定大大增加，再 者由於地形關係，要達到平均分佈通常有 一定的困難。另一方面，如果太過密集分 布，則 beacon 之間可能會產生很大的干 擾 (interference)。 在接下來的研究計劃當中，我們將對 這些影響定位系統的相關因素做進一步 的研究與探討，並擬定出一套適合於社區 醫護系統之定位技術。 感測系統中介軟體 在感測網路中的感測器，必需有別於 一 般 傳 統 感 測 器 只 具 備 些 許 簡 單 的 功
4 能，它必需更具備智慧性並且可在上面執 行一些網路協定或是應用程式，通常會在 小 型 的 感 測 器 上 嵌 入 一 小 型 的 作 業 系 統，如 TinyOS錯誤! 找不到參照來源。。 除了作業系統，使用中介軟體可用來有效 地彌補應用程式和作業系統 (或底層元 件) 間的落差，使得分散式應用程式的開 發變得容易。無線感測網路和傳統的分散 式系統有許多共同的特性，很自然的我們 會想把分散式系統的中介軟體應用在無 線感測網路上。 CORBA [10] 是最常見的中介軟體 系統之一，它隱藏了遠端物件的位址資 訊，使得應用程式可以將這些遠端物件視 為本地物件般存取。雖然我們也可以用同 樣的方式存取感測器上的資料，但是感測 器的位址資訊卻不見了。另外，將感測器 視為物件，我們也失去透過資料聚合的方 式來節省電力的機會。Jini [11] 的服務搜 尋協定和租借機制允許客戶端應用程式 搜尋服務，這對動態改變的無線感測網路 是相當有用的，然而這些服務依然是以物 件為基礎，因此和 CORBA 面臨相同的問 題。 在接下來的研究計劃當中，我們將嘗 試著進一步從事感測器作業系統與中介軟 體的相關研究，包括孰悉中介軟體的使用 與開發，並把相關的研究議題整合入作業 系統之內，將作業系統重製為適合應用於 社區醫療體制之感測器作業系統。 感測網路安全性架構 在網路安全性架構的設計中，網路基 礎建設之上的權限劃分及通訊協定，如網 路伺服器與感測器的部分，可以使用傳統 網路應用程式常見的建置方式及相對應 安全通訊協定或是加以改良；而可攜式發 送裝置與感測器之間的安全通訊協定則 必須考慮硬體上諸如運算能力及儲存空 間等等的限制，在可行性與安全性之間求 取適當的平衡點。 在安全性架構的設計完成之後，基於 對病患資料安全性的考量，系統必需可以 偵測並抵抗一些攻擊或是竊聽。通常攻擊 可分為主動式攻擊與被動式攻擊，被動式 攻擊大多數只竊聽其通訊管道，並不對訊 息的路由與傳送造成影響；而主動式攻擊 則會發出訊息破壞通訊協定的運作，當攻 擊一發生將會導致系統停頓(crash)，無論 是主動式亦或是被動式攻擊，在健全的醫 療系統下都必需具備能力避免其發生，亦 有學者將安全性相關的探討研究作歸納 與分類[13]，我們於接下來的研究計劃中 我們將評估各式各樣可能發生的攻擊，研 究相關方法來抵禦這些攻擊，以加強系統 的健全性。 服務整合平台之設計與建置 所謂的社區服務整合平台，是以提供 緊急醫護與預防診斷的服務為主軸，佐以 跨醫療資源系統的整合，以提高慢性病患 醫療的醫護品質。在此過程中，系統的建 立 需 要 「 智 慧 型 通 報 技 術 (Intelligent Notification Service)」、「入口閘道整合 技術」、「資料分析技術」、「Web Services 系統整合技術」與「資訊安全控管技術」 技術上的整合[14]。以各個技術層面來 看，病患在此平台的醫護下，病人在血壓 過高或生命跡象微弱時，系統的分級通報 機制會依據事件的嚴重層級，利用不同的 訊息通道，將訊息傳達至適當的醫護人 員，因此，訊息的自動比對是項重要的機 制。另一方面，在建構應用服務入口時， 為了改進一般程式在重用性上的不足，我 們將以 Content Aggregator 的概念進行入 口閘道程式的開發，並且藉由 XSLT[15] 技術作為多元化裝置支援的基礎。同時， 醫師下達緊急醫囑時，聯外模組會經由 Web Services 異質平台整合技術進行外部 醫療服務的呼叫，以期達到立即的醫療救 護。另外，有關 Web Services 協定上的安 全亦是我們關注的研究主題，包括 XML Digital Signature 、 XML Encryption 、 SAML、XACML、以及 XKMS 技術的討 論。除此之外，一般的慢性病患可透過本 平台，對於心電訊號或血壓指數進行分 析，提供診斷之準確評估，達到疾病復發 前 的 預 防 照 護 。 此 平 台 將 以 「 reverse
proxy(反向伺服器)」為基礎，進行使用者 的身份、角色、權限的中央控管，強化醫 療資訊系統的安全性。此平台的宗旨在建 立醫療服務的整合平台並兼顧網路安全 與隱私保護，以落實社區照護服務目標， 提昇病患生活品質。 四、結論與建議 從另一方面來說，由於近年來低功率 微機電感測器和無線通訊等相關技術的 進步，所以不但已經有實際的產品可以讓 需要特殊醫療照護的人經由配帶感測裝 置，持續的觀察其脈搏，體溫或是其他生 命跡象。例如對於慢性病患者，必須紀錄 其生理參數，以掌握其生理狀況與追蹤是 否有潛伏性病因，達到事前預防之準備。 因此，對於需要長期照護的病患，若能藉 由居家照護系統之協助，不僅可以節省節 省高成本的照護醫療人力與資源，並獲得 即時性之診斷與醫療諮詢服務。上述這種 由感測器和無線通訊裝置所協力組成的 網 路 廣 泛 地 被 稱 做 無 線 感 測 網 路 (wireless sensor networks, WSN)。這種全 新的網路架構不但能改變網路世界的現 貌，對於很多新領域上的應用更能提供一 個更強而有力的解決方案，尤其對於上述 的社區照護系統，無線感應網路更能發揮 它的特性。更精確的說，無線感測網路的 優勢在於提供一個更具便利性和彈性的 應用系統開發平台[17]。 另外，因為無線感測網路具備無控制 中心、自我組織、多層傳遞的路由機制、 動態拓撲、快速佈署、低耗電量的特性。 在此網路架構中的每個感測節點都擁有 獨自的通訊能力，可個別負責收集、處理 及傳送資料給訊號範圍內的感測器，並能 在動態的環境下，主動連結其他無線設備 並快速完成通訊網路的架設。因此，若能 結合低耗電、輕量化的可攜式生理訊號感 測等裝置，再搭配設置於家中與社區環境 的無線感測儀器建構起所謂的「社區無線 感測醫療網路」，將可減少社區有線節點 的舖設配合照護服務整合平台的建立，協 助特殊需要族群 (如居家慢性病患) 在社 區環境下進行生理監控，使慢性病患能在 接受治療的同時，也能夠自由移動於社區 居住環境，將有助於提昇慢性病患的生活 品質。 五、參考文獻
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[3] V. Rodoplu and T. H. Meng, "Minimum energy mobile wireless networks." IEEE J. Selected Areas in Communications, 17(8), August 1999
[4] C. Perkins, E. Royer, and S. Das, "Ad Hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing," IETF RFC 3561, July 2003
[5] VINT Group,“UCB/LBNL/VINT networksimulatorns(version 2),” http://www.isi.edu/nsnam/ns/ [6] White House office of The Press
Secretary. Improving the Civilian GlobalPosition System(GPS).
http://www.igeb.gov/sa/whfactsheet.txt [7] V. R., Yi Yang, and Teng Yang, “A
n overview of Wireless Sensor Netw ork and applications”, IEEE Proceedi ngs of the 35th Southeastern Sympos ium on System Theory. 2003
[8] Xiaohong Sheng , and Yu-Hen, “Sen sor Deployment for Source Localizati on in Wireless Sensor Network Syste m”.
[9] A. Krikelis. “Location-Dependent Multimedia Computing,”IEEE Concurrency 1999
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[11] K. Edwards, Core JINI, Prentice Hall, 1999.
6
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[14] Mi-Joung Choi, Hong-Taek Ju, Hyun-Jun Cha, Sook-Hyang Kim; Hong, J. W.-K. “An Efficient Embedded Web Server for Web-Based Network Elem ent Management,” Network Operation s and Management Symposium, IEEE /IFIP, 2000, pp. 187 –200.
[15] XSL Transformations (XSLT), Versio n 1.0 W3C Recommendation, Novem ber 16th, 1999 Available on W3C sit e at http：//www.w3.org/TR/xslt. [16] Roan Jin-Sheng, Cheng-Yuan Ku, “T
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[17] A. Balachandran, G. M. Voelker, and P. Bahl, "Wireless Hotspots: Current Challenges and Future Directions," i n proceeding of ACM WMASH'03
可供推廣之研發成果資料表
□ 可申請專利 ■可技術移轉 日期：94 年 5 月 31 日國科會補助計畫
計畫名稱：無線感測網路之關鍵技術及在社區照護之應用 計畫主持人： 郭斯彥 計畫編號： NSC 93-2213-E-002-121 學門領域：資訊一技術/創作名稱
無線感測網路之關鍵技術及在社區照護之應用發明人/創作人
台大電機系 中文： 針對無線感測網路的特性與限制，本計劃擬發展一套適用於社會照 護之無線系統，包括其通訊基礎架構、中介軟體、保密安全性、資 料探勘，與平台整台。除此之外，本計劃也提出無線感測網路如何 應用於實際的社區照護，如何與醫療體系互動協調等等相關議題。技術說明
英文：According to the characteristics and constraints of wireless sensor networks, this plan develops a suitable system for community health care, including of communication infrastructure, middleware, secret, data mining, and platform integration. Besides, this plan also proposes the applications and the negotiation of practical community health care.
