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無線生醫遠端
居家健康照護系統開發
組員：賴柏廷 組員：陳蕙馨
指導老師：陳啟元
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中文摘要
過去十年來台灣人口老化速度逐漸加快的趨勢，並根據衛生署調查統計，
88%的老年人都均罹患一種以上的慢性疾病，大部分的高寧者寧願選擇在家老 化，不願去安養機構或者護理之家，基於因此，要如何開發一套可以使居家的高 齡者的健康管理系統。傳統的生理測量設備都均獨立的，所測量的資料無法集中 管理儲存，而造成無法進行分析和管理的使用，因此可以藉由 RIFD 的技術來建 立一個可移動式登記的系統，讓居家的高齡者皆可以發出登入訊號而使用本系 統，
並可透過整合的不同的生理測量設備如體溫、血壓、血氧濃度、心跳規律等等，
並可運用無線通訊的技術，將測量的訊號傳送到個人的電腦進行統計分析處理與 儲存，發現高齡者所檢測的訊號超過正常值，並會提供相關的衛生知識與建議，
並會自動透過電子郵件或簡訊通知家人、照顧或家屬，或是相關的醫院，提供適 時的關懷。
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第1章 緒論
1.1 研究背景與動機
在全球社會高齡化的趨勢下，造成了以慢性病為主的疾病形態，由於「在地老化」
(Aging in place)為當前世界各國在推動照護服務的主要理念因此以社區為基礎 的照護中心或居家護理等相關服務模式，便成為滿足受照護者需求的重要途徑。
受我國固有文化習俗影響，有部分人認為子女奉養雙親的方式應該是父母同住才 能盡孝道，落是銀髮族離開家庭到老人養護機構接受照顧，子女必須承受公眾的 輿論壓力，遺棄父母的異樣眼光，而銀髮族心中也會覺得自己老年被子女拋棄的 感覺，落可以在自己的熟悉的環境中老，原有的人際關係與家人的關係能繼續維 持，在自己熟悉的環境之適當運用科技輔助道具以及環境的改造，可以幫助銀髮 者繼續在家庭扮演原來的角色，也可以獲得較人性的照顧。依據內政部分析
［老年生活狀況］中發現，有 88%的銀髮族認為與子女隔鄰而住或同住或配偶 同住是最佳養老的居住方式。未來的銀髮族人口持續的增加快速，如何讓居家照 護的功能更適合生理心理接產生改變的銀髮族，也是政府相當重視的課題，行政 院衛生署提出［老年長期照護三年計畫]中，首要著重居家照護服務，所以居家 照護勢必會成未來照護的主流
1.1.1 人口高齡化的趨勢
人口老化在 40 多年前就出現在日本與北歐部分國家，近數十年來友也其他國家 也逐漸有晚婚、遲育、少子化的形成人口成長的趨緩，人口結構逐漸高齡化，高 齡化已是全球的一種趨勢我國也是如此，目前我國的結婚年齡逐年延後，不只是 有晚婚的現象，部分年輕人是不婚主義，加上工作忙碌、養兒育女費用經濟壓力 大又降低生兒育女的意願。
以前的生活艱辛困苦出生後可能會有糧食不足，若幸運地獲得衣食無缺順利成 長，但還必須面對環境公共務生不佳與醫療資源不足的問題，一遭受疾病生存率 都不如現在的高，所以有句話人生七十古來稀，現在的公共衛生大幅提升醫學發 達，
人類的平均餘命階提升，民國 45-90 年平均餘命提升了 10 歲以上，男性平均年 齡 75.6 歲，女性為 82.3 歲，依照目前的情況平均餘命還會繼續提升，預估 145 年我國平均餘命可達 80 歲以上。
重二次世界大戰之後，1946-1964 年間出生人口量許多，統稱嬰兒潮時代，我
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國受嬰兒潮影響，當時平均每位育齡婦女總生育率為 7 人，當時嬰兒潮出生的這 些人在未來幾年步入老年，加速人口老化現象，在 2002 年期間，已開發國家的 嬰兒潮世代人口估計高達 3.45 億人，占總人口比率約 28.9，龐大的嬰兒潮世代 出生人口及轉化為老年潮退休人口，進一步加深人口結構老化。
依據內政部資料，我國 97 年戶籍登記人口為 2303 萬 7031 人，65 歲以上人口 有 240 萬 2220 人，已佔我國總人數的 10.43%，97 年人口增加率為 3.42%，
人口增加率有逐年遞減的現象，嬰兒潮的人口也陸續老化，形成人口結構的變 化，預計 2025 年我國的銀髮族也將占總人口 20%與國際間狀況相符。日本在 40 年情就已有人口老化的問題，我國是從明國 82 年邁入聯合國鎖定地的高齡化 社會，(65 歲以上人口佔總人口 7%以上，台灣預估 2050 年老化程度會超越鄰 近的新加坡、韓國、香港更將逼近本的老化程度。
1.1.2 慢性病對銀髮族的影響
老化之後經濟來源改變最明顯的就是生理機能的改變，2007 年國民健康局所公 布的{中老年身心社會生活長期追蹤調查}顯示，將近八成(88.7%)老人自述經醫 師診斷至少有一種慢性病，五成以上老人自述醫師經歷至少有三項以上慢性病。
我國因有實施全民健保，對銀髮族的就醫經濟復旦比較輕所以就沒診率比其他沒 實施醫療保險的地區來的高，因銀髮族的人口逐年增加國內慢性病的治療費用逐 年增加，健保局在 97 年度健保藥品支出總機額 1250 億，其中治療心血管類用 藥包或高血壓及高血脂等藥品，就花了 263 億，佔年度總藥品費用的五分之一，
若再加上其他慢性病的藥費與門診，住院費用就佔健保年度的 60%。
慢性病已經成為無形的殺手，96 年十大死因慢性病也占了約六成，根據統計，
近年來包括腦心血管疾病、糖尿病、高血壓、高血糖、動脈營化疾病，顯見者慢 性病對國人的影響。
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在有限的醫護人員的狀況下如何服務眾多的慢性病患，目前醫療院所的診療狀 況，皆是患者掛號後進行基礎檢查，如血壓、體溫、血糖值，這些數據再由專業 的醫師，對患者進行檢查在所有需要的狀況下實施其他的檢驗動作，之後由護理 人員實施簡單的衛教或是轉由營養師實施衛教宣導，並給予該類型疾病的定型化 宣導資料，患者領藥回家等待下次門診。
目前治療方式都是採取上次檢驗與回診當是的檢驗狀跨來診斷，而兩次看診之間 在家的居家生理狀態不能完全在醫師面前揭露，只能擷取片段的生理狀況不夠全 面性，在醫院雖有專業的衛教護理人員，來宣導衛教但一般民眾很難短時間吸收 衛教的觀念與知識，而醫療院所給予衛教的觀念都是定型的宣導不只是針對病患 狀況所提出，所以資料過多時常讓銀髮族混淆不清楚
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慢性病患就診流程
國內銀髮族罹患慢性病比例非常高，不少銀髮族都是藥罐子，若能預防保健醫學 可以是更多人遠離慢性病的的侵擾，藉由本次研究希望可以找到方法能可以讓未 罹患慢性病的銀髮族繼續保有健康，或是讓已經罹患慢性的的病患可以藉由控制 監控繼續保有原本的生或，並減少併發症發生以及減緩慢性病的發病時間，並可 以讓銀髮族更健康並降低醫療支援方面的支出，可以讓他們愉快的安排自己的生 活。
1.1.3 資訊科技對照護方式的影響
隨者目前高性能微型設備設計技術及無線通訊技術的快速發展，即使不用識別，
各種資訊設備及其他設備都能輕易構成網路，結合這些技術可以是生化量儀器藉 由無線傳輸可以延伸醫院端的照護，資訊科技的進步讓遠距照護不在是一種空 談，而是一種可以實現的照護模式，讓遠距照護逐漸受到各方的重視。
1.2 研究目的
因為國內人口速度改變高齡化造成醫療照護人力資源不足的問題，我們研究採用 無線感測網路技術開發［無線生醫遠端居家健康照護系統］，以改善傳統醫療居 家照護的不足，提供銀髮族可以無所不在的健康照顧與關懷，並且提高醫療品 質，減少醫療資源支出。
可透過健康檢查各項數據找出罹患慢性病的高危險群患者，提供衛生教育和金康 指導、追蹤諮詢等方式，可以減緩慢性病人口增加的趨勢並降低醫療資源使用，
並可以告訴已罹患慢性的銀髮族可藉由正確的飲食習慣與運動遠離慢性疾病的 威脅，慢性病雖不能完全根治只要妥善控制，依然可以保持健康和減緩病情的惡 化與併發和併發症的發作時間。所以希望能開發一套可以無線居家測量的系統讓 銀髮族自行在家中環境中任何地方可以進行生理測量，並依測量出來的狀態提供 專屬客製化的衛教資訊，讓在家的銀髮族可以得到完善的照護，即時了解自己的 生理狀態更可以看到自己的衛教資訊，不用再被複雜的衛教資訊干擾混淆，如我 有異狀可以及時通知親友與照護者，讓親友與照護者可以給予銀髮族協助關懷的 系統，不但可以讓銀髮族更加掌握自己的生理狀態，也可以讓居地在外的親人即 時掌握家中長輩的身體狀況，以上這些生理訊息也可以透過無線傳輸提供給專業 醫護人員，讓醫護人員可以了解被照護者就診當天的狀況，並能掌握照護者平時 在家的生理狀況，能提供完善的患者全時段的狀況增加平時就診的準確度，提高 醫療品質促進健康並減少醫療資源的浪費。
所以本研究項目如下:
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1. 開發一套無線生醫遠端居家照護健康管理系統，方便讓銀髮族自主健康管 理
2. 開發客製化專屬衛教資訊，建立正確醫療態度減緩慢性病病情惡化，病人 有效控管病人的健康狀況
3. 整合 Zigbex 無線傳輸進行遠距生理測量，解決生理測量不便的問題 1.3 研究範圍與限制
銀髮族居家照顧涵蓋範圍食、衣、住、行、育樂等各方面，本研究焦點將放在銀 髮族的生理健康，以測量血壓、血氧、心跳、體溫等生理環境的訊號，作為本次 研究範圍。
生理訊號種類非常多，血壓、血氧、紅血球含量、血脂肪、脈搏、血糖、血色素、
尿蛋白、體溫；血鉀、體重、體溫等等都是人的生理訊號，所以本研究排除依班 銀髮族無法居家無法自行測量的部分例如:需抽血檢驗的部分如血脂肪、紅血球 含量、血色素、血鉀等等，只選擇可以讓居家的銀髮族自行測量的項目，並較容 易影響生理健康的生理訊號如；血壓、血氧、心跳率、體溫、心電圖等等 1.4 研究流程
透過系統性來分機遠距照顧的需求，以及預期能達到的效果，研擬出研究的流程 圖，為有效完成本研究。
(1) 研究背景
在全球人口老化的前提下，銀髮族在家裡要如何可以得到更好的照顧，目前 沒有一套成功的商業模式能普及全球，所以許多產官學界都在思索解決遠距 照顧的問題
(2) 選定主題
讓銀髮族隨時在自己居住的環境中都可以受到完善的照顧，有如{專業的醫護 人員隨時伺候在側}，可以讓健康的銀髮族保有健康活力，有慢性病的長者可 以藉由完善照護保持目前身體狀況，並減緩惡化與發生併發症，提升銀髮族 自主管理的能力與生活品質，與降低醫療資源支出
(3) 文獻回顧
先行研究國外遠距照護的方式，再與國內遠距照顧的狀況比較，再針對無線 網路技術進行研究分析，選擇適合的無線傳輸模式。
(4) 系統規劃
先實施系統分析，將列出本系統必須具備的功能，依需求適當選擇生量測儀 器，和適合的傳輸工具，依照各需求統合出一套符合銀髮族的系統
(5) 系統設計
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依照系統規畫出來的功能需求，進行硬體的結合、資料庫的連結、含傳輸的 測試。
(6) 結論與展望
整理系統的經驗與開發成果，評估未來研究的方向
研究流程圖
第二章 文獻回顧
2.1 國外遠距照護發展狀況
美國的厄爾巴索大學 Patricia Mendoza 等人提出遠距居家照顧的應用
在居家中收集照護者的血壓、血氧、溫度等生理資訊，採用有線傳輸模式直接與 居家的電腦系統傳遞訊息，這資料並由在居家的電腦先進行儲存與顯示，並透過 網路把生理訊號即時傳送出去，使人處與異地的照顧者不必受時空的限制透過 Internet 看到照護者的生理狀況，為了方便照護者的閱讀判斷，生理資料將以更 具有親和性的圖形模式呈現
研究背景
選定組題
文獻探討
國內遠距照護現況研究
系統設計
無線網路技術研究
系統規劃
結論與展望 國外遠距照護現況研
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美國學者提出的遠距居家照護應用系統的架構圖
美國學者提出遠距家庭照護圖形介面
針對美國人的人口日漸老化，醫護人員不足和醫療資源浪費的問題，提出遠距無 線居家監控的應用，透過藍芽無線傳輸模式可以在家中任何地方，不在空間的限 制下皆可以收集到照護者在家中的血壓、溫度、血氧等身理訊號。
將資料傳送到居家的電腦進行儲存顯示，並把生理資訊狀態的訊號傳遞給專業的 醫護人員進行解讀，家中與醫療院所的資料傳送採用乙太網路或是網際網路，把 照護者的生力資訊傳送到選端醫院的電腦給醫護人員進行解讀
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美國學者所提出的無線遠距居家監控應用感應器資料傳送模式
美國學者提出的遠距無線居家監控應用資料傳輸模式 2.2 國內遠距照護發展現況
中國醫藥科技大學附設醫院為中台灣醫療重鎮之一，提出腦中鋒個案健康管理創 新服務計畫，該計畫用採用生理測量、遠距健康諮詢與緊急求救的系統來照顧曾 經中風出院在家安養的民眾。將以往兩次中鋒的患者就診模式，從出現嚴重症狀 後病患才會送到醫院求診的模式轉換為積極主動的健康照護模式。透過資訊科技 與資訊平台的應用，隨時間空居家照護者的生理狀況。當測量有異狀時，照護關 可以主動給予被照護者的協助，若照護者發現自己有緊急狀況，亦可使用緊急按 鈕求救，藉由電纜線發出的照護者求救訊號傳達到遠觀監控的醫療人員。
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腦中風個案風險管理創新服務計畫系統架構
在國外相關領域研究，與國內學者個研究大致上沒有甚麼太大的差異性，主要原 因都是全球資訊科技的技術大致上是同步，尤其可以在無線感測網路技術方面，
藉由手機、PDA、智慧型手機、電腦，可使銀髮族隨時得到最佳的健康照護，因 此全世界產業都依據相同的技術標準進行相關的系統開發，而我國使用網路普及 率高以及在硬體設施的設計與生產都有相關的基礎，使我國在居家照護系統時更 具有優勢。
2.3 WSN
隨著目前高性能微型設備設計技術及無線移動通訊技術的飛躍發展，已經能夠實 現在任何時間、任何地點都可以提供使用者所需資訊及服務的無所不在[1]。為 了實現這種未來無所不在環境，有線網路和無線網路、固定網路和移動網路等多 種網路互聯為一體，利用生活中的設備及家電設備，能夠智慧地提供適用於使用 者的資訊及計算功能。而且，為了更加有效地適用於日常生活及工業生產，需要 對能夠搜集人的活動模式及周圍環境資訊的無所不在感測器網路[2]進行研究。
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最近，隨著通訊技術和微處理器的快速發展，已經能夠開發出超越單純感測功能 的傳統感測設備，同時具備無線通訊功能及計算功能的智慧感測器。利用“智慧 設備”實現了能夠代替人類自行識別周圍環境，並進行成功操作的無所不在感測 器網路。在即將到來的無所不在時代，作為其核心技術的無線感測器網路技術，
將廣泛應用於醫療、軍隊、家庭網路、智慧辦公室、生態環境監控、智慧路燈等 多種領域。
無所不在感測器網路指把很多微型獨立的無線感測器安裝在建築物、道路、服 裝、人體等物理空間，通過無線網路路技術，對周圍的溫度、光、加速度、磁場 等資訊進行監控和管理的技術。這種無線感測器節點中內置了感測器、感測器控 制電路、CPU、無線通訊模組、天線、電源裝置等，通過 Ad－hoc 通訊技術[3]，
可以與周圍的感測器節點一起把資料傳輸到匯節點。這裏的 Ad－hoc 通訊技術 是指即使沒有諸如特定 AP 或 sink mote 的中繼器，也可以在各無線節點之間 組成獨立網路的技術。目前廣泛應用於大部分無線通訊中的 Infra－structure 網路技術，在構築時消耗大量的費用，而且在節點之間的自由移動及連通性等方 面還存在很多問題。例如 IEEE 802.11 infra－structure WLAN [4] 技術，設備 的無線通訊範圍局限在以一個 AP 為中心的 1－hop 內，因此在擴大網路規模 或在其他地點設定新網路時，也存在著局限性。在無所不在環境下，因大量感測 器節點自由配置在很多空間中執行，即使沒有特定的中繼器也可以自行構成網路 的 Ad－hoc 通訊技術與 Infra－structure 網路相比，也非常有效。
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上圖 1-1 顯示了 Infra－structure 通訊與 Ad－hoc 通訊的差異。在 Infra－
structure 網路，以特定 AP 為中心構成網路，節點之間進行通訊時也通過 AP 實現。與此相比，在 Ad－hoc 網路中，即使沒有特定 AP 或 sink mote，周 圍存在的節點相互互動構成自由網路，因此對於配置在多個區域中需要進行自由 通訊的無線網路路是非常有效的。
構成無線感測器網路的微型感測器節點，把自身收集的感測資料，以 Ad－hoc 通訊技術為基礎，向遠距離的匯節點（Sink node）傳輸資料。下圖 1-2 顯示 了安裝在建築物中的由無線感測器節點構成的 Ad－hoc 感測器網路。一般來 說，無線感測器節點自行查找自身構成的 Ad－hoc 網路到匯節點之間的通訊路 徑，以這個路徑為基礎傳輸資料，因此對於普通使用者來說，即使沒有有關感測 器網路的專業知識也可以很容易確認感測資訊。
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一般來說，無所不在感測器網路為了感測的正確性和感測領域的可擴展性，由很 多感測器節點構成，注重成功的自身能力及節點之間的相互互動能力。並且，把 通過多種感測器探測的感測資訊有效地傳輸到匯節點的技術也非常重要。特別是 在以受限的能量資源執行的感測器節點中，最大限度減少能量消耗的低功率通訊 技術是無所不在感測器網路中不可或缺的重要研究領域。無所不在感測器網路中 需要考慮的主要研究主題如下。
受限的資源：為了把無所不在感測器網路用於實際工業生產中，每個節點的價格 要低。因此，感測器節點具有受限的計算及通訊資源。為了彌補這種局限性，需 要能夠與周圍節點相互互動來提高自身處理能力的技術。
受限的能量：在以電池為基礎執行的感測器節點中，能量的耗盡意味著成功節點 的功能喪失，考慮到這個問題，需要進行能量的有效設計及通訊協定的開發。
跨層：在具有受限資源的感測器節點中，比起確立的分級接入方式，通過各級之 間的相互互動及資訊共用，需要進行能夠獲取更加有效的性能的研究。
自我構成：即使沒有管理人員的特別指示，感測器節點也能夠自行構成網路，需 要能夠把感測到的資訊傳輸到匯節點的能力及通訊技術。資料的方向性：在感測 器節點量測的感測資料將全部傳輸到匯節點，因此在資料的傳輸中顯示出一定的
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方向性。利用這種特徵，可以生成符合感測器網路的有效路由協定。在大部分感 測器網路中產生的資料，比起基本的媒體或 WEB 資訊，其數量非常少。同時，
主要在感測特別的事件時產生。因此需要能夠分析這種特徵並有效處理低資料傳 輸率及突然產生的感測資料的通訊協定。
此外，符合感測器網路的資料集成及感測器節點的位置識別、節點之間的同步和 傳輸資料中的安全等，都是無所不在感測器網路中的主要研究課題。目前很多研 究所和大學正在進行有關無所不在感測器網路的研究，開發了在實際感測器節點 中執行的多種協定。
目前銷售中的感測器硬體有柏克萊開發的 Mica Mote 和英代爾公司的
iMote，還有加州大學的 iBadge 和麻省理工學院的 u－AMPS 系列等。在韓 國，開發的無線感測器節點 ZigbeX [5]應用於研究及教育中。大部分感測器節 點因考慮到受限的電能資源，把 Atmega 128 低功率處理器作為中央處理器使 用。在 RF 通訊端，使用低功率短距離無線通訊晶片 CC1000 或 CC2420。特 別的是，CC2420 [6]RF 晶片作為實現國際低功率無線通訊標準 IEEE802.15.4[7]
的 PHY 功能的設備，將用於許多無線感測設備中。自我構成：即使沒有管理人 員的特別指示，感測器節點也能夠自行構成網路，需要能夠把感測到的資訊傳輸 到匯節點的能力及通訊技術。
Ⅱ.針對感測器網路的路由協定
在本章中將詳細瞭解針對感測器網路而開發的許多無線路由協定。一般來說，感 測器網路的路由協定根據網路的結構分為平面路由、基於位置的路由和分層路由 [8]。平面路由指所有節點同等使用一個路由方法傳輸資料。基於位置的路由指 使用感測器節點的位置資訊設定路由路徑的方式。分層路由指構成節點之間的層 次之後，上位節點彙集下位節點的感測資料，然後傳輸到匯節點的方式。除以上 三種方式以外，將對能夠同時向複數個感測器組傳輸資料或查詢指令語句的有效 多點傳送技巧進行簡單說明。
1.平面路由（Flat Routing）
首先瞭解一下所有節點以相同的通訊技術為基礎同等執行的基於平面的路由協 定。平面路由方式作為感測器網路中最廣泛採用的方式，在很多方面與基礎 Ad
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－hoc 路由協定非常相似。
定向擴散（Directed diffusion）[9]：擴散指為了獲取匯節點所需的感測資訊，
向全部感測器節點傳輸特定的查詢（或稱為 Interest）包後，其查詢成功的節點 反應後，把感測資訊傳輸到匯節點的方式。與位址中心的基礎 Ad－hoc 路由協 定不同，擴散以感測資料為基礎設定路由路徑，通常被稱為資料為中心的路由協 定。觀察定向擴散的工作階段，如下所示。
(1) 首先，為了接收匯節點所需的感測資料，把要獲取的感測資訊的種類及其它 詳細事項置於查詢封包中，泛洪（Flooding）到所有感測器節點。
(2) 接收到查詢的節點，首先保存傳輸其查詢的節點 ID 和查詢資訊，其後接收 到相關的感測資料時，向成功的節點傳輸該資訊。這種設定稱為梯度
（Gradient）。
(3) 因前面設定的梯度顯示多種多路徑形態，所以感測資料通過各種路徑傳輸到 匯節點。如果要在匯節點接收來自成功節點的更多感測資料，對能夠提高感
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測器節點的資料生成週期的查詢進行再次傳輸，通過 Reinforce 方法統一路 由的路徑。
(4) Reinforce 方法完成後，在感測器中生成的資料將通過設定的統一路徑，傳 輸到匯節點。定向擴散方法是為了確認特定區域中發生的任何事件，以資料 為基礎設定路由路徑的 On－Demand 方式的路由協定。
基於梯度的路由（Gradient based routing）[10]：GBR 是利用感測器節點產 生的大部分資料向著匯節點方向的特性的路由技術，可以通過一次查詢傳輸，不 經過複雜的路由設定過程，就能查找路由路徑的技術。在 GBR 中，每當各節點 接收到查詢並再次傳輸時，逐個增加記錄在查詢中的跳數資訊，可以知道匯節點 到自身的跳數。使用此資訊，不需新路由路徑的設定過程，如水從高處向低處流 一樣，把自行量測的感測資料從高的跳數向低的跳數傳輸資料。最終，感測資料 傳輸到最低的跳數匯節點。
圖 1-4 顯示了 GBR 技術的工作階段。首先在匯節點，把一個查詢 Flooding 到網路的所有節點，各節點參考成功查詢封包的跳數資訊確認自身的跳數（圖 1-4（a）。然後，在傳輸資料時，以跳數為基礎，無需特別的路由設定過程，向）
匯節點傳輸資料（圖 1-4（b）。此方法是為了防止節點的移動或拓撲結構的突）
變，在節點中週期性傳輸查詢。然而這種週期性的查詢傳輸有可能增加網路的負 擔。論文[11]中考慮到這種應用程式的情況，提出了即使沒有週期性查詢傳輸也 可以使用基於梯度的路由演算法的路由技術。而且還通過感測器節點之間的週期 性 Hello 包的交換，提出了保持因節點的移動而會破壞的梯度方法。
能量感測路由（Energy－aware routing）[14]：傳統的基於能量的路由協定[12、
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13]在選擇路由路徑時，以各節點的剩餘能量為基礎，選擇剩餘最多能量的路徑。
然而，在論文[14]中提到了，以能量為基礎選擇單一路由路徑時，當經過一段時 間或資料的傳輸長時間持續時，可以看到提前選擇的單一路徑仍然不能成為最佳 路徑。為瞭解決這個問題，在論文[14]中，提出了在保持多個子路由路徑後，每 資料傳輸時利用基於能量的概率公式，通過多個路徑返回並傳輸資料的方法。
通過這些可以看到，與只選擇一個路由路徑的現有方式相比，更加有效。
除以上提到的多個路由協定以外，針對無所不在感測器網路，開發了傳輸資料 前，通過節點之間的協商解決傳輸量的增加及資料重複問題的 SPIN[15]、在需 要小的感測資料的情況下減少查詢 Flooding 負擔的 Rumor routing[16]、
QoS 基礎的 SAR[17]、可以通過路由模式動態設定所需路由方式的 SVR[60]協 定等。
2. 基於位置的路由（Location Based Routing）
感測器網路的應用程式的特性是為了要更多瞭解自身感測區域的位置資訊，在很 多研究[18－20]中，提到了查找感測器節點位置的方法。以這些研究為基礎，在 很多有關感測器的論文中，假設了感測器節點已經自行識別了自身位置，利用這 些開發了有效的路由技術。這種以感測器節點的位置資訊為基礎的設
定路由路徑的方式，稱為基於位置的路由。
基於貪婪的路由（Greedy based routing）[21]：GPSR 作為典型的基於位置的 路由協定，是在傳輸資料時，向自身相鄰節點中最接近匯節點的節點傳輸資料的 方法（圖 1-5（a）。GPSR 雖然是無需特別的控制封包的，以位置資訊為基礎 查）找路由路徑的方法 但需要假設已知相鄰節點的位置資訊及最終目的地，（匯 節點）的位置資訊。GPSR 不僅是單純基於位置的路由設定，而且還通過右手定 則解決了基於貪婪的路由中常發生的空洞（hole：在基於位置設定路徑的過程 中，相鄰節點不再存在時 — 圖 1-5（b））問題。有關路由空洞的問題，在論 文[22]中進
行了詳細說明。GEAR[23]不僅考慮了位置資訊，而且還考慮了剩餘能量的資訊，
作為設定路由路徑的方法，比起 GPSR，是更加符合感測器網路的路由協定。
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Location hop counter[24]：論文[24]是以節點的位置資訊為基礎，結合了貪婪 路由和 GBR 路由優點的基於位置的方向性路由協定。在現有的基於梯度的路由 中，為了瞭解節點之間的跳數，應把多個查詢封包 Flooding 到網路，但在 Location hop counter，把節點的位置資訊、匯節點的位置資訊和無線通訊距離 為標準，節點自行計算節點到自身的跳數，即使沒有控制封包也能使用基於梯度 的路由方法
3. 分層路由（Hierarchical Routing）
分層路由協定是由各節點構成固定集合並選出隨機的主協調者後，通過被選出的 主協調者，把感測資料傳輸到匯節點的方式。
LEACH[25]：LEACH 是為了平均消耗網路中存在的所有節點能量，構成分散式 叢集（Distributed cluster）的路由技術。在 LEACH 中，把網路分成任意叢集，
感測器節點通過概率公式，以特定的時間返回並選出主協調者。被選出的主協調 者聚和屬於自身叢集節點的資料，直接傳輸到匯節點。感測器節點負責成功主協 調者的作用，可以平均分散通訊能量的消耗，而且可以通過這些增加整個網路的 壽命。PEGASIS[26]作為補充 LEACH 的方法而構成的論文，在很多方面與 LEACH 相似。在 PEGASIS 技術中，每個節點都把離自身最近的相鄰節點認定 為通訊元件，並與它們設定鏈結，該鏈結之一的節點成為主協調者，與節點進行 通訊。PEGASIS 減少 LEACH 動態的叢集主協調者選出方式的 overhead，通 過資料聚合等方法，減少資料傳輸的次數。與 LEACH 相比，是可以取得一定 能量效益的方法。
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4. 基於區域的多點傳送
在感測器網路中，與位置無關地向特定的多個節點同時傳輸資料的現有 Ad－
hoc 網路的多點傳送[27]方法不同，向位於複數的感測區域節點傳輸資料或查 詢，基於區域的多點傳送方法，成為感測器網路的主流。現有的 LAR[28]或 Geocasting[29]和貪婪路由的 GEAR[23]等可以用於這種基於區域的多點傳送 中。近來 Ferma[30]論文中，指出了現有基於位置的路由用於多點傳送時的局限 性。為了克服這個問題，提出了利用 Fermat point（從三角形的 3 端點開始 的總距達到最小的點的方法。如圖 1-6（a），當存在兩個多感測區域時，可以 知道 比起通過現有貪婪路由方法傳輸的方式，（圖 1－6 b） 使用費馬點
（Fermatpoint）傳輸的方式（圖 1-6（c））更加有效。在此論文中，存在 2 個 以上的多感測區域時，擴充費馬點達到多個，便於更加有效地實現基於區域的多 點傳送。
21
Ⅲ.針對感測器網路的 MAC 協定
在本章中將分析針對感測器網路而開發的多種 MAC 協定。如上所述，無線感 測器網路基於受限的電池執行，因此要注重進行最大限度減少能量消耗的研究。
MAC 協定在通訊能量消耗方面屬於受影響最大的部分，因此很多研究都注重有 效的能量消耗部分。通常，對無線 MAC 層中發生的主要通訊能量消耗因素進 整理，如下所示[31]。
Collision：傳輸資料幀時發生的衝突及因其發生的再傳輸，將引發能量的消耗及 延遲。
Overhearing：接收與自己無關的資料時，消耗不必要的接收能量。
Control packet overhead：為了有效的資料接收和發送而進行的過度控制資料 包交換是浪費其它能量的因素。
Idle listening：因不知道何時能夠接收到以自己為目的地的資料，節點將繼續監 控傳輸通道，這將導致一定的通訊能量消耗。通常，無線 MAC 協定可以分為 三大（CSMA/CA、TDMA 和 CDMA）技術。但在需要精密代碼分割技術的 CDMA 方式上，馬上應用在每個節點價格都要低的感測器網路中，還是非常困 難的[32]。通常，針對無線感測器網路而提議的大部分 MAC 協定，使用 TDMA 或 CSMA 方式。TDMA 和 CSMA 方式具有各自的優點和缺點，大部分協定 都適當配合使用這兩種方式。TDMA 方式在傳輸資料前，通過節點之間的調度，
使其不發生衝突，當在其他節點傳輸資料的過程中，使自身的 RF 模組休眠，
可以最大限度地提高能效。然而，為了節點之間的同步及精密時間調度的設定，
工作本身將變得複雜，要一直等待到自身的傳輸時間返回為止，這將發生一定的 資料延遲。在感測器網路中產生的資料不僅是感測器的量測值，而且量測的時間 也是非常重要的因素，因此在一定程度上彌補了嚴重的資料延遲。CSMA/CA 技 術指每個感測器節點為了傳輸資料，通過與其他節點之間的競爭，獲取媒介後傳 輸的方式。因其最為簡便，而且資料傳輸延遲與 TDMA 相比更加優秀，所以經 常用於無線通訊中。然而，在傳輸資料時發生的衝突及再傳輸將消耗一定的能 量，因此在很多 MAC 協定中使用適當搭配的週期性 Listen/sleep 方式。S－
MAC[31]：S－MAC 是為了最大限度地增加能量的效率，週期性開啟和關閉通 訊模組電源的高能效 MAC 協定。S－MAC 的週期分為傳輸控制封包的
“Listenperiod”時間和為了資料的傳輸或 Sleep（通訊模組的 Off）的“ Sleep period”
22
時間兩大類。如圖 1－7，Listen 週期過程中，所有的節點啟動自己的通訊模組 後，通過控制封包（SYNC、RTS、CTS）的交換，確認同步及有無資料存在。
在 Sleep 週期中，只有“Listen period”中的交換 RTS 或 CTS 的節點持續退 出睡眠模式並參與到資料的通訊中，其他節點直到下一次“Listen period”都關 閉自身的通訊模組，以便減少能量的消耗。最終，S－MAC 為了週期性的 Listen/sleep，適當搭配使用 TDMA 方式和能夠傳輸資料的 CSMA/CA 方 式，也可以說是有效解決了不必要的 Idle listening 問題的方法。
通過下圖 1-8 詳細說明 S－MAC 協定。在 3 個感測器節點中，假設節點 A 向節點 B 傳輸資料，S－MAC 的工作狀態如下。在 Listen 週期首先傳輸的控 制包
是為了同步節點的 SYNC 封包，通過隨機的節點傳輸到周邊節點中。在本例 中，假設了節點 A 被隨機選擇並傳送 SYNC 封包，由周邊節點 B 和 C 接 收。然後當擁有向節點 B 傳輸的實際資料的節點 A 傳輸 RTS 封包時，接收這 些的目的節點 B 確認能否接收資料，如果能夠接收，向傳送節點 A 傳輸 CTS 封包來進行回應。此時，相鄰節點 C 也接收 RTS/CTS 封包，通過其控制封包 瞭解自身不參與實際資料的傳送和接收，直到下一個週期都保持 Sleep 狀態來 防止不必要的能量浪費。當然，接收和傳送資料的節點 A 和 B 在這樣的 Sleep 週期中，繼續保持 On 狀態並開始傳輸資料。
23
如上具有 Listen/sleep 週期的 S－MAC，在能量效率方面具有最大的優點。然 而，感測器節點一旦進入 Sleep 狀態，直到下一個 Listen 週期都要保持 Off 狀態，因此不可能進行資料的接收和傳送，將發生資料傳輸延遲問題。
Adaptive listening[33]：S－MAC 協定的提出者也瞭解到這種問題，在論文[33]
中也為了克服資料延遲的問題 提出了 Adaptive listen 方法 通常在 SMAC[31]，。
與一個週期中傳輸一個資料相比較，在 Adaptive listen 方法中，通過控制資料 包的 NAV（Network Allocation Vector），預測第一個資料傳輸完成的時間。
這段時間結束之後，NAV 把所有設定的節點，在 Sleep 週期的中間打開自身 的通訊模組，檢測將再次傳輸的封包是否存在。Adaptive listen 方法通過 NAV 的截止時間，以便在一個週期內，資料能夠無延遲傳輸，解決了一部分資料延遲 的問題。然而，這種方法是在交換 RTS－CTS 的 2 跳的範圍內解決傳輸延遲 問題的方
式，因此在多跳環境下，仍然存在傳輸延遲的問題。
DSMAC[34]：DSMAC 是為了更有效地解決 S－MAC 的傳輸延遲問題而使用 Dynamic duty cycle 方法的協定。通常，與具有 Listen/sleep 週期性協定事 先定義 Duty cycle （在一個週期中“Listen period”和“Sleep period”的比 率）進行通訊相比較，DSMAC[34]是考慮到每個節點的隊列中存放的資料量，
使用動態地改變 Duty cycle 的方法。如果自身的佇列中累積的資料傳輸量增加 到固定水準以上時，傳輸能夠把 sleep period 的時間減少 1/2 的 SYNC 封 包，便於 Sleep 時減少有可能發生的資料傳輸延遲（圖 1－9） 而且，。為了 節點之間的持續同步，Sleep 週期的變化始終為現有 Duty 週期的 1/2、1/4 或
24
1/8 形態，便於繼續保持具有初始設定的 Duty cycle 與節點之間的同步。然而 這種方法仍然只能在 SYNC 傳輸的範圍內改變 Duty 週期，因此還是沒有解決 多跳傳輸延遲的問題。在多跳環境中，為了能夠保持週期性 Listen/sleep，而 且同時解決傳輸延遲的問題，需要路由協定的幫助。與此相關的內容將在下一章
（針對感測器網路的跨層方法）中詳細說明。
T－MAC[35]：T－MAC 是為了減少 S－MAC 的“Active state”中有可能發 生的不必要的能量浪費而提出的 MAC 協定 如果在 S－MAC 的“Listen 週 期”中交換 RTS。和 CTS 封包時，成功的節點在全部“Sleep 週期”內，為 了傳輸資料而需要保持活動狀態。然而，即使“Sleep 週期”還沒有結束，如果 自身具有的資料處於已經傳輸結束的狀態，那麼沒有必要繼續保持 Wake 狀 態。在 T－MAC 中為了防止這個問題 設定了被稱為 TA 的超時時間 在這期間 無持續的資料傳輸時 即刻 Sleep，以便於減少不必要的能量浪費。
TEEM[36]：TEEM 是基於資料傳輸量資訊瞭解 S－MAC 的“Listen period”
中有
可能發生的不必要能量消耗的協定。如果所有的感測器節點都沒有在一定時間內 要傳輸的資料，為了交換“Listen period”的 RTS 和 CTS 封包的待機時間，
就成為不必要的時間。然而仍然繼續喚醒全部 listen 時間，將對要反復數萬遍 Listen/sleep 週期的週期性 Listen/sleep 基礎協定帶來嚴重的能量浪費。
TEEM 以資料傳輸量為基礎，在使用 SYCN+RTS 背負式傳輸方法解決這個問題 的同時，還減少控制封包的數，與 S－MAC 相比更加有效地設計了 MAC 協 定。
WiseMAC[37]：WiseMAC 是利用前導信號提出的新週期性 Listen/sleep 技 術的協
25
定。Preamble 是在傳送節點把資料傳輸到接收節點之前，為了同步而生成的信 號，也可以稱之為顯示資料存在的最初始信號。每個節點在 Listen 週期開始時 確認周邊存在的前導信號，判斷此週期中將要傳輸的資料存在與否。如果沒有信 號，當前的週期將認定無資料的傳輸，關閉自身的通訊模組，進入 Sleep 週期。
相反，如果有前導信號，則意味著最少有一個傳送節點有要傳送的資料，則採取 繼續喚醒並接收資料的方式。WiseMAC 的優點是在接收前導信號的時間內保持 Listen 週期即可，因此具有非常少的 Listen 時間。然而，接收一次前導信號，
則與資料目的地無關地接收全部封包，為了防止與節點的同步偏離的問題，因此 要繼續動態改變 Preamble 大小，這就是其優點。
B－MAC[38]：B－MAC 是針對受限的感測器硬體，為了儘量最大限度地減小 代碼尺寸而設計的 MAC 協定。BMAC 是以 CCA（Clear Channel Assign）
為基礎，使用了 CSMA/CA 方式的 MAC 協定，與 TinyOS[39]上實現的現有 S－MAC 的代碼（ROM：6274、RAM：516）相比，擁有更小的代碼（ROM：
4386、RAM：172）尺寸[38]。B－MAC 為了減少通訊能量的消耗，使用了用 於 WiseMAC 的前導信號為基礎的 Listen/sleep 方法。
近來隨著低功率 RF 晶片硬體的發展，原來由 CPU 負責的許多有關控制的處 理，漸漸在 RF 晶片中解決。前導信號處理也是其中之一，對於近來廣泛使用 的 CC2420 RF 晶片[7]來說，在 CPU 上無法自行感測前導信號，而在 CC2420 上自行處理。因此，在 CC2420 上執行的 TinyOS 的 B－MAC 協定沒有體現 基於前導信號的 Listen/sleep 方法[39]。最終，在能量效率方面，與 S－MAC 相比，出現很大的差異。感測器網路的管理人員需要掌握自身使用的感測器硬體 及 RF 晶片的特性，選擇適當的 MAC 協定。（近來提出了通過前導信號識別一 般資料，在 CC2420RF 晶片中實現 Preamble 基礎 Sisten/sleep 的論文。然 而，這不是基本的 preamble，而是通過一個 Preamble 來識別隨機的資料，
並傳送將要實際再次傳輸資料的便利方式。）
TRAMA[40]：TRAMA[40]是以 TDMA 為基礎的典型的感測器網路 MAC 協 定。此論文使用了與 ad hoc 網路的 NAMA[41]相似的方式，每個節點通過分 散選舉演算法，選擇自己要使用的時間空當。TRAMA 的時間分為 Random－
access period 和 Scheduled－access period，在第一個 Random－access 時間內交換並存儲了 Onehop 周邊節點資訊的 NP 封包。在 Scheduled－
26
access 時間的開始部分，在傳輸資料之前，傳輸儲存了自身調度資訊的 SEP 封 包，通過分散選舉演算法，選擇各自要使用的 Slot。然後，在剩餘的 Scheduled
－access 時間，在提前選擇的 Slot 時間，試圖傳輸資料，以能夠進行無衝突的 通訊。此外，使用了輪詢（Polling）方法，使用能夠進行節點之間的同步及能 夠維持感測器網路的 SMACS[42]和兩個無線電通道，在提出週期性
listen/sleep 方法的 STEM[43]和 LEEM[44]、結合 TDMA 和 CSA 的優點的 Z－MAC[57]和 CC2420 中，實現了 Preamble 技術，針對感測器網路而開發 了提高現有 WiseMAC 和 B－MAC 性能的 X－MAC[58]和 SCP[59]協定等。
Ⅳ.針對感測器網路的跨層方法
在本章中將瞭解在無線感測器網路的研究中應用跨層觀念的研究。如在感測器節 點中一樣，在具有極度受限資源的硬體平臺上固定的 Layer 劃分的鄰近法，反 而會降低網路的效率。跨層觀念指互用 Layer 之間的資訊或統一工作，使其性 能比現有協定更好的方法。在現有的 Ad－hoc 網路中，以跨層觀點提出：把物 理層中獲得的封包接收強度等資訊，作為路由選擇中將使用的新 Metric 來應 用，或通過在 MAC 中設定電能控制及可適應的資料率，為了更加有效地提供 主機多媒體服務的方法等。在無所不在感測器網路中，主要是為了同時解決能量 效率和傳輸延遲問題，而使用跨層方法。
Cross Scheduling[45]：在 Cross Scheduling 中設定路由路徑時，不僅設定路 由路徑，而且還設定 MAC 協定中負責週期性 Listen/sleep 的時間，提出在需 要通訊時才 Wakeup 並參與到資料傳輸的方法。通過這些，除了自身參與路由 選擇傳送或接收資料的時間以外，都處於 Sleep 狀態，可以提高能量的效率，
通過路由路徑可以設定 Listen/sleep 時間，所以也是能減少傳輸延遲問題的方 法。然而，適當地調整大量感測器節點的資料週期，要調度的 overhead 和感 測器網路的拓撲結構突變或因錯誤而使事先設定的週期偏離時，具有不容易適當 處理的弱點。
DMAC[46]：DMAC 作為與前面的 Cross Scheduling 相似方式的方法，感測 器網路全部以一個匯節點為基準，構成樹結構形態的拓撲結構，設定符合自身的 Listen/sleep 週期。此方法的弱點就是不容易處理感測器網路拓撲結構的突 變，還有只能以一個節點為標準構成樹結構。DMAC 的作者在論文[47]中提出 了與資料傳輸延遲的問題相關並不能預測的，而且還適用於模式資料傳輸量的有 效 Sleep scheduling 方法。在此論文中，把節點的 Sleep 週期分為幾個 Slot，
對 23 能夠在樹、環和格子拓撲結構等應用的有效 Sleep scheduling 學習方法
27
進行了論述。
LE－MAC[48]：LE－MAC 是以物理層中的 Carrier Sensing Signal 和
Routing Layer 的路徑設定資訊為基礎，為瞭解決資料傳輸延遲問題及實現能量 的有效通訊而設計的方法 LE－MAC 與前面提到的多種跨層方法不同 首先確 認因 Carrier Sensing Signal 而生成的資料傳輸量資訊後，對自身的
Listen/sleep 週期進行調節，因此具有對突變的拓撲結構或因傳輸錯誤而發生 的干涉也能夠適當處理的優點。
然而，當路由路徑變得複雜，感測器節點的數量急劇增加時，其弱點就是不容易 設定 Listen/sleep 週期。此外，出現了很多有關無所不在感測器網路的多種跨 層相關的論文。
[49]中，以傳送節點到節點的能量消耗資訊為基礎，提出了選擇將用於路由路徑 及 MAC 的適當長度的方法。在 MINA[50]中，提出了 MAC 和路由的層相互 互動處理感測器網路的資料傳輸方法。在路由的層中，以跳數為基礎，構成 Hop
－layer 單位的群集。MAC 以 TDMA 為基礎，提出了通過各 Hop－layer 單 位的簇頭傳輸資料的方法。在 MAC－CROSS[51]中，以路由表的下一個 hop 位址為基礎，通過 NAV 計時器，有效解決了即使不參與資料的傳輸也強制 Wakeup 的問題。
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33
2.ZigbeX 簡介
所謂 WSN，就是在所需處安裝電子標籤和感測器節點，並通過這些，不僅可以 探測對基本事物的識別資訊，而且還可以探測周邊的環境資訊（溫度、濕度、污 染資訊、裂縫資訊等），並通過無線網路路進行即時管理的技術。ZigbeX 不僅 能感測 RFID 讀寫器，而且還能感測多種環境，由能夠管理這些感測器節點構 成的一個實驗器，並能夠便於進行實驗。
ZigbeX 實驗器
ZigbeX Mote（智慧感測器）設備由微控制器（ATmega128L）、無線通訊
（CC2420）、感測器、天線等構成，包括可以進行程式設計和與主電腦之間進 行通訊的介面 ZigbeX Mote 設備作為可以構成感測器網路的最基本模組，安裝 了各種的功能選項感測器板來獲取多種感測器資訊。下麵對 ZigbeX Mote 設備 的主要元件進行說明。
− ATmega128L
ATmega128L 作為 Atmel 公司的 8 位微控制器感測器，廣泛用於網路領域。
內置 128Kb 快閃記憶體以及 4Kb 的 SRAM。同時，為了減少能耗，支援 6 種 Sleep 模式（Idle、ADC Noise Reduction、Power Down、Power save、Standby Extended Standby）。使用介面，可以支援 8 通道的 10 位元 ADC，也內置 有 JTAG 介面。
34
− CC2420
利用可以支援 Chipcon 公司 IEEE802.15.4 標準的 RF 傳送及接收晶片，能夠 進行低功率通訊。使用 IEEE802.15.4 的三個波段（800MHz、900MHz、
2.4GHz）中的 2.4GHz 波段，可以支援到 250kbps。
− 天線
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使用 2.4GHz 用 PCB 天線，如果選用 SMA 連接器，還可以使用其他種類天 線。其他種類的天線不包含在實驗器中。
− 感測器
感測器有溫濕度感測器和光敏感測器，可以感測溫度、濕度、照度等。這些感測 器可以根據感測器支援的介面，用 ADC 或 I C 進行連接。連接到 ADC 介面 的感測器，根據感測程度，改變輸出電壓，並顯示狀態變化。
− 其他介面
作為其他介面，包括針對微控制器內部的快閃記憶體程式的平行介面、可以實現 ZigbeX Mote 設備與主電腦進行通訊的串列介面、安裝功能選項感測器板的介 面等。
36
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−功能選項感測器模組
下列模組是可以與 Ibex Mote 設備連接使用的功能選項感測器。
38
確認設備的範常式式（TestTree）
進入實驗階段之前，為了測試購買的 Ibex 是否能夠執行 TestTree 程式。最初 銷售的的所有感測器節點通常都安裝了 TinyOS 的 TestTree 程式。在實驗器 中的演示 CD 的“Program\ Sensor Network Topology-Viewer”檔夾中 ，包 含
WINDOWS 用可執行檔，能夠測試設定於感測器節點的 TestTree 演示程式的 執行狀態。
TestTree 程式指各感測器相互互動構成樹結構的無線網路路後，通過無線通 訊，每隔固定時間把量測的照度、溫度、濕度、紅外線感測資訊傳輸到 0 號節 點中的程式。0 號節點通過串列通訊，把從其他節點獲取的感測資訊傳輸到使用 者的電腦中，電腦通過前面提到的 WINDOWS 用可執行檔，向使用者顯示執 行狀
態。首先，把 CD 中的“Program\Sensor Network Topology-Viewer”檔夾
39
複製到桌面上。
Sensor Network Topology－Viewer 檔夾中的基本組成如下：
Sensor Network Topology－Viewer 檔夾中的檔是通過串列通訊獲取從 0 號 節點傳入的資訊，分析其內容開顯示結果的 WINDOWS 用可執行檔。點擊 Viewer.exe 檔，可以確認如下圖片。
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首先在執行 Viewer.exe 之前使用 USB 連接線，把 Ibex mote 中標記為 0
（base）的 Mote 設備連接到電腦上。使用 Ibex 設備時 通過串列連接線和 串列埠裝置(dongle) 把 Ibex Mote，，設備 0 號節點與電腦進行連接後，打 開電源即可。使用如上得到的串列埠編號操作 Viewer.exe 的 COM PORT 號。使用 Ibex 時，COM PORT 號為 COM1。而且，把 BAUD RATE 改為 57600 後，點擊 CONNECT 按鈕，可以從已連接 Ibex Mote 設備獲取串列埠 資料。
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現在打開其他節點的電源，經過一段時間後，在畫面中顯示各感測器的節 點。如果顯示如圖 2－22 形式的圖片，說明各感測器執行無異常。
分析 TestTree 程式
當前在 Obi－Ibex Mote 設備中執行的 TestTree 程式通過無線方式，在節點 之間構成網路，同時還可以進行樹結構的多跳通訊。上傳到 Mote 設備的
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TestTree 程式，在 TinyOS 上由 Nest 語言構成，與感測及無線通訊相連構成 多種組件。（第一次接入感測器網路或還未進行過 Nest 操作的讀者將很難理解 Surge 程式，請跳過下麵的內容。）
TestTree 的多跳通訊通過 TinyOS 的 Tree Routing 元件實現。Tree Routing 組件由 TreeRouting.nc（Configuration 文件 ）和 TreeRoutingM.nc（Module 文
件）構成，負責管理 Tree Routing 多路徑。
第三章 研究方法 3.1 系統架構
生理資訊採用各樣化的生理與環境測量儀器盡興量測，將量測後的訊號即時透過 無線傳輸模式，傳到電腦進行儲存與智慧判斷，提供即時衛教資訊或是資料的查 詢，當牲禮出現異常時系統智慧判斷被照顧者需要關心或是協助時，該系統會主 動發 E-MAIL 或是簡訊通知親友
遠距居家照護與生醫監測系統架構圖
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測量儀器圖
一項產品都能將測量資料傳輸到個人電腦進行管理再利用；又因為各家設備廠商 的利益都有各自的傳輸協定；以至於要整合這些生理量測設備是一大挑戰，所以 整合儀器中我們依照 ZigBee 傳輸標準 IEEE802.15.4 的媒體存取層與實體層。
本次研究過程中，系統整合非侵入性生理與環境的量測設備，包括溫溼度、紅外 線感測可測量心率、心電圖、血氧飽和度。
3.2 需求分析
為提供銀髮族在居家中可以任意自行測量生理訊號，方便的健康自主管理。先交 銀髮族所需要的測量項目列出，在研究分析測量儀器與無線傳輸的解決方案，並 規劃後端處理系統，方便資料儲存與判讀和傳輸。
3.2.1 系統功能分析
本系統具有:儀器測量、健康管理、系統維護、資料拷貝、異常警告、關懷聯繫 等等。
儀器測量:為了讓銀髮族可以健康管理所以提供了儀器測量可以了解生理狀 況
健康管理:為有效幫助銀髮族控制慢性病，並可以有效降低慢性病的併發症，
並可以監控生理狀況和加以分析
系統維護:個人資料建立與維護，並可以設定不同的權限 資料拷貝:可以將所有的資料備份下來儲存
異常警告:疾病的危險標準因每個人狀況不同隨之改變:例如"年齡、疾病史、
性別都有符合差異:可以設定符合個人特質的關懷警告設定，可以查詢警告的 歷程
關懷聯繫:主動提出健康狀態分析，除了傳統的生理健康異常時提出警告之
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外，因生理狀態穩定提出鼓勵，藉由此動力繼續保持健康。
3.2.2 資料格式分析
血壓測量:人體血液會隨者每次心肌週期性的收縮斷斷續續被壓送入動脈中，進 而在動脈系統中形成不規則的波形的壓力脈搏波，同時也造成振動或彎曲的現 象。脈搏中呈現的底部基線壓力稱為所謂的舒張壓-約為 80mmHg，而最高點的 壓力值為收縮壓-約為 120mmHG，舒張壓與收縮壓的差-約為 40mmHg-稱脈 搏壓，目前居家使用的壓壓測量器利用幫浦自動將壓脈袋充氣，再由醫科擴音器 將克氏音轉換成電子的訊號由電路偵測，便可量到收縮壓與舒張壓。
血氧測量:人的寫意中有血紅素具有氧能力，藉由血紅素攜帶氧氣到人體各位，
維持各器官的正常運作。利用非侵入式的光變調技術，藉由兩束能夠分別人體寫 意中之帶氧血紅素及去氧血紅素吸收的定波長光源，利用光電轉換技術來取得血 紅素的電氣型態序號。配合微處理機的程式運算，根據血氧濃度之定義公式算出 血氧濃度值。
本研究採用 Zigbex 的人體生理訊告感測模組、人體血氧飽和度生理訊號測模 組、和利用 GUI 測量心跳、血氧飽和、體溫。
溫度測量:傳統的溫度測量是一個緩慢而複雜的過程，進行溫度必須使用探測器 與物體接觸一段時間才能獲得，利用紅外線進行溫度測量優點多。
生醫遠端居家照護無線感測器模組 BIO 模組使用說明
量測心跳是由 3-wires 連接測量設法利用連接線連接 3-Wires 在生醫遠端居 家照護無線感測器模組的底部
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紅外線溫度感測器
生醫遠端居家照護無線感測器模組 BIO 模組有紅外線(IR)溫度計感測器，測量 熱度的變動。 雖然沒有非常準確性，但可能查出概略的身體溫度，且不用接觸。
生醫遠端居家照護無線感測器模組 BIO 模組架構說明
此範例 TestBeat 程式資料可以在路徑 OptModuleEX/OptBio_Test/
TestBeat 資料夾中找到。此範例使用 RF 無線通訊傳送心跳值傳送到到燒錄 BaseStation 程式的節點上。該 BaseStation 程式
（opt/tinyos-2.x/contrib/OptModuleEX/BaseStation）是安裝在電腦端上 的節點(node)，允許接收的無線感測網路的無線通訊封包資料，在透過串列 埠傳輸將封包資料顯示在電腦上。使用者可以使用電腦將每個封包資料在 cygwin 上執行 Java 程式透過趨勢圖驗證。下圖為整個無線感測網路的示 意圖：
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生醫遠端居家照護無線感測器模組 BIO 模組程式說明該
OscilloscopeAppC.nc 是一個配置檔案用來描述的組件之間街口的連接，而 OscilloscopeC.nc 是一個模組檔案，它包含了實際運作的原始程式。
Zigbex Bio 模組 ECG 心電圖：
範常式式資料夾
C:\cygwin\opt\tinyos-2.x\contrib\OptModuleEX\OptBio_Test\TestBeat 封包定義：
封包定義在 OscopeMsg.h 檔案中 nx_uint16_t version;
nx_uint16_t interval;
nx_uint16_t id;
nx_uint16_t count;
nx_uint16_t readings[NREADINGS];
下面為使用 Java 顯示的趨勢圖
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測量步驟
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7. 將燒錄器安裝至 mote 上，並將燒入左方的 2 個開關切換至 SPI 的位置
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(SPI)及是燒錄器模式
8. 前述步驟切換完畢後請使用 USB 線連接到電腦，當 USB 連接成功後，燒 錄器上的 LED 燈會先閃黃燈和紅燈(不同步)，再閃一次黃燈和紅燈(不同步)，最 後會停在黃燈時代表硬體安裝成功
9. 執行 AVR STUDIO (燒錄軟體)，點選 Con，如圖 8-7。
10.出現下圖所示請點選 SDK500 or AVRISP 和 AUTO，並點選 Connect 連 結
若無法連結，請使用下列兩種解決辦法 i.硬體未確實連結成功，請將硬體重新連結
ii.Com port 位址超出範圍，請將 Com port 設定在範圍內，詳細修改 方式請參照串列通訊埠使用說明
11.當連接成功會出現下圖所示，請選擇 Program 功能選單，並以下拉式選單
（Device）選取模組的微處理器型號 ( ATmega128 )，如圖 10-7。
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12.請將 TestBeatThermo 的 HEX(main.hex)檔案打開，路徑說明:
C:\cygwin\opt\tinyos-2.x\contrib\OptModuleEX\OptBio_Test\TestBeat\
build\zigbex，如圖 8-10。
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14.當燒入完畢後軟體會顯示”Leaving programming mode.. OK!“字樣，即 可
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將軟體關閉且將燒錄器卸下，如圖 8-12。
15.燒錄完畢將生醫感測硬體模組裝上 MOTE
BaseStation 程式主要是做接收資料用，所以會和電腦連接作顯示
2. 以 WordPad 程式開啟 Makefile 檔案，依需要編輯修改 Group ID,需要和 傳
送端同一個 Group ID，儲存後離開
路徑: C:\cygwin\opt\tinyos-2.x\contrib\OptModuleEX\BaseStation，如 圖 8-13。
開啟 Cygwin 程式，並鍵入到”BaseStation“目錄下
輸入指令: cd□/opt/tinyos-2.x/contrib/OptMoudleEX/BaseStation，如 圖 8-14。(□為空白鍵)
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將 BaseStationP.nc 進行 compiler 動作 輸入指令: make□zigbex，如圖 8-15。(□為空白 鍵)
如上圖所標示如無出現錯誤訊息，即代表 compiler 完成，就可以進行燒入 動作請將 BaseStation 的 HEX(main.hex)檔案打開，燒錄至另一個 Zigbex 模
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組，燒錄步驟參考步驟 6~步驟 13，
C:\cygwin\opt\tinyos-2.x\contrib\OptModuleEX\BaseStation
16.將燒錄 main.hex 檔案的 Zigbex 模組接上燒錄器(不要將燒錄器拆除)，將 燒
錄器左邊開關切換至 TX UART/RX UART
17.請將燒入 BaseStation Mote 與電腦連結，並請在 Cygwin 內輸入連結埠資 料輸入指令:java net.tinyos.sf.SerialForwarder –comm serial@COMx:57600 (上方表示的 X，為 com port 號碼，如不知 com port 號碼可輸入” motelist “觀看)
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電極貼片位置說明:
生醫貼片接線圖
18.在 OptBIO_Test/TestBeat/java 資料夾執行 java 程式 輸入指
令: ./run
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19.當指令成功執行時，BIO 感測值將在趨勢圖上顯示出來。
Zigbex 和人體血氧飽和度生理、訊號感測模組(SPO2 Sensor Module) 下圖為 SpO2 感測器模組
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下圖為使用 SpO2 感測器連接至手指的照片
SpO2 模組架構說明
在 OptSPO2_Test 資料夾中的 Oxy9AppC 發送 SpO2 模組上的量測資料。
此範例使用 SpO2 模組在固定間隔時間接讀取感測器資料，並將 IR_PPG 資 料、 血壓資料和 SpO2 資料存儲在固定封包欄位中。然後透過針對射頻通訊的 AMsend.send 函數將資料傳送，以及使用針對串列傳輸的
SCSuartDBG.UARTSend 函數將資料發送至電腦，就可以讓使用者看到量測資 料。透過 SpO2 模組與射頻與串列通訊，更輕鬆的獲取 IR_PPG 資料、 血壓 資料和 SpO2 資料。在此範例使用無線射頻通訊，當節點 ID 編號為 0，表示 該模組與電腦連接接收封包資料，當節點 ID 編號不是 0，表示該模組需連接 SpO2 模組量測 IR_PPG 資料、 血壓資料和 SpO2 資料並將封包資料發送至 節點 ID 編號為 0 的模組上。下圖為此範例的 RF 無線通訊視意圖。
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測量步驟
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原始程式檔案路徑
C:\cygwin\opt\tinyos-2.x\contrib\OptModuleEX\OptSPO
