Wireless Sensor Networks

無線感測器網路 (Wireless Sensor Networks)

Written by ADS Lab on the 2007/01/25

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此網頁是對無線感測器網路 (Wireless Sensor Networks) 的特性、應用做簡單的介紹

• Chapter 1: 什麼是無線感測器網路(Wireless Sensor Networks)
• Chapter 2: sensor network的應用
• Chapter 3: sensor network的特點與限制
• Chapter 4: 在sensor network上的資料傳送與網路通訊模式

1、什麼是無線感測器網路 (Wireless Sensor Networks)

由於近來微型製造的技術、通訊技術及電池技術的改進，促使微小的感測器（實際的sensor如下圖）可具有感應、無線通訊及處理資訊的能力。此類感測器不但能夠感應及偵測環境的目標物及改變，並且可處理收集到的數據，並將處理過後的資料以無線傳輸的方式送到資料收集中心或基地台（base station）。

2、sensor network的應用

由於sensor network的應用潛力廣泛，以下分為五大類加以描述其應用及潛力：

• 軍事應用
  • Sensor network 的軍事應用十分廣泛，其中包含：
    • 在友軍的人員、裝備及軍火上加裝sensor以供識別。
    • 監控戰場上的狀態。
    • 將sensor投擲於敵軍陣營中。在被敵軍破壞前，希望能完成偵察任務。
    • 當智慧型軍火的導引器。
    • 偵察及判定核子、生物和化學攻擊。
• 環境應用
  • sensor network也能在環境上大量應用，例如：
    • 將幾百萬個sensor佈署於森林中，以對任何火災地點的判定提供最快的訊息。
    • sensor network能提供遭受化學污染的位置及檢定出何種化學污染，不需要人親自冒險進入受污染區。
    • 水災判定。
    • 監測空氣污染、水污染及土壤污染。
      
      
      
    • 生態上的監控，例如生物棲息地與覓食習慣。
      
      
      
• 健康應用
  • 將sensor network佈署於房子裏及人的身上，而達到遠距監測人體各項健康數據及人的各項行為的目的。
  • sensor可放在病人或藥師身上，如此錯誤的藥物處方或是病人拿錯藥的機會可以降低。
• 家庭應用
  • 將含有起動器(actuator)的sensor network佈署於家中，可以讓人們在遠方或在家裡經由網際網路作許多家事。
• 其他商業應用
  • 無線感測器網路也有許多商業上的應用，例如：
    • 工廠自動化的生產線上的品管控制，利用sensor去偵測不良品。
    • 傳統辦公室的空調系統是中央控制，因此有些地方可能很冷，有些地方卻很熱。使用sensor network，各個角落的sensor可以知道當時的環境狀況，進而要求控制當時的氣溫或空氣流動。
      
      
      
    • 監控車輛或商品的失竊。
    • 車輛的追蹤和交通流量的控制。

 

3、sensor network的特點與限制

但是受限於sensor本身是用電池來供應運作所需的能量以及無線電傳輸的距離的限制(一般而言傳輸距離從數公尺到一百公尺不等)。為了節省傳輸時的能量消耗以及距離的問題，因此sensor如果距離基地台太遠時，感測器需要藉由多重跳躍代傳機制（multiple-hop relay）建立網路路由（routing）的方法將資料經由多個感測器組成的路徑傳回基地台。


此類感測器多為微小及便宜的裝置（由國外進口比較昂貴），因而可大量放置於環境中形成一個無線感測器網路(wireless sensor network)以便進行監控任務，其放置的密度端看所需的應用為何，可大可小。由於感測器網路的節點個數從數百至數十萬皆有可能，使得網路的管理非常困難，每個sensor都是獨立的個體，形成一個複雜的分散式環境(distributed environment)，加上sensor的電池可能無法置換，因此能量控制(energy control)幾乎是所有sensor設計及網路管理首要考慮的重點。再加上sensor為嵌入式系統的裝置，它們故障的機會相形提高，因而容錯（fault tolerant）機制於感測器網路的設計及管理亦不可或缺。

目前現有的wireless ad hoc network的架構是為最接近sensor network的架構。雖然它們同為無固定基礎結構（infrastructure）型的網路，但現有的wireless ad hoc網路協定及演算法大多無法直接應用到sensor network上。其中導致此結果最主要的幾個原因如下：

• sensor network的節點數常是ad hoc網路的數十倍至數千倍。
• sensor network的sensor node密度高 。sensor node十分容易故障。
• sensor network的網路型態（topology）時常改變。
• sensor node主要使用廣播通訊（broadcast communication）而大部份ad hoc網路使用點對點（point-to-point）通訊。
• sensor node的能量、運算能力及記憶體受到極大的限制。
• 由於sensor node數非常大且很多node可能進行同樣的偵測及任務，因此sensor可能沒有類似IP network中的ip address來作為共通的識別證（identification）。

 

4、在sensor network上的資料傳送與網路通訊模式

資料通訊(data communication)為sensor network能源消耗最大的部份。為能與其它sensor node或基地台互傳資料，sensor node必需透過無線傳輸的技術發送及接收資料。為能節省能源消耗，sensor network多進行短距離資料傳送。由於降低能源消耗為感測器設計之首要考量，因此除了設計低功率電波收發器外，研究學者亦建議感應器需具有睡眠裝置以節省能源消耗。研究顯示，唯有進入睡眠狀態，收發器方能真正節省能源，但開關收發器（亦即進入睡眠狀態或結束睡眠狀態）所消耗的能源相對而言也是十分可觀。因此如何安排感測器睡眠時程(scheduling)為一重要研究課題。

在sensor network裡sensor nodes彼此溝通傳遞資料必須建立一個路由樹(routing tree)，從傳資料的leaf node端經過中途端點到root node的資料收集點，目前有兩種資料處理及收集的方式。一種是將資料經由routing tree直接傳遞到資料收集端，另一種是採取資料融合(data fusion or data aggregation)的方式，使得節省傳遞資料量的溝通方式。

Sensor network裡的sensor node除了是前面所介紹的靜態(static)的，也可以依應用的不同而有動態移動(mobile)的sensor node，但是這種static sensor與mobile sensor彼此互相協調，在設計網路架構與溝通協定時又增加不少困難。