智慧灰塵遍地灑落 無線感測網路未來應用無限

通訊技術發展的最高境界無非是「無所不在(Ubiquitous)」，目前許多先進國家為了建構以人為中心，可在所有時間、所有地點都能傳遞所有需要資訊的環境，都開始發展類似的「無所不在網路(Ubiquitous Network)」計畫，希望藉由結合各種異質通訊技術，包括無線區域網路(WLAN:WiFi)、無線都會網路(WWAN:2G, 3G, DTV, WiMAX)、無線個人網路(WPAN:Bluetooth, ZigBee, UWB)以及有線的寬頻、光纖等不同領域通訊技術相互組合搭配，建構無縫連接的綿密通訊網，為人們的日常生活帶來更多安全與便利。「無所不在網路」的建構，將對全球人類生活各個層面產生影響外，也將為台灣相關產業帶來龐大商機。  

無所不在網路進化  

除了建構以人為中心的傳統被動式網路外，融合以感測器為中心的「無線感測網路(Wireless Sensor Network, WSN)」架構，使整體網路進化到主動式無所不在網路，目前是少數先進國家開始布局的重要研究領域。台灣政府也擬定「U-Taiwan」無所不在網路計畫，作為國家科技政策重心，其中並將無線感測網路的發展定為重點領域之一，初步計畫透過ZigBee技術實現具備主動感測功能的「無所不在網路」願景。  

無線感測網路可視為無所不在網路的再進化，使網路具備動態感測能力。圖1說明四種無線感測網路的應用架構，第一種是獨立封閉式，例如應用於軍事偵察；第二種是結合無線個人網路(WPAN)，例如使用ZigBee技術的導覽服務；第三種是結合有線或無線區域網路，例如用於智慧家電的感測器；第四種是結合日益普及的射頻識別(RFID)技術，成為無線感測識別(WSID)網路架構，這是建構無所不在城市(Ubiquitous City)的基礎技術，將會深刻改變人們日常生活的運作模式。  

無線感測網路源自軍事用途  

就如同網際網路的發明，是因為美國國防部為了建構不怕飛彈攻擊的通訊網一樣，無線感測網路的濫觴，也是因為軍事用途，相關研究計畫最早是在美國國防部贊助下，由加州柏克萊大學(UC Berkeley)進行的一項計畫，研究人員利用微機電系統(MEMS)技術，開發出一種鈕釦大小的感測器，稱之為「智慧塵(Smart Dust)」。  

智慧塵在戰場上，可被用來警示與監控敵軍行蹤，使用方法如圖2所示，是利用無人駕駛飛機，將數百萬個偽裝過的無線感測器，灑在偵察區域進行蒐集資料任務，經過一段時間之後，再派遣無人駕駛飛機到偵察區域，將感測器蒐集得資料，透過無線網路記錄到飛機上，並帶回基地加以分析。軍隊使用無線感測網路，可節省大量偵察兵力，得到更即時有效的資訊，並且因為感測器數量龐大，敵軍不易清除。美國國防部在2006年初公布的新年度國防白皮書，仍將利用電子設備代替人力偵察的無線感測網路技術列為重點發展項目。  

無線感測網路的發展，因為軍事需求而快速成熟。如果將小型感測器散布在特定範圍，收集該環境相關資訊的概念，應用在民眾日常生活，則能對人類生活的改善產生更宏大的效果，包括自然環境、公共場所以及居家環境的安全監控與管理，都可透過無線感測網路架構達成目標。未來隨著微機電技術的進步，加上高頻無線傳輸技術的發展，無線感測網路應用範圍將會越來越廣，但是目前營運模式和網路建構技術仍需要大量深入研究。  

網路具備自我組態功能  

無線感測網路是由一到數個無線資料蒐集器，以及為數眾多的感測器所構成的網路系統。無線感測網路系統的基本架構如圖3所示，首先將大量的感測器，依需求散布在待感測區域，感測器可蒐集各種環境資料，所偵測資料可能是溫度、溼度、聲音、光線、壓力、二氧化碳濃度等數據，再藉由紅外線、或是無線電波等介質傳送的無線網路，將蒐集的資訊透過無線資料蒐集器傳回給管理者。由於元件之間採用無線通訊方式，因此可以任意擺放感測器，以及無線資料蒐集器，在布建上極為方便。  

由於在無線感測網路中，感測器位置可以任意散布，因此每個感測器在安裝前無法事先確認自己與其他大量感測器的相對位置，並且實際網路組織型態是可變動的，所以無線感測網路使用的通訊協定必須具備自我組態(Self-Organization)功能，感測器彼此之間可自動組織出一個通訊網路，在感測區域中的所有感測資料，都能透過自我組態所建立的網路，將資料送到無線資料蒐集器。無線資料蒐集器再將無線感測網路的資料透過網際網路、衛星、飛機、汽車或是其他傳輸媒介，傳送到後方的資料伺服器，再進行分析與研究。  

須有高容錯能力  

無線感測網路的感測器就像是一台小型電腦，具備環境感測單元可持續蒐集環境參數，感測器的運算記憶單元則可再對資料作簡單的運算處理和儲存功能，無線傳輸的天線單元是與其他感測器，或是資料蒐集器作資料交換的裝置。透過無線感測網路，可以針對環境中感興趣的環境變化參數，例如溫度、濕度等作偵測行為，並將所蒐集的資料先作簡單運算處理後，再透過無線傳輸裝置將資料回傳給無線資料蒐集器。  

在一般應用架構下，感測器數量會相當龐大，甚至以百萬計，所以感測器單位價格必須相當低廉。由於感測器體積小，無法裝置過大的電池，所以必須具有省電機制和睡眠功能，以延長使用壽命。如何建構良好的省電機制，是無線感測網路系統設計需要首先考量的重要課題。  

無線感測網路的容錯能力必須相當高，因為感測器本身構造簡單，且可使用的電力有限，在惡劣環境下容易耗損，或是耗盡電源，因此無線感測網路的研發，必須避免因為少數感測器損壞，而造成整個網路癱瘓的情形。無線感測網路的感測器數量可多達數百萬個，因此在龐大的網路終端設備數量下，如何設計一套有效率的傳輸協定和分散式運算模式，讓感測器蒐集的資料能夠順利傳回給後端伺服器，則是無線感測網路是否能夠良好運作的重要關鍵。  

無線感測網路的傳輸介質，與一般常見的無線網路相同，通常是利用紅外線和無線電波等作為傳輸媒介，目前最常使用的傳輸介質是無線電波，許多無線感測網路裝置利用2.4GHz頻帶，使用和藍芽介面相容的傳輸裝置；如果對省電有更高要求，感測器可使用低功率的916MHz頻帶，並以單一頻帶的電波傳送資料。  

無線感測網路受限於採用的無線電傳輸技術距離限制，一般感測器傳輸距離大約從數公尺到一百公尺不等，加上感測器是用電池來供應運作所需的能量，因此為了節省無線傳輸時的能量消耗，以及克服長距離傳輸問題，感測器設計可藉由多重跳躍代傳機制，自動建立網路路由的傳輸方法，將資料經由多個感測器組成的路徑傳回無線資料蒐集器。  

與傳統以人為本網路(User-Centric Network)使用的無線終端設備相比較，無線感測器產業在研發製造上，必須有許多不同面向的考量點。如圖4所示，民眾所使用無線終端設備的傳輸資料量和成本，明顯高於無線網路的感測器；在網路容錯力和網路擴充性的研發設計，以及生產數量規模上，新興的無線感測器產業明顯比過去的網路設備研發製造更具挑戰性。  

韓國積極推動無線感測網路  

目前國際推動RFID整合無線感測網路，實現Ubiquitous Network環境理想的計畫中，比較成熟的是韓國三星集團的「U-City」等計畫。該公司的計畫已經開始啟動，預計於2010年建設完成。  

台灣政府現階段也積極推動RFID和無線感測網路建設，協助政府布建無線感測網路的單位主要是資策會。資策會網路多媒體研究所積極發展ZigBee應用，與台中自然科學博物館進行導覽服務合作，在該館一部份展場中建置了以ZigBee為基礎的無線感測網路，該網路符合IEEE802.15.4標準，配置155個ZigBee節點，包括路由器(Routers)與信標(Beacons)，定位精確度可達91～97%。這個網路在2005年7月開始實際使用，可提供導覽、參觀路線規劃與訪客位置追蹤的功能。資策會與台中自然科學博物館的合作，是ZigBee無線感測網路的初步實現，該機構持續與國內大型購物中心、遊樂場與社區洽談合作。  

台灣政府繼推動RFID技術後，繼續著墨在無線感測網路建設，希望達成兩項建設相輔相成的效果。因為無線感測網路可以監測四面八方感應到的資料，其與RFID結合後，將能彌補RFID傳輸距離過短，以及蒐集資料的讀取器數量不足的困擾，可進一步確保資料的完整性。預計2006年會先在部分政府建設導入RFID技術，最快會在2007年開始建設無線感測網路。「U-Taiwan」計畫將先在醫療、交通運輸、居家照顧等領域，利用無線感測網路監測、追蹤以及蒐集資料，成熟後進而推廣到其他領域，實現建構台灣無所不在網路的願景。  

台灣可成為實驗基地  

無線感測網路應用潛力相當廣泛，台灣由於自然環境因素複雜多變，以及科技產業能力特性，非常適合建構成為無線感測網路的實驗基地，並建立良好運作模式推廣到全球市場，圖5說明台灣可能應用無線感測網路的幾個方向，以下分為五大類來說明無線感測網路在台灣的可能應用及潛力。  

軍事與反恐應用  

台灣面臨軍事壓力大，並且兵員相對數量稀少與珍貴，應用無線感測網路可彌補這項缺憾。無線感測網路軍事上的應用範圍十分廣泛，其中靜態的蒐集資料包含將感測器投擲於敵軍領土，偵察敵軍動態與作為。也可將感測器置放於己方的海岸線，平常可用來追緝偷渡和走私，戰時可作為反登陸作戰的一環。  

無線感測網路在動態的軍事應用上，可在友軍人員、裝備及武器上加裝感應器以供識別，也可在戰場建置無線感測網路，來監控戰場上狀態，或是當智慧型軍火的導引與記錄器，提升現代作戰中極為重要的戰場管理能力。平時在車站、橋樑或是特定地區建置無線感測網路，可偵察並判定炸彈、核子、生物和化學攻擊。  

自然環境應用  

無線感測網路可在台灣自然環境上大量應用，包含大氣、水文、山林、河流、保育動物，以及候鳥研究等領域環境都變化多端，非常適合建立感測資料，而且研究結果影響宏大。將幾百萬個感測器布署於山林中，可對任何火災地點的判定提供最快的訊息，甚至可偵控盜伐。  

無線感測網路也可作生態上的監控，例如生物棲息地與覓食習慣，並可強化保育野生動物的研究，例如台灣黑熊保育。對於影響人類生命安全的土石流和禽流感，也可以透過無線感測網路偵測河流，以及候鳥跨國移動和互相接觸的記錄來研究並監控。在自然環境保護區裡，建置無線感測網路偵測，並記錄因人類或車輛進出，對大自然環境的破壞程度，以數據來動態控管人們在該地區的活動。  

智慧家庭應用  

將無線感測網路部署於家中，可在遠方透過網路知道的溫度、濕度、人員狀況。將感測器配戴在家中老人和小孩身上，則可在遠距監測人體各項健康數據，以及各項行為。有了感測數據之後，搭配含有網路起動器的智慧家電，可以讓人們在遠方或家裡經由網際網路作許多家事。無線感測網路可放在藥師或病人身上，能夠讀取藥包和藥罐上的RFID資訊，如此可以降低錯誤的藥物處方，或是病人拿錯藥的機會。  

公共空間應用  

在炎炎夏日，大量的冷氣空調需求，往往是造成供電系統吃緊的原因。傳統辦公室使用的是中央控制空調系統，溫度並不均勻，常常是怕冷的人在很冷的地方，適合溫度低一點的人卻在很熱的地方，耗費大量電力，又達不到效果。使用無線感測網路，各個角落的感測器和人身上攜帶的感測器，可以知道當時的人員需求和環境狀況，進而要求控制當時的氣溫或空氣流動，如此就可以達到省電節能，並且室溫人人滿意的境界。  

無線感測網路可建構物件管理系統，將感測裝置安裝在藝術品或公家財產上，藉由偵測燈光的亮度是否改變、測量是否遭受到振動等因素，來確保財產的安全，若偵測出環境的變動，物件警告系統會發出警告的聲音，並傳送警告訊息給管理中心。當要追查公家財產、器具的位置或有誰正使用時，可迅速透過無線感測網路確認。  

行動空間應用  

在路邊停車管理，以及道路管理和收費系統上，無線感測網路是最佳解決方案，可有效做到車輛的追蹤和交通流量的控制。無線感測網路在行車公共安全的應用，可以建置在橋墩上面，在感受到不正常的震動搖晃時，或是路面大幅維修時，立即發出對管理中心發出警訊，並對附近感測器示警，汽車有裝置無線感測網路的駕駛人，可早一步得到相關資訊，減少交通意外所造成生命財產的損失。  

台灣具備發展無線感測網路優勢  

隨著近幾年微機電技術和無線傳輸技術的快速發展，無線感測網路的應用範圍也越來越廣，未來也許在生活中處處充滿著察覺不到的感測器，隨時監控著人們的健康與安全。有人說，以後可能連公共垃圾筒都裝配了RFID技術，民眾正確作垃圾分類回收一個瓶子就加分一點，沒作好垃圾分類將會被垃圾筒警告。  

在老人安養院安裝壓力感應地板，一旦感應到住戶摔倒，立刻通知相關人員，所以往後老人要呼叫護士，只要快速坐到地板上即可。因此，雖然韓國的「U-City」建置計畫進度領先全球，但是注重個人隱私的西方世界，還是對未來將處處充滿感測器的「U-City」生活模式發出很大的質疑。  

台灣擁有相當豐富的自然環境，這是其他各國所未見的，本地大自然環境的變化與養護，更是全球環境永續發展裡重要的一環。因為，台灣應用無線感測網路可從愛護大自然的角度出發，生養大自然、保護野生動物、降低能源消費以及減少對大自然的破壞，而非僅將無線感測網路應用在管控都市居民生活，如此更能得到世人的認同。  

除了自然環境因素外，台灣發展無線感測網路產業，在技術上也具備很大的優勢，圖6說明了台灣發展無線感測網路的優勢和劣勢。許多先進通訊技術的發明，一開始都是來自於軍事需求，從這個角度來看，台灣應當有很大的壓力研發無線感測網路，可惜的是台灣過去較缺乏軍方與民間研發能量的交流。  

在研發和生產面向上，台灣無線通訊設備的研發水準高，並且具備無敵的量產能力，都是搶占無線感測網路產業極大的優勢。但是台灣在感測環境參數的微機電技術，以及整體的網管通訊協定開發能力上稍嫌薄弱，仍有很大進步空間，若要建構完整產業鏈，這兩部分亟待補強。  

(本文作者為國際網路學會台灣分會常務理事)  

(詳細圖表請見新通訊61期3月號)