無線感測網路目前在國內的實地應用案例並不多，位於溪頭的台大實驗林目前正利用無線傳輸模組建構了無線感測網路，利用感測器收集森林中的氣候資訊，成為無線感測網路應用於農林產業中相當具有代表性的案例...
無線感測網路目前在國內的實地應用案例並不多，位於溪頭的台大實驗林目前正利用無線傳輸模組建構了無線感測網路，利用感測器收集森林中的氣候資訊，成為無線感測網路應用於農林產業中相當具有代表性的案例。本文即根據台大實驗林實地運作資料，以實際案例描繪出無線感測網路的運作細節。
國內無線感測網路的實地應用案例屈指可數，且應用領域分散，除了位於台中市的科學博物館利用ZigBee技術建構了無線感測導覽系統之外，台大實驗林則已利用識方科技之gXmote無線傳輸模組，在銀杏林、杉林、柳杉林、苗圃，以及空曠地上建構了一個無線感測網路，利用感測器全天候收集溫度、濕度等資訊，成為無線感測網路應用於農林產業中相當具有代表性的案例。
台大實驗林日前正利用無線感測網路進行一項研究，試圖釐清一個問題，即是：氣象站須位於空曠地點，可否代表林內的微氣候環境？若不能，又有多少差異？這項研究是台灣生態領域率先嘗試將無線感測網路應用於森林不同林分微環境資料收集。
以往若要進行此類研究，通常必須使用大量人力，在森林中爬上爬下進行測量，才能得到少量的數據。但是此次台大實驗林採用的方法，是利用30個具有溫濕度及太陽輻射感測計的「塵粒(Mote)」，其中包括兩個基地站(Base Station)負責接收資料及傳送隔空控制指令。這些塵粒每五分鐘量測一次，塵粒啟動時間相對百分比為2%。這些塵粒分布在台灣大學實驗林溪頭營林區周遭的苗圃、柳杉林、台灣杉林及銀杏林等林分，統一量測3公尺高的氣溫及相對濕度，另外也在柳杉林觀測8.45公尺、銀杏林觀測9公尺及11公尺高的氣溫及相對濕度。而基地站離最遠的觀測塵粒的距離遠達420公尺。
感測塵粒本身除了傳送收集到的溫濕度及光度資料，透過系統進行隔空控制，也可隨時改變其運作方式，例如可控制LED的明暗、設定量測時間間距、設定塵粒開啟時間長度、使塵粒強制重置(Reset)等，此外也可隔空進行韌體更新。
由於塵粒置於野外，因此必須予以封裝與安裝。除了感測器保持不被覆蓋，整個電路板塗上一層絕緣防水漆，而整個塵粒則裝於通風筒內，以便空氣流通，感測到最準確的溫濕度。此外為了便於更換電池及維修，也採取了可快速安裝與拆卸的設計。至目前為止，這些塵粒在經常處於高濕度狀態的研究區域內，已持續良好運作三個月。
跳接次數影響回傳成功率
經過三個月的運作，台大實驗林發現，在五分鐘偵測間隔，並開啟六秒的條件下，資料回傳的成功率，與跳接次數有明顯呈反比的趨勢，也就是說跳接數愈多，回傳資料成功率就愈低(圖6)。造成此一現象的原因至今不明，不過，這種問題也存在於其他WSN運用研究報告中，研判可能是因為TinyOS作業平台本身尚未克服的問題。
而在電池耗電方面，台大實驗林目前採用的塵粒分別使用過美國金頂鹼性電池、松下(Panasonic)大流量鹼性電池、松下氫氧電池、東芝(Toshiba)搖滾鹼性電池，以及三洋(Sanyo)2500mA鎳氫充電電池以為電力來源。經過分析，這些電池對無線感測網路節點所能提供的操作電壓從3.0V耗損至2.1V，耐用時間則幾乎相同。當啟動時間百分比(Duty Cycle)為66%時，兩顆三號電池約可用七天；而當啟動時間百分比為5%時，則可用14天。由於鎳氫充電電池可以重複使用，未來如果配合太陽能板，將可持續充電，大幅增加運作時期，並減少電池替換次數，則是未來在供電上可改善的方向。
台大實驗林並且將無線感測網路透過伺服器直接連接網際網路，以便在遠距透過網頁(http://sabo.fo.ntu.edu.tw/wsn2)即可進行即時監測，並且將觀測資料即時對外公布。目前在台大實驗林無線感測網路網站首頁上提供的資料，包括了即時觀測資料(30秒更新一次)、氣溫變化時序圖、相對濕度變化時序圖、耗電變化時序圖、前一日資料下載，以及放置相關位置圖等。
在研究結果方面，觀測結果顯示，位於3公尺高度的中午氣溫，比微氣象站低約2～3℃，夜晚則無太大差異。相對濕度則在白晝比微氣象站高約5～10%。銀杏林放置於11公尺處的氣溫較林內3公尺處高約1℃，於銀杏林邊界處之氣溫反應則居兩者之間。台灣杉林內的相對濕度，在白晝比微氣象站高約10%，夜晚則較微氣象站低約5～10%。
這些數據，都初步證實了森林中的實際微氣象，與放置在空曠地點的微氣象站有相當的差異。而感測塵粒經過防濕絕緣處理並放置於通風筒內，目前看來應可承受台灣的高濕環境。不過由於尚未經歷颱風考驗，對於暴雨的承受能力仍待今年夏天的觀察。
耗電問題有待解決
在資料回傳率上，目前回傳成功率偏低的情形也有待未來努力改善。而另一關鍵議題則是耗電太快，以2%啟動時間進行量測，三號電池只能使用一個月，於野外試驗仍然太短，與理想中半年至一年的工作時間有相當差距。
可採取的改善方式，則包括改善觀測邏輯，以節省電力消耗，並嘗試整合充電電池與太陽能板，以延長儀器可觀測時間。
此外，目前使用的塵粒上，將溫濕度及太陽輻射感測計放置在相鄰位置，但是由於兩者的量測條件互斥，無法一起量測使用，未來在電路板的設計上，也應該將感測器的運作特性納入設計考量。
(本文由台大實驗林研究員賴彥任、台灣大學森林學系助理教授邱祈榮，與識方科技技術總監楊曜榮等提供研究資料，本刊編輯部整理撰文)
(詳細圖表請見新通訊61期3月號)