無線感測網路百家爭鳴 傳輸品質與分工架構成發展關鍵

無所不在(Ubiquitous)的網路概念，自從日本提出之後，逐漸流行至其他國家，並促使多國政府與大型企業紛紛以「無所不在」為概念制訂技術發展計畫。除了日本政府提出「U-Japan」政策之外，日立、新力、理光、富士通、三菱、富士全錄、NTT DoCoMo、橫河電機等大型企業也紛紛設立以「Ubiquitous」為名的研發部門。此一風潮並延燒至韓國，韓國政府已在2003年制訂了「U-Korea」推進計畫，而三星集團與SK電信等大型企業也紛紛以集團內企業為範圍制訂相關計畫。  

事實上「無所不在」概念涵蓋甚廣，基本觀念就是要讓人們能隨時隨地連上網路，享受生活與工作的便利。各種通訊科技、終端設備、軟體平台，也在此一概念下逐漸被整合，希望串連成一個無縫隙的服務系統。不過，在實際落實方面，「無所不在」的概念尚處於發展初期，各種不同的技術還在尋求整合，甚至融合。  

在各項可用於建構無所不在網路環境的技術中，「無線感測網路(Wireless Sensor Network, WSN)」技術已因近年來短距無線技術的突破，而在各種環境感知應用上備受重視(表1)。  

工研院量測中心計量知識服務組副組長吳登峻指出，根據研究機構預測，隨著無線技術的進展，預計在2005～2010年之間，無線感測網路的產值將以每年成長一倍的速度迅速成長。其得以迅速成長的主因之一，即是在於短距離無線傳輸技術，尤其是IEEE 802.15.4標準的逐漸成熟。  

感測網路的發展已久，用途即是將遠端感測器收集的資料，傳回伺服器，達到監控、警示或資料收集等目的。在無線技術尚未成熟時，要建構一個感測網路就必須布線，可想而知的結果就是成本高昂，能使用的感測器數量也相當有限，而線路的維護也是一大問題。  

短距無線技術促成迅速成長  

各種無線技術紛紛出現後並陸續被使用於感測網路，希望以無線方式解決困擾已久的布線問題。包括WiFi、藍芽，以及多種RF技術都被嘗試用以建構無線感測網路。近二年來，則由於IEEE 802.15.4標準的發展，提供了一項易於使用、低耗電、低成本的無線技術，使得無線感測網路的發展開始邁開大步。  

基於IEEE 802.15.4標準的無線傳輸技術在無線感測網路上的應用，大致上可分為兩大陣營。其一是遵循ZigBee聯盟制訂的協定，發展符合ZigBee聯盟之資料鏈結層、網路層，以及應用層介面的產品。另一陣營則是在IEEE 802.15.4標準所規範的實體層與媒體存取層之上自行開發。  

在國內，包括工研院資通所與資策會網多所目前所進行開發的無線感測網路技術，就是遵循ZigBee聯盟規範，在其上撰寫協定堆疊軟體。而在ZigBee聯盟之外，尚有TinyOS陣營以開放原始碼社群的方式運作，包括美國Crossbow、Moteiv、Dust Networks等業者，都以平台方式提供無線感測網路技術。另外也有許多廠商開發基於IEEE 802.15.4標準的專屬性技術平台，例如美國Nivis公司，而英特爾近年也先後使用藍芽與IEEE 802.15.4，著手開發相關技術，並與柏克萊加州大學合作進行多項實驗計畫(圖1～2)。  

無論國內外業者，目前在無線感測網路技術的研發上皆屬初始階段。工研院資通所從兩年前即開始利用藍芽技術開發無線感測網路，當時可選擇的無線技術還包括WiFi，但由於WiFi模組在體積與耗電量上都不適合用於無線感測網路，因此資通所選擇使用藍芽進行開發，可是在開發過程中又發現，藍芽由於每一個主機(Host)只能連接七個藍芽設備，在使用上受到極大的限制。工研院資通所網際網路嵌入式系統部經理陳進松表示，後來發現ZigBee技術之後，即轉為採用ZigBee。  

由於尚在開發初期，工研院資通所將無線感測器的CPU板與感測器板分開，以便易於進行不同型態的組合測試。由於資通所的目標在於建立國內自有技術，因此自行開發網路協定，並進一步延伸至應用服務層次的開發(圖3)。  

今年將完成示範案例  

陳進松指出，依據市調資料顯示，無線感測網路的主要用途在於工廠、自動電表讀取、社區與建築物環境感知等。而為了盡快在台灣建立成功的應用案例，工研院資通所目前選定數個領域進行開發，包括電子製造業廠房中的儀器狀態自動監控、電表自動讀取、保全與家庭自動化，以及個人健康行動照護等。  

例如，在晶圓廠中的無線感測網路應用，即是用於真空泵浦狀態的監控。由於每一座晶圓廠都有數百至上千個真空泵浦，一旦故障將造成鉅額損失，因此晶圓廠皆以感測器監控泵浦狀態，避免嚴重故障。如何將無線感測網路應用於晶圓廠儀器監控，將是一大挑戰。在電表自動讀取方面，目前工研院資通所也與大同公司進行初步合作。若能成功應用，除了可以為電力公司節省人工抄表費用(以台電而言，人工抄表平均每一電表成本為新台幣七元)之外，更重要的是可以做到動態電力配置，機動調配在夏季用電高峰時，工廠與住宅的電力供應。在保全與家庭自動化方面，則與保全業者進行合作，目前正設法將每一個無線感測器的成本降至新台幣200元內，已進行大規模部署。而在個人健康行動照護方面，則是針對重症與慢性病病人、老人、孩童等進行24小時遠距監測照護，提供生理資訊與位置的回報。工研院資通所並預計在今年八月左右，在大樓防災、晶圓廠監控，以及自動電表讀取等應用領域，成功建立數個國內的成功應用案例。  

簡言之，無線感測網路的發展關鍵，在於如何針對不同的應用領域提出完整解決方案。例如在電子業工廠、電表等應用，都必須由無線感測網路與該應用領域的專業技術緊密結合，才能開發出適用的解決方案，例如電表與感測器如何連接，即是一項典型需要解決的問題。  

TinyOS陣營蓬勃發展  

在無線感測網路領域中，TinyOS是另一蓬勃發展的技術陣營。TinyOS並非單一公司，而是一個開放原始碼社群，起源於柏克萊加州大學電機與電腦科學系所開發的一項感測網路開發平台。  

國內的識方科技(Bandwave)即代理屬於TinyOS陣營的Crossbow公司產品，並基於TinyOS發展相關無線感測網路解決方案，在國內的實際應用案例上較有具體成果(圖4～5)。  

識方科技總經理張隆策(圖6)表示，該公司的發展重點在於提供垂直應用解決方案，目前是以農業應用為主。識方科技已在溪頭為台大實驗林管理處建置一組無線感測網路，利用無線感測器讀取溫度、濕度、日照等數據，提供相關研究使用(圖7～8)。  

識方科技技術總監楊曜榮表示，與ZigBee相較之下，TinyOS由於彈性較高、功能較齊全，因此較為適用於量身定作的特定應用或垂直應用，而ZigBee則較為適合應用方式固定、大量製造的產品，例如家電等領域使用。ZigBee聯盟大多由大型集團業者參與，而TinyOS陣營目前則較為學術導向。  

識方科技首席顧問盧道聰則表示，TinyOS第二版預計將在今年出爐，屆時功能將更強化，應用彈性也更高，並可用於各種8位元與16位元的微控制器。事實上，ZigBee與TinyOS的相對關係應該是垂直的，ZigBee硬體裝置也能使用TinyOS的網路協定。  

無線傳輸品質待克服  

不過，儘管無線感測網路技術百家爭鳴，卻仍有一些關鍵問題有待解決，最主要包括無線傳輸品質不穩定、電池供電下的運作時間不夠長，以及產業價值鏈分工體系尚未完整，導致產品開發耗時耗力等。陳進松即表示，目前無線感測網路的最大問題，就是運作並不穩定，由於採無線傳輸，傳輸品質容易受環境影響，因此如果資料無法即時回傳，必須不斷進行重傳，就無法保證即時服務，造成潛在風險。也因此例如晶圓廠等牽涉龐大風險的應用，往往寧可採用較不易出狀況的有線乙太網路。也因此，如何說服已經使用有線感測網路的使用者改採無線感測網路，是目前在推動上的一大課題。目前無線感測網路最常遭受質疑之處，即是「為何要使用無線感測網路？」由於與舊有的有線技術相較，無線感測網路技術較為複雜，在某些使用情境下，不免讓人有殺雞焉用牛刀之感。  

產業分工架構亟待建立  

電池供下的使用時間太短，也是一大瓶頸。通常在針對802.15.4標準的相關技術特色描述中，最常被強調的即是低功耗，一個無線裝置可能可以用上一年不需更換電池。不過在目前的實地應用上，卻發現與理想仍有一段差距。以目前工研院開發的無線感測器為例，若使用700mA/hr的水銀電池，在一直開啟運作的狀態下只能維持七天，若使用休眠模式，則能運作30～40天，距離以「年」為計算單位的理想狀態仍有差距。  

在產業鏈尚未完整的情況下，使得有意採用無線感測網路的業者面臨相當高的門檻。盧道聰指出，目前最大的挑戰，就是如何讓同一套解決方案可以快速複製到各種不同案例的應用上，而非每次都重新建構。專注於社區安全及居家照護照服務的真茂科技總經理林燕山也表示，雖然該公司以提供服務為主，但為了使用無線感測網路，卻必須自行解決系統整合的問題。這些瓶頸，在未來產業鏈中各個環節補齊，分工機制健全之後，無線感測網路才能有更迅速的成長。  

(詳細圖表請見新通訊61期3月號)