U化生活開跑　短距無線整合風潮興起

無線感測網路(Wireless Sensor Network, WSN)挾著低建置成本的優勢，成為最有潛力改變未來世界的十大技術之一，預估到2010年全球WSN產值將達150億美元，其應用及服務將深入日常生活中，成為推動無所不在應用服務的主軸科技。  

U化生活趨勢成形  

數位生活應用服務演進，配合我國政府國家政策，由早期的「e-Taiwan數位台灣」計畫，到目前的「M-Taiwan行動台灣」計畫，以及即將進行的「u-Taiwan優化台灣」規畫，皆顯示了我國數位生活演進與世界各先進國家是同步前進。由圖1可看出，數位生活由早期的服務數位化：提供用戶光纖網路、寬頻上網、隨選視訊與遠端監控系統等基礎建設；到服務無線感知化：透過無線感測器與系統提供多元加值服務，如運用無線感測網路技術提供之無線感測環境監控、特定人與物追蹤及設備管控等相關應用之軟硬體升級；進而達成服務無所不在的境界，將各種數位生活之應用服務，架構於無所不在網路社會(Ubiquitous Network Society, UNS)中，提供任何時間、任何地點，任何人皆能使用服務平台，並在食、衣、住、行、育、樂中提供各種先進應用服務。

資料來源：作者整理 圖1　數位生活應用服務演進

依照行政院產業科技策略會議之結論，我國在智慧化居住空間技術的發展規畫藍圖大致如圖2所示：2006～2007年智慧化居住空間應用策略方向，以「安全應用、智慧節能」為主軸，包含國土公共空間安全、辦公環境安全與社區安全等。現今全球資源枯竭，能源管理議題愈益受到重視，2007～2008年的智慧化居住空間應用，則以「省電節能、綠色環保」為主軸，除運用各種感測技術來達到省電節能目的外，另外對於再生能源應用也是一個重要課題。由於國人日益重視工作與生活品質，並因應社會人口結構日漸老化的趨勢，2008～2009年的智慧化居住空間發展，將朝向「健康生活、舒適情境」，以提供民眾更舒適、更健康的生活環境。

資料來源：作者整理 圖2　2006～2008年我國智慧化居住空間應用發展方向

短距離無線通訊技術各有獨到之處  

為達成上述應用服務，並滿足大多數民眾的需求，短距離無線通訊技術成為在U化過程中一個重要的關鍵技術。目前較熱門之無線通訊技術之比較表如表1所示，以下將針對幾種常被同時提及的短距離無線通訊技術做一簡單介紹。

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ZigBee

ZigBee普遍翻譯為「群蜂技術」，ZigBee一詞源自於蜜蜂(Bee)，係因蜜蜂看似隨意在跳著字形舞，實際是將有花和蜂蜜所在地的訊息，正確的傳達給其他蜜蜂。ZigBee具備相似的通訊能力，可以將訊息透過ZigBee網路傳遞給其他ZigBee裝置，嚴格說起來，ZigBee包含了兩種不同單位所制定的通訊規格，一個是ZigBee，由ZigBee聯盟所主導的標準，定義了網路層(Network Layer)、安全層(Security Layer)、應用層(Application Layer)以及各種應用產品的設定檔類別(Profile)；另外一個則是定義了實體層(PHY Layer)以及多媒體存取控制層(MAC Layer)，由國際電子電機工程協會(IEEE)所制定的IEEE 802.15.4標準。2002年ZigBee聯盟成立，包括IC設計、家電、通訊設備等廠商皆相繼加入，依據ZigBee聯盟公布的ZigBee應用範疇，明顯看出ZigBee主要是以建築物自動化、工業控制、家電控制為主，而ZigBee具備的無線傳輸、低成本、低耗電特性，可以取代既有電源線與訊號線，這部分也是吸引廠商投入ZigBee應用市場的原因之一。

‧	Active RFID
	主動式無線射頻辨識(Active Radio Frequency Identification, Active RFID)是一種以電池作為電力來源，使辨識標籤能主動發射無線電波，並透過主動式讀取器(Reader)讀取辨識標籤內資訊，依據不同資訊進行不同應用。由於其感應距離較長，比被動式RFID可靠度高，但是其價格較為昂貴，且有電力上的考量，因此在實用上並沒有被動式RFID要來得多。主動式RFID主要使用的頻率是433MHz及2.45GHz，主動式讀取器的讀取距離最遠可達到100公尺以上，依據不同的主動式RFID應用，並考量便於人員攜帶、物品附著等不同條件，針對體積大小、材質與外形設計皆有不同考量，因此目前在市面有許多不同的外形設計可供選擇。

‧	Bluetooth
	藍牙(Bluetooth)是一種小範圍的無線通訊網路，由英特爾(Intel)、諾基亞(Nokia)、易利信(Ericsson)、IBM及東芝(Toshiba)國際大廠組成了SIG小組，並由易利信主導，共同發起及推動藍牙技術。在網路拓撲上，藍牙裝置可以組成點對點、和點對多點的無線連接，其工作頻段為2.45GHz，可提供電子元件在小範圍網路中，以無線的方式相互連結傳輸，每個元件最多一次可同時連接另外七個元件。運用藍牙技術之傳輸功能，可以提供室內無線電話、行動電話、PDA、PC、印表機、家電等設備進行串連，並透過一般廣域網路(WAN)或網際網路做數據資料、語音資訊的接取與溝通，且各項終端產品也可透過藍牙技術彼此溝通聯結。

表1　無線通訊技術規格比較
比較項目＼技術	ZigBee	Act. RFID	Bluetooth	WiFi	Ultra Wide Band
目標市場	監控應用 無線或感測網路	物件辨識與管理	傳輸線取代	網際網路應用	短距離大量資料傳輸應用
系統資源需求	低	依情況而定	中	高	中
成本	小於4美元	大於4美元	5美元	6美元至10美元	N/A
典型電流	<20mA	<5mA	<30mA	100～350mA	N/A
最大頻寬	250 kbit/s	250 kbit/s	2.1Mbit/s	54Mbit/s	100Mbit/s
最大節點數	65536	Mesh	7	32	Mesh
傳輸距離(呎)	30～100(室內) 150～300(室外)	30～300	30 (class 1)	300	30
主要應用範圍	低工作週期設備例如8-bit, battery-powered控制器	電子式磁卡 物件追蹤 狀態監控	PDA 行動電話 手持式裝置	高速無線 網路存取	即時多媒體 資料傳輸

資料來源：作者整理

技術整合挑戰重重  

目前短距離無線通訊技術的挑戰，除了電池續航力的問題外，傳輸距離也是一個大問題，雖說短距離傳輸本身傳輸距離就不長，此部分也不是該強調的重點，但是在大多數的應用中，往往必須進行短、中、長距離間的整合，因此如何與其他通訊技術進行整合就成為一個重要課題。另一個問題是，短距離無線傳輸技術通常頻寬都不大，因此大部分皆只用來傳輸控制訊號或是簡單的資料，然而隨著多媒體資料越來越多，對大量資料傳輸的需求也越來越大，因此依據需求搭配不同的無線通訊技術，是目前系統整合的一個趨勢。由於目前無線傳輸技術大多是用2.4GHz的頻段，因此在干擾上是一個值得注意的問題，若兩種無線通訊技術同時使用相同的頻段，那就容易發生干擾、碰撞等情形產生，對於通訊品質會造成相當程度的影響。  

以ZigBee來說，本身標準制訂的頻寬不大，因此並不適合用於大量資料傳輸的應用，再加上ZigBee本身為短距離傳輸技術，可傳輸距離並不長，所以在許多應用上都必須搭配其他傳輸技術才能形成完整的解決方案，例如：在大量資料傳輸時可透過無線區域網路(WiFi)、全球微波存取互通介面(WiMAX)等技術，而需要長距離傳輸時則可搭配行動電話(GSM)、整體封包無線電服務(GPRS)、第三代行動通訊系統(3G)或WiMAX等方式，透過不同技術的搭配，才能突顯出ZigBee技術在應用上的種種特色，整個應用所能提供的功能也才能更完善，並且兼顧到不同客層的需要。在干擾與碰撞部分，目前ZigBee已有跳頻的機制，可以在其他頻道被占用的情況下，重新配置到其他的頻道，就可以減低此情形的發生。  

綜合以上所言，短距離無線技術整合會遇到的挑戰點，依據過去開發經驗，大致有以下幾項：短距離、中距離與長距離通訊技術彼此之搭配與整合，小頻寬、大頻寬傳輸技術整合，同頻段短距離無線傳輸干擾問題克服，環境對無線訊號的干擾問題，現實環境布建考量，如：電力提供問題，布建點選擇。  

要解決上述問題，除了透過經驗的累積外，其實有一些是可以事先克服的。例如電力的問題，過去無線訊號最令人詬病的就是電力不持久，尤其是行動裝置只能使用電池，就會遇到充電或換電池的選擇，這部分除了透過硬體線路設計，並搭配軟體的休眠功能外，另外替代能源的選擇，如太陽電池這類的再生能源，如未來技術上能突破，永續使用將不是問題。而有關環境面的問題，以台灣社會來講，大多數的場所，不管是家庭、公司、大樓都會進行不少的裝潢，在裝潢材質上儘量降低金屬材質的使用，就可以降低無線訊號被干擾的問題，如果真的無法克服，像是一些博物館、展覽館，本身的展示品就充滿了金屬材質，就可以在布建點上做一些不同的選擇，以避開這類干擾。  

市場應用趨勢  

圖3為ZigBee聯盟公布的應用市場範圍界定。依據ZigBee聯盟公布的ZigBee應用範疇來看，明顯看出ZigBee主要是以建築物自動化、工業控制、家電控制為主，另外針對無線傳輸方面，ZigBee可以取代目前傳統的控制傳輸方式，如傳統保全感測器大多為有線方式建置，感測器本身必須聯結電源線與訊號線，而ZigBee具備無線傳輸、低成本、低耗電特性，因此可以取代電源線與訊號線，這部分也是最多廠商投入ZigBee應用市場的原因之一。

資料來源：ZigBee Alliance 圖3　ZigBee市場應用趨勢

依照種種資訊與分析顯示，目前在應用市場中，不論是住宅、社區、辦公室、大樓、飯店等居住空間中，共通的應用需求為：安全、便利與舒適三大應用，其中尤以安全為最重要。安全監控為眾多需求中最重要也是最切身相關的，目前治安逐漸惡化，如何運用資通訊技術來協助安全管理為一個重要議題。安全監控範圍相當廣，從人員進出控制、設備管理、環境監測、門禁管理……，都包含在這個領域中。目前一般保全公司在協助住戶、商店、大樓等進行安全管理，並防止歹徒的入侵，或是透過數種感測器，如煙霧偵測器、門窗磁簧開關、窗戶破碎偵測裝置等設備，來達到安全監控的目的。  

在便利舒適方面，除了數位生活網路聯盟(Digital Living Network Alliance, DLNA)推動的數位家庭應用，規範以通用即插即用(UPnP)、IPv6與WiFi技術相結合來控制家中所有家電、設備之外，結合無線感測器與家電設備亦為目前開發趨勢。圖4顯示透過不同無線感測器與不同設備相結合，達到最佳化操作設定與自動控制目的以提供舒適便利的生活機能。

資料來源：ZigBee Alliance 圖4　ZigBee可帶來的便利舒適應用

同時隨著能源枯竭與能源費用高漲的問題漸漸浮現，目前省電節能課題逐漸受到各界重視，因此越來越多的建築業者與設備提供業者也開始針對這個議題提出不同解決方案。目前最熱門的作法就是與無線感測器搭配的各種解決方案，例如運用亮度感測器來控制燈光開啟數目、調節燈光亮度等方式，或是透過溫度感測器來控制空調溫度、強弱等方法，都是以在便利舒適為前提之下，同時達到省電節能目的的作法。  

圖5為一個典型的整合多種無線通訊技術的案例，為自然科學博物館定位導覽應用，此應用系統開發團隊為資策會網多所與資策會創研所，運用ZigBee技術，透過配戴於參觀者身上的數位徽章，與事先規畫布建於展品附近的定位點進行訊息交換，系統可自動得知參觀者目前所在位置，並透過WiFi將數位內容傳遞至參觀者手中的個人數位助理(PDA)上。這是全球第一套結合ZigBee與WiFi的無線感知定位導覽系統，已於自然科學博物館進行實地驗證，該系統的定位精準度可達91～99%，定位精確值亦縮減至2～3公尺內範圍內。資策會網多所除了握有ZigBee定位應用技術中數個關鍵專利技術，同時亦積極開發場測工具、布建工具、感測網路分析工具等技術，透過技術移轉方式扶植國內產業進入ZigBee應用市場，先行於關鍵地位中布局，提升國際競爭力。

資料來源：ZigBee Alliance 圖5　自然科學博物館定位導覽應用

(本文作者為財團法人資訊工業策進會網路多媒體研究所經理)