半導體、網路及材料科學技術的不斷進步，帶動無線感測網路(Wireless Sensor Network, WSN)的大量普及。同時，這些技術的相互結合也促成新一代WSN產生，且其發展和布建的無線網路技術也與5～10年前截然不同。
如今，先進的WSN具有更低的布建和維護成本、更長使用壽命，並且更加可靠。WSN正逐步擴展到家庭、公司和其他場所等眾多應用中，為個人生活和工作環境帶來新的資訊來源、控制方式和便利性。表1列舉幾個範例，說明WSN如何提高生產力、降低成本並延長壽命。
未來，每個WSN應用將包括完善的標準化硬體和軟體混合解決方案。但到目前為止，無線系統和網路設計人員仍然要在眾多複雜的應用變數中理出頭緒和權衡取捨，這些變數包括布建成本、硬體和軟體、系統可靠性、安全和效能等。換言之，無線嵌入式設計人員須權衡以上因素的利弊，並做出選擇，如變頻器和電池技術選擇、無線操作頻率、輸出功率和網路通訊協定等。
嵌入式設計工程師要權衡WSN建置問題，須掌握全面的技術，包括能源儲存、無線網路通訊協定、半導體設計和感測器/驅動器技術。WSN設計的複雜性為該技術普及過程中的主要障礙，但也為硬體和軟體技術供應商提供加值服務創造機會。
WSN起源軍方與重工業應用
就如許多先進技術一樣，WSN最早起源於軍事和重工業應用領域，與現今普遍應用的輕工業和消費性WSN應用相距甚遠。第一個與現代WSN真正有些類似的無線網路，為美國軍方於1950年代開發用以偵察和跟蹤前蘇聯潛艇的聲納監測系統(SOSUS)，該網路系統使用水底聲納感測器分布在大西洋和太平洋中。直至目前為止，聲納監測系統仍被使用於監測海底野生動物和火山活動情況等生態平衡任務。
美國國防高等研究計畫署(DARPA)於1980年正式開始實施分散式感測網路(Distributed Sensor Network, DSN)專案，用於探索實現分散式/無線感測器網路所面臨的挑戰，並做為對1960和1970年代美國對互聯網硬體開發所進行投資的回應。隨著DSN的誕生和其在學術界的發展(透過與卡內基美隆大學和麻省理工學院林肯實驗室等合作)，WSN技術很快在學術界和民間科學研究領域找到應用空間。
美國政府和大學開始將WSN應用到諸如空氣品質監測、森林火災探測、自然災害預防、氣象站和結構監測等應用中。然後，隨著工程專業學生加入當今科技領導企業，例如IBM和貝爾實驗室，WSN也開始在重工業應用，如配電、污水處理廠和專業工廠自動化中被使用。
雖然市場對WSN的需求強勁，但要從有限應用領域繼續擴展仍面臨諸多挑戰。過去幾10年中，WSN在軍事、科學/技術和重工業領域的應用，主要基於體積龐大、價格高昂的感測器和專有網路通訊協定而進行，其在功能和特性方面表現良好，但是在硬體成本和布建成本、網路標準、功耗和擴展性等方面就相差甚遠。換句話說，WSN的高成本和低容量使其無法廣泛布建到更多的應用。
自發性及標準化組織推助 感測器成本再下探
雖然20世紀還沒有適用於大量工業和消費性應用的技術，但是學術界和工業界認為可結合彼此的力量運用WSN解決工程上面臨的挑戰。學術界/工業界的自發性組織包括加州大學洛杉磯分校(UCLA)無線整合網路感測器(1993年)、加州大學柏克萊分校PicoRadio項目(1999年)，麻省理工學院(MIT)微型調整(μ Adaptive)多域功耗感知感測器專案(2000年)、美國國家航空暨太空總署(NASA)感測器網路(2001年)、ZigBee聯盟(2002年)與嵌入式網路感測中心(2002年)。以上的自發性和標準化組織的目標皆為藉由降低單一感測器的成本和功耗(圖1)，實現在輕工業和消費性應用中大規模布建WSN，同時簡化WSN開發和維護工作。
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| 圖1 降低感測器成本利於推動更廣泛的WSN市場 |
在降低WSN布建成本同時並增加功能，主要會涉及四個關鍵技術領域，即感測器、基於互補式金屬氧化物半導體(CMOS)的半導體元件，以及網路通訊協定和能量儲存/再生技術。以上技術演進的成果也將促使物聯網(IoT)應用大規模建置無線感測器網路。
感測器為WSN架構核心
任何WSN的核心關鍵都是感測器。多種感測技術在過去的10年中發展迅速，包括微機電系統(MEMS)元件，如陀螺儀、加速計、磁力計、壓力感測器、焦電(Pyroelectric)效應感測器、聲音感測器，以及基於CMOS技術的感測器，如溫度、濕度、電容式近接感測、化學成分檢測等；另外還有發光二極體(LED)感測器，包括環境光線感測、近接感測、化學成分感測。
網路互連後，上述具有成本效益的感測器能實現多種新應用，如最佳化家庭和建築物中的空調系統(HVAC)控制和照明。美國能源部《2012年度能源展望》報告指出，HVAC和照明系統消耗的能源占美國2010年全年所用商業能源的48.1%，其中，絕大部分能源由於缺少智慧型控制系統而被浪費。大多數HVAC和照明系統，最佳的情況也只是安裝定時裝置，而不考慮人員存在的因素，因此利用MEMS、CMOS和LED環境感測器和偵測是否有人員存在感測器(焦電、近接、聲音)，HVAC及照明智慧型系統設計將能大幅節省整體功耗。當未偵測到人員時，可關閉環境中的電源開關，當周圍環境光線充足時，可調暗照明設備。
此外，使用者安裝感測器網路，可以實現額外的功能。例如，可以重複利用聲音感測器監測白天是否有人員出入，並監測夜晚是否有人打破玻璃非法入室。另外一個例子是透過檢測判別是否有人存在，而當人員不在場時，藉由過斷開牆上插座的電源，消除沒有使用卻仍然消耗電能的「電能吸血鬼」用電設備，如電腦螢幕、電視機等。據專家估計，光是「電能吸血鬼」造成的浪費就占商業用電量的7?15%。
導入CMOS技術 WSN硬體成本再下滑
1990年代後期，隨著半導體產業開始採用標準化CMOS製程生產大部分半導體元件，WSN應用的硬體成本終於降到市場可接受的價位。網路設計人員不再依賴體積大且耗電高的離散式電路或多晶片解決方案，取而代之的是，可簡化WSN硬體的新產品正逐步進入市場，如無線微控制器(MCU)系統單晶片(SoC)元件，該元件包含通用微控制器和射頻(RF)收發器。這些SoC包括充足的高效能周邊，如放大器、類比數位轉換器(ADC)、數位類比轉換器(DAC)，以及非揮發性記憶體，在為網路提供射頻連結的同時，用來處理應用程式配置和網路通訊協定。
如今，大多領先的半導體供應商都為WSN應用提供無線SoC。如芯科實驗室(Silicon Labs)EM35x Ember ZigBee系列產品，該系列內建包括32位元安謀國際(ARM)Cortex-M3處理器、完全相容IEEE 802.15.4-2003的收發器、AES加密加速器、ADC和1微安培(μA)以下的休眠模式電流。利用高整合方案開發WSN感測節點，只須為安裝在價格低廉電路板上的無線SoC添加電池和感測器。
WSN網路拓撲分四類
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| 圖2 四種類型的WSN網路拓撲結構 |
WSN拓撲一般可分為單向、雙向、星型和網狀網路四大類(圖2)。
第一類網路通訊協定是簡單的單向通訊鏈路，仍然普遍應用於胎壓檢測系統、車庫開啟器和電視遙控器等應用中。
由於對更進階拓撲結構的需求變得日趨明顯，網路工程人員開發出低儲存容量協定，用於雙向、星型及網狀拓撲結構。此外，WSN產業從專有協定朝向標準協定發展，與微控制器從專有指令集朝向8位元8051核心和32位元Cortex-M解決方案發展相同。擁有一套標準的網路通訊協定，如ZigBee協定及其相關協定，WSN開發商毋須擔心開發成本不斷增加，也可專注於具體應用的開發。
成本經濟型網狀拓撲協定可支援新型應用，如家庭照明應用。經濟型網狀拓撲可快速支援超過三十盞燈和感測器，而傳統星型拓撲卻力有未逮。由於多徑傳播或遮罩，無線區域網路(Wi-Fi)路由器常常無法覆蓋整個房屋，但是網路拓撲卻能可靠連結房屋內的所有節點，而且單位節點成本最低。
此外，由ZigBee軟體支援的網狀網路拓撲，可支援單一網路上的數百和甚至可能上千的節點，遠遠超過藍牙(七個節點)或Wi-Fi(三十二個節點)所支援的設備數量。
能量儲存和採集技術取代電池
如今WSN可使用多種電池技術，使系統設計人員根據具體的應用需要選擇能量儲存設備。例如，最新的鋰電池技術可對工作壽命或環境進行最佳化；對溫度變動較小和工作壽命較短的應用來說，鋰錳(LiMnO2)電池具有穩定的效能且成本較低；而對於溫度範圍較大和工作壽命在幾10年以上的應用來說，則適合使用鋰亞硫酸氯(LiSOCL2)電池。
雖然電池是首選的低成本能源儲存技術，但是在某些應用中，能量採集設備將成為電池實際可行的替代產品，如能量可從熱電(Thermoelectric)和焦電效應中的溫度差、壓電(Piezoelectric)材料的轉換動作，以及擷取太陽能的太陽能電池中獲得，甚至透過特殊天線和整流進行的射頻能量的直接轉換獲得。如目前進入市場的能量採集設備包括有壓電燈光和門鈴開關。能量採集領域的研究還在繼續，預計未來幾年的布建成本將持續下降。
中繼器降低WSN資料收發功耗
為理解目前WSN應用領域中技術融合的影響，本文提出操作範例進行說明，亦即於WSN上使用無線微控制器感測器向距離3公里的聚合器發送資訊時能量需求。
出於實驗目的，假設80dB的有效鏈路值為接收器功耗10毫瓦(mW)、靈敏度為-60dBm，此外，本文範例並假定發射器功率簡化為功率放大器。觀察成對發射器和接收器的數量(須將資料從網路的一端發送到另一端)，其結果可由圖3的曲線得知。
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| 圖3 WSN系統收發過程的功耗需求 |
對於一組發射/接收器來說，傳輸過程中網路耗費的總功耗為110mW，但是如果在發射器和接收器中間安裝中繼器，總功耗將降至70mW，意味節約36%的功耗。不過，安裝中繼器將使網路通訊協定的複雜性增加，而不再僅是簡單的與星型網路或網狀網路的單向連結。
在合適的位置安裝中繼器後，WSN設計人員可自由的安裝其他感測器，這僅須增加一些成本，就可以把簡單的中繼器轉變成功能齊全的感測器節點。根據Metcalfe定律，網路的價值與網路規模的平方成正比，未來將有更多的感測器連結至網路中，大幅增加WSN的效用。
儘管網路的效用增加而功耗減少，但是增加感測器和發射器元件還是會增加硬體成本。增加的這部分硬體成本可抵消，因為WSN的布建和替換成本可能是新增硬體成本的十倍。換句話說，由於能量儲存技術而使網路壽命得以延長所帶來的好處，遠超過增加的硬體成本。同樣，若延長網路壽命非屬必要，網路設計人員還可選擇更廉價的電池技術。
未來的WSN世界令人期待。隨著感測器、網路、半導體和能量儲存技術的發展，WSN將融合各種技術形成完整的物聯網系統。當與雲端運算和大量資料運算相結合後，物聯網市場容量和應用數量幾乎是無限的，且人類和機器能以前所未有的方式進行互動。使用WSN，使用者將能透過簡單易用的介面控制整個家居設備；能源採集和分發系統將增加效率，且農民生產量將可提升；而人們還能透過不間斷的家庭醫療監測系統延長生命。
(本文作者為芯科實驗室資深產品經理)