Wireless Sensor Network (WSN)

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1 Wireless Sensor Network (WSN)
電機四 B 陳宗煌

2 Outline 介紹 硬體軟體基本架構 WSN設計考量 技術 應用 結論

3 何謂WSN?(1) 無線感測網路的發展，最早是美國加州柏克萊大學(UC Berkeley)，David Culler教授主持的一項研究計劃，稱之為「智慧灰塵(Smart Dust)」。這項計劃是由美國國防部研究計劃單位(DARPA)所支助，原先的構想是應用在軍事上，例如：戰場監控… 未來兩年十大技術之一，將大量運用於商業、軍事、醫藥、安全和生態學等領域，已有許多研究機構參與。 偵察機 敵方陣營

4 何謂WSN?(2) 整合了sensor , processor , communication 設計以… 1.省電 2.價格低廉 3.體積小

5 Wireless Data Collector
何謂WSN?(3) Wireless Sensor Network (WSN): A system consisting of a collective of networked sensor nodes designed to intercommunicate via wireless radio. WSN region 網路 衛星 其他傳輸媒介 server Wireless Data Collector

6                                                     硬體架構 Sensor Processor Transceiver (antenna on board) Power

7 硬體架構 1.感測單位(Sensing Unit) 2.處理單位(Processing Unit)
3.傳輸單位(Transceiver Unit) 4.電力供應單位(Power Unit) MICA (2002) 傳輸單位:負責sensor與sensor間的溝通，或是將感測器的資料傳送給無線資料蒐集器。 Storage:功能類似個人電腦中的硬碟等儲存裝置，將蒐集到的環境資訊儲存在儲存元件中 Processor:類似CPU，負責執行事先儲存好的程式碼，以協調並控制感測器之間不同的單位元件。 通常感測器的電力是由電池所支援，因此在軟硬體的設計上， 有效的分配電力是很重要的。 Sensor:負責偵測環境，將蒐集到的資料使用類比訊號表示 ADC(Analog-to-Digital Converters)，負責將感測元件感測到的類比訊號轉換成數位訊號，並將資料送到處理單位加以處理。

8 軟體~TinyOS 為何用TinyOS? 由誰開發的呢? 主要任務是
Sensor的硬體資源相當有限。所以軟體作業系統上面，必須很有效率的利用有限資源去處理各種狀況事件。一般的OS，這些資料暫存起來，再好好的去排程，並不是個理想的手段。所以要一個更有效率的OS。 由誰開發的呢? UC Berkeley 主要任務是 利用有限的資源（CPU, memory 受限制）來進行高效率的進行操作

9 TinyOS 特色: small , only 3450 Bytes for embedded system open source
energy efficient 每個Component可分成: Frame:固定大小的資料框架 Command Handler:基本命令 Event Handler:事件發生時…(event-driven) Task:簡單的工作描述

10 WSN 設計時,應注意…. (一)網路的容錯能力(Fault Tolerance) (二)網路的擴展性(Scalability)：
(三)感測器的價格(Sensor Costs) (四)感測器硬體設計的限制(Hardware Constraints)

11 WSN 的設計考量 (五)感測網路的傳輸介質(Transmission Media) (六)感測環境(Environment)
(七)無線感測網路的網路拓樸(Sensor Network Topology) (八)省電機制(Power Consumption)

12 傳輸介質 無線感測網路的傳輸介質包括可以利用紅外線、無線電波、以及光通訊介質等作為傳輸媒介。
感測器網路並無規格制定，在目前無線網路的發展中審視，似乎IEEE 低速率無線個人區域網路有機會成為其適用規格。 優點:低能量消耗、較低傳輸速率及便宜的特性，這些與感測器網路的特徵相同。 舉例來講，現在有採用2.4GHz頻帶，和藍芽(Bluetooth)介面相容的傳輸裝置；而另一種低功率的感測器裝置則是使用916MHz頻帶

13 傳輸介質-光訊號(smart dust) 可做到如灰塵般… Speck

14 傳輸介質-以光訊號傳輸 提一下缺點:傳輸時中間不能被擋 方向要先確定

15 傳輸介質-RF (WEBS專案) 以無線電波傳輸,好處是技術發展比較成熟，但壞處有…： 電路較複雜(需要modulator, filter)
耗電量較大，size大 天線大小 空間的限制->要小->短波長->高頻->耗電量上升 Channel Partitioning ─ TDMA, FDMA, CDMA 技術較複雜 MICA

16 比較 相當小! 未來的趨勢:逐漸整合在一起

17 工作模式 Duty cycle小，節省power!!! 有四種模式： 依消耗功率大小排序:為發送、接收、空閒、睡眠
1.發送模式（transmit） 2.空閒模式（idle）、 3.接收模式（receive） 4.睡眠模式（sleep）、 依消耗功率大小排序:為發送、接收、空閒、睡眠 Duty cycle小，節省power!!!

18 傳統網路傳輸方式 1.infrastructure型的網路 需要central server (AP)，用戶必須透過AP與其他電腦溝通。

19 傳統網路傳輸方式 Ad-hoc型:一種不須要 central server (AP)的 wireless Peer-to-Peer 傳輸模式
在ad-hoc的網路架構下，任兩台mobile devices 若在彼此的通訊範圍中，則兩台mobile devices可直接互相通訊。

20 WSN網路傳輸方式 WSN的架構最接近ad hoc，然而卻無法直接應用。 限制在於…
由於sensor node數非常大且很多node可能進行同樣的偵測及任務，因此sensor可能沒有類似IP network中的ip address來作為共通的識別證（identification）。 sensor node主要使用廣播通訊（broadcast communication）而大部份ad hoc網路使用點對點（point-to-point）通訊。 假如兩點之間距離太大，很難通訊

21 WSN網路傳輸方式 解決: 利用Multi-hop
在兩個相對遠距的sensor node中，尋找另一個node當作轉傳的收發站，則可用接力的方式，來達成不同node的通訊。 B D E F G C A Broadcast: 會有Flooding的問題 因此… 1.Shortest-path routes 2.Avoids overlap Still researching!!!

22 實際應用(example) 1. Environmental monitoring applications (Digital Sun)
2. Structural integrity modeling and monitoring Precision Agriculture, Water quality management Golden Gate Bridge – San Francisco A thin arch dam - Switzerland

23 實際應用(example) 3. Equipment Health Monitoring in Semiconductor Fab
Intranet Intranet Intranet isolation Intranet isolation Root Node Root Node Ad Hoc Mote Network Ad Hoc Mote Network Mesh Mesh Mote + Vibration Sensors and healthy , military …more

24 research Redwood microclimate
70% of H2O cycle is through trees, not ground Can only observe top surface of the forest Need to understand what happens within the trees Berkeley/SF

25 Wireless Micro-weather ‘Mote’
Incident Light Sensors TAOS total solar Hamamatsu PAR “dot” mote Power board Power supply SAFT LiS02 battery, ~1 2.8V Weatherproof Packaging HDPE tube with coated sensor boards on both ends of the tube O-ring seal for two water flows Additional PVC skirt to provide extra shade and protection against the rain Radiant Light Sensors PAR and Total Solar Environmental Sensors Sensirion humidity + temp Intersema Pressure + temp battery battery

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27 Bottom Top

28 conclusion WSN的發展，在Intel與柏克萊大學合作研究後，已有許多國外廠商如Intel、Crossbow、Digital Sun、Senera、Sensicast Systems等在進行研究並研發商品，而國內也開始進行研究與發展。 因為擁有省電、價格低廉、體積小的優點，相信在各個應用上會愈來愈普及

29 我的報告到此結束~~ 感謝大家聆聽