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實體與虛擬結合的橋樑 從WSN應用看WSN技術
羅清岳／DIGITIMES
引言：「無線感測網路將會改變人們生活」，這點絕對不容質疑。不過，這項 技術會用哪一種方式？又如何改變人們的生活？很多時候會因為過去研究者所提出的應用情境，便開始了現今對於無線感測器網路的推論及研究方向，使得很多從事 無線感測網路研究者便不加思索的。當然，新穎的應用必定是非常具有趣味性，而且似乎的確對人類的環境及生活有影響，可是卻限制了無線感測器網路的發展潛力 及必須要了解的研究方向。
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不過，如何透過無線感測網路將實體環境與虛擬世界結合？這樣的結合會產生什麼樣的應用？相信這絕對值得探討。
以應用作為導向的WSN
首 先，從WSN的應用觀點來看，由於無線感測器就像是一座龐大的資料收集庫，因此如何取得感測器收集來的數據資料？如何建構有效率與省電的資料收集及傳輸？ 如何在感測器系統中能夠很順利的進行處理動作？因為在WSN的使用環境中，受限於感測器硬體本身與資源等因素，如何在系統運作時提供上述要求，將面臨許多 挑戰，而這些都是各界在WSN技術中，最值得探討與研究的議題。
一般來說，在WSN的應用環境中，所使用的感測器可以提供 給使用者觀察、記錄移動物體的方位資訊及移動過程。這是因為有關於記錄、追蹤移動物體位置資訊的技術，已經足以成熟到可以被運用在無線感測器網路環境中， 而這都是透過無線電技術及超音波等感測能力去監控物體的移動與存在，利用無線網路進行傳輸數據的動作，最後再利用三角定位或其它定位技術來監控移動物體的 位置，甚至可以利用感測器與感測器之間的位置進行追蹤策略，進一步準確地取得移動物體的移動路徑。
•網路節點採集、壓縮的監測資料示意圖
圖說：Sink節點，再由Sink節點和閘道節點（Gateway）通過多跳中繼（Multi-hop）方式完成多個WSN節點資料的彙集並傳發，最後在監控伺服器（Control Center）將整個監測區域內的資料進行集中處理。（製圖：羅清岳）
不同應用範圍 就有不同的設計觀點
從 在無線感測網路的應用案例中，設計者是利用無線感測器作為收集資訊、數據的來源，例如：溫度、濕度、氣體濃度、化學物質、物體移動、位置等監控。對設計者 來說，應用範圍是否廣泛？是否可靈活應應？物體的移動、位置是非常重要的資訊。就像將WSN應用在智慧型建築物中，一方面利用無線感測器來監控空氣中的氧 氣、二氧化碳的比例是否合乎正常？研判是否可能發生火災意外？另一方面，又藉由佈建在於建築物中的感測器判斷火災的正確位置與火勢移動的方向，加速火災救 援的動作。
不過，在設計上無線感測器本身還是有一些限制存在，例如：電能消耗、記憶體大小、頻寬穩定度、感測器堪用…等，將使得WSN無 法全面的應用在各個領域中。所以在設計WSN的佈建初期，如何最少的感測器、最少的計算量，以及最少的通訊量，讓具有獨立應用特性的感測器能在彼此間進行 通訊與監控，就成為目前WSN系統研究的目標之一。
為了讓無線感測網路可以判斷不同的偵測物體移動方式，而採取不同的監控 模式，此時就需不間斷地監控物體的移動方式，才能進一步確保所採取的模式是正確的。但是，這樣的監控、追蹤物體的動作很容易造成電能消耗快速的缺點。因 此，在WSN系統不斷地監控物體的同時，包括移動路徑及根據物體即時的狀況，決定要以哪一種適當的追蹤、監控模式。感測器有能力察覺物體的移動方式已經改 變，並且在物體的移動方式改變時主動告知追蹤系統，讓追蹤系統能夠適時的調整追蹤策略。如此一來，在WSN系統處於監控與追蹤系統下，一方面可達到省電模 式的效果，另一方面也避免追蹤移動物體與監控物體位置的錯誤產生。
過於重視具前瞻性應用 忽略工程及系統整合問題
回 頭來分析無線感測網路研究的過程，過去總是利用想像力繪製出WSN的運用形式與情境。例如：將價格便宜、大批量有如灰塵般微小無線感測器，肆意的將這些感 測器分灑於各個周圍的環境中，而這些感測器自然而然的形成1個網路系統，每個感測器之間還具有相互聯絡、彼此合作，共同面對必須要解決的問題。比方說，戰 場上的監控、追蹤，或者是不容易佈建有線網路的無線環境中。
在此願景的期許下，不論是感測器所需要的無線通訊能力、運算能 力、電池供電、成本便宜且微小、能夠隨時隨地的佈建，甚至是自我組織及修復、容錯（self-organization and –healing）等智慧化的應用。因此，WSN逐漸將微機電、無線網路、省電技術、分散式處理等相關技術整合為1個「完善」WSN技術。
嚴 格來說，目前無線感測網路的研究還是以上述的願景來加以發展，追求越新穎、越具創意WSN才有其價值。但，其實不然，如果只將目光都放在前瞻應用，所謂 「先進」的研究成果很可能到最後會與現有的感測器脫節，也不會對現有的感測器廠商做出什麼貢獻。雖然說，這些應用的確很有趣，而且具挑戰性，能夠協助研發 者開發出前瞻性的技術，但卻忽略基礎的工程技術及系統整合觀念，反而未得應有的重視，最後所得到的結果，卻導致研發技術過於空洞而架構更為複雜，實用性不 高的應用。
圖說：由於無線感測器網路的佈建容易，加上具有傳輸數據資料等特性，在工業應用與智慧建築方面皆有發揮之處；比方說，在現代建築的電力系統 控制、災害預測、溫、濕度管控與節能方面的應用。（www.gophone.com）
實體應用不需要複雜的觀念 只要簡單的技術
截 至目前為止，還是有許多感測器還是無法完全滿足WSN的應用。舉例來說，許多WSN的應用都是以演算技術為主軸，不論是網路感測器的佈建，或者是訊號的傳 輸等技術上的問題，大都是運用仿真、模擬技術來解決。不過，由於目前WSN的系統網路訊號強度還是不夠穩定，再加上訊號容易受到應用環境的干擾，在真實的 應用時也不能再以仿真技術來進行模擬測試，再加上演算技術無法直接套用到實際WSN網路上。
不過，若換個角度以工程技術來切入，便能在訊號不穩的情況下，還是能夠保持無線感測器網路的暢通及傳輸相關數據資料，再以過去感測器的硬體作為比較，由於無線感測器所具備的處理器及記憶體，所以可以將它作為智慧型的感測器來加以應用。
但， 這些智慧型的感測器要如何運用？如果以應用的角度來看，這些智慧型感測器作為省電模式與協同演算技術為主要目的。運用目前的感測器技術，以及處理器及記憶 體之後，其無線感測器網路不單能夠提高新的附加功能及價值，還可透過感測器的演算技術與通訊能力，以提升感測器的功能及價值。如此一來，無線感測網路的研 究與應用還是有非常大的進步與發展空間。
無線感測器網路之無線技術成關鍵
因為無線與感測等相關技術持續進步，如：802.15.4/ ZigBee等 規格的制定，這代表著無線感測器網路已經逐步走向標準化之路，一方面吸引上、下游企業相繼投入研究與產品開發，另一方面更結合無線環境感測技術，造就了創 新且具價值的資訊科技應用。不過，到目前為止，還無法有一個標準能全面滿足無線感測器網路需求；因此，未來的發展是否還是以此為主，還必須要就無線技術與 感測應用等多方面來加以考量。
嚴格來說，由於WSN的應用範圍非常廣泛，所以若要以單一標準來適用於所有的應用類型之空間環境，如：自然 環境監控、醫療環境監控、家庭自動化、設備監控等場合。但，無論如何，在WSN領域中，各個所推出的新無線標準特性及發展現況為何，便是相關業界開發 WSN技術與應用時應該關注的焦點。
從 該表比較中可得知，ZigBee耗電、成本、網路容量、工作頻段靈活、安全性、機動網路組態等都是ZigBee引以為傲的優勢。不過，還是必須要將無線感 測網路的通訊協定、相容性，以及市場可接受度，甚至在自動化家庭生活與智慧型建築大樓等方面列入考量。另外，以IEEE 802.15.4 低速率無線個人區域網路（Low-RateWireless Personal Area Network；LR-WPAN）結合ZigBee無線標準為基礎的發展，已經成為大多數研發廠商發展的主要目標。
然而，ZigBee的 起源主要是由IEEE 802.15.4 小組與ZigBee Alliance 組織，分別就軟、硬體制定出標準，而ZigBee是一種近距離、低複雜度、低功耗、低資料速率、低成本的雙向無線通訊技術，完整的協議只有32 KB，可以嵌入各種設備中，同時支援地理定位功能。以上特點決定ZigBee技術非常適合應用在無線感測器網路中。
就理論上來說， ZigBee是1種約250kbps的低傳輸速率，在傳輸距離方面約為50公尺至100公尺的短距離傳輸，並可依需求的耗電量差異，可提升到300公尺， 另外就是低消耗功率與架構簡單的標準技術。就頻段來討論，全球的2.4GHz ISM頻段、美國的915MHz 頻段，以及歐洲的868MHz 頻段。另外，在2.4GHz 的ISM 頻段，可使用的通道總數則有16個；在915MHz 的ISM 頻段，可使用的通道數為10 個；在歐洲的868MHz 頻段，可使用的通道數為1個。ZigBee支援主從式或點對點方式運作，同時最多可有255個連接裝置的節點，十分具有競爭力與高擴充性，已經逐漸成為產 業共通的短距離無線通訊技術之一。
後有追兵 ZigBee能否穩上王座還需再觀察
有 許多專家曾經表示，ZigBee是一種新的短距離無線通訊標準，具有感測器、設備、資產追蹤設備的資料通訊方法的技術標準。可以運用電池進行供電之用，並 提供設備的低資料率和低負載週期管理，提供構建可靠但成本可承受的網路骨幹，可以用在很多應用中，比方說：自動化工業管控系統、公用事業計量、大樓控制， 甚至是玩具。然而，家庭自動化是ZigBee設備的最大市場，ZigBee協定目前的版本採用IEEE802.15.4短距離無線通訊標準，而上層網路層 和應用支援層則透過ZigBeeAlliance來制定，應用層則包括有Profile來加以規範。由於低成本、低耗電的優勢，使得 802.15.4/ZigBee在應用市場的接收度與普及率日漸提高，這也使ZigBee不僅可以運用於家庭自動化、家庭安全、工業與環境控制與個人醫療 照護等應用領域中，甚至可以搭配的應用產品包括：家電設備、消費性電子產品、電腦周邊設備，以及感測器等，進一步提供家電設備的感測、無線式電腦周邊控制 系統與家電遙控等功能。
不過，還有其它業者及組織也相繼提出與ZigBee性質相仿的訴求標準，包括：極為簡化架構、成本更為便宜的Z- Wave，以及經由BlueTooth技術所發展出來的BlueTooth Lite架構，持續加強簡化設計之後，也能夠與ZigBee一較長短。這是因為無線感測器網路處於起飛階段，在真正具有主流趨勢的標準還確定之前，廠商仍 有機會爭取按自有標準一統江湖，所以同時期多種標準如雨後春筍般浮現競逐實屬正常，等到大勢底定，主流成熟的標準自然為業界所心悅誠服。另一種可能，則是 目前ZigBee無法滿足WSN領域涵蓋各個層面的多樣需求，WSN的應用範圍非常大，不太容易以單一標準適用於所有類型的空間環境，自然環境監控、醫療 環境監控、家庭自動化、設備監控等場合性質幾乎互不隸屬，因此有可能在短期之內，WSN領域仍舊保持多種標準並用並存的狀態。
•Sensor Node的概念式硬體架構圖
圖 說：由於能量的考量，Sensor Node必須減小自己的傳輸範圍，也因此Seosor Node通常使用multi-hop的方式做傳輸。當Sensor Node偵測到事件發生時，它會將所偵測到的資訊回傳到一個特別的Node，通常稱作sink或者是BS。（製圖：羅清岳）
無線個人、感測區域網路(1)
藍芽技術建構個人無線傳輸網路
在藍芽成功的推進成為IT產品通訊主流技術後，面對愈加複雜的應用，利用藍芽來作為個人網路傳輸技術的呼聲也愈來愈高。目前眾多的通訊技術協定，藍芽是否有能力來擔負次世代的個人網路傳輸技術，當然必須從各個角度觀察以及衡量。
基本上，對於資料流量並不大的個人化應用來說，或許頻寬與速度並不是重點，因為從規格與標準來看，在這一方面似乎是不足憂慮，不過，從另一個觀點來看，由 於訊號波的充斥及竊取訊號技術的成熟，使得在面對個人網路傳輸技術應用時，藍芽技術能否有著強大的力量來對安全性及抗干擾提供相對應的能力，也許這才是會 被關心的。
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■藍芽技術已經被廣泛接受使用
從1994年易利信開始研究此一技術開始，1997年藍芽特殊利益／共同推廣團體（SIG）的出現，直到目前已經有超過2000家以上的業者簽署了藍芽授權合約，而SIG的成員，也從當初的4家增加到9家。
就對於短距無線通訊來說，利用2.4GHz ISM頻寬運作的藍芽已經相當普及應用在各式各樣產品上，同時也是成長最快速的通訊標準。從行動手機一直到今天個人電腦，事實上，在傳輸技術上面的成熟度已非常被肯定的。
藍芽的規範目前有2種傳輸距離，包括10公尺及中距離的100公尺，每個頻道可以用最高720kbps的速率來傳輸相關的數據資料，相信這樣的距離範圍就 對於個人傳輸應用來說，這應該是相當足夠的，並因藍芽是使用2.4GHz ISM的頻段，只要發射功率在1瓦以下，並沒有執照上面的問題。
也是因為這樣的優勢與較高的彈性，使得藍芽技術未來的應用，也就被廣泛的討論，期望在未來能夠與第三代行動電話技術做結合應用，例如像GPRS與WAP通 訊協定等等，提供消費者可以存取更多元化的行動多媒體服務，並另一方面已開始陸續被討論藍芽被應用在個人網路傳輸技術的可能性。
■2.4GHz頻率是區域網路無線傳輸主流
以目前來看，IEEE 802.11已經是區域網路無線傳輸的主流技術，傳輸速率更是不斷的被提昇當中，似乎已經立於絕對主流的角色。但這也還是僅止於區域網路的應用，如果，期望更進一步的應用在隱私性更高的個人網路傳輸的話，有些安全性上面的問題就被需與予以探討。
當然是可以這樣的去理解，也就是說，這是不同目的與功能的應用系統，所以，需要的安全架構也會有很多不同的考量角度，不過，有些人會質疑這樣的觀察是否有 足夠的客觀性，因為是不同的功能和不同的目的背景下，所開發出來的系統和技術，所以基本上這是兩個相異的機制與應用，但可以這樣想，既然是期望能夠成為未 來個人資料傳輸的無線技術，那麼對於使用者來說，所關心的無非就是相同的幾個疑問，像是安全、漏洞、被攻擊、穩定度、抗干擾等。
另一方 面，無論是IEEE 802.11或藍芽技術，都是採用2.4GHz頻率，就基本上來看，似乎是被放在同一位階上來被看待的。在本文中並不是有意的貶低IEEE 802.11的能力，而是單純的由於雙方都是在同一頻帶下，且都以短距資料無線傳輸作為訴求點，作為描述藍芽技術作為個人無線資料傳輸合適性的一個比較對 象。
事實上，就實際應用結果可以了解，目前，IEEE 802.11也是面臨許多安全性漏洞與攻擊的問題，因為根據一些專家指出，IEEE 802.11所使用的WEP在資料保護以及使用者判辨方面有著許多漏洞和不足。
■IEEE 802.11的RC4串流加密器技術
在安全性方面，有線與無線傳輸的最大區別就是被非法侵入的方式，因為有線傳輸是靠實體線路進行資料送，所以，入侵者除非是直接利用實體線路，否則在安全性上面是沒有太大疑慮的。
但無線傳輸卻是利用頻波來傳送資料，如果在資料保護及使用者判辨沒有完善能力的話，只要在有效的傳輸範圍內，利用匹配的相關設備來傳輸或接收資料封包，那麼網路的安全性是相當容易收受到侵犯，所以，如果期望能夠避免這樣困擾，就必須在網路層來進行更多的安全機制。
▲直到目前已經有超過2000家以上的業者簽署了藍芽授權合約，而SIG的成員，也從當初的4家增加到9家。（圖片來源：bluejack）
IEEE 802.11使用的安全機制是利用RC4串流加密器技術的WEP協定，由於RC4串流加密器技術的基礎是採取Encryption Key Stream的密鑰再配合運算，來對原始資料進行加密，讓原始資料經過加密後，可以安全的傳輸，即使被竊取，如果無法取得密鑰再配合運算的話，那麼這一段 的資料封包也會成為無意義的Cipher Text。
當然，使用者本身應該有不讓密鑰外洩的義務與觀念，來保護原始資料以加密後資料的 安全性。但反過來說，即使這一方面做的相當周全，也無法保證一定是可以完全被信任的，因為非法入侵者還是可以透過取得原始資料及加密後資料進行先驗（A Priori），然後採用原先IEEE 802.11所使用的XOR（eXclusive OR）運算技術來反推密鑰，之後就可以大而皇之的登門入室。
當然，為了要避免這樣的危機，使用者可以對不同的資料使用不同的密鑰，但是這樣的做法不僅麻煩，而且因為掉封包的問題經常發生，就必須改變每個封包24bit初始向量IV來維護同步性。
■藍芽技術Lin k Key有較佳的保密能力
在對於保密機制這一方面，也是利用密鑰來進行封包加密，但是與前述所不同的是，藍芽技術的密鑰被稱為Link Key。在傳輸的過程中，Link Key是在建立安全協定後，進行連線的過程中所產生的，使得在每次的資料封包傳輸時，傳送接收雙方都能夠使用這一個Link Key，這每次傳輸過程所產生的Link Key分別包括了Unit Key及Combination Key這兩種。就實際的用作上，Unit Key及Combination Key是有功能上的區分。
Unit Key會再加密後，分送給其他的IT產品設備，也就是說在傳輸的過程中，只有一個設備能夠發送使用Unit Key，來建立起初步的加密機制。而Combination Key，則是作為使用Unit Key設備以外的其他設備的Link Key，主要是提供在傳輸過程中的封包通訊保護功能。
這樣的機制在安全性上面是會有一些問題的，因為基本上，所有的連接設備都可以得到 Unit Key，然後進一步的利用自己是傳輸網路中的其中一員，來獲得因為使用Unit Key所進行封包通訊的資料，當然在竊取封包的另一個層面就是能就進行安全性的攻擊，觀看之下，似乎整個網路傳輸的安全機制是非常脆弱的。事實上，藍芽 SIG組織也不建議在有安全考量的情況下使用Unit Key。
除了密鑰技術外，相較於IEEE 802.11的加密方式，看起來似乎藍芽所採用的E0串流加密法是有較佳的保密能力。E0串流加密法的技術，基本上與RC4串流加密法一樣，都是需要一把 密鑰，當然這密鑰的取得是可以被經過設計的，可以亂數或從Link Key等不同的機制當中取得。
▲以目前來看，IEEE 802.11已經是區域網路無線傳輸的主流技術，並且傳輸速率更是不斷的被提昇當中，似乎已經立於絕對主流的角色。（圖片來源：K Best Technology）
不過，和IEEE 802.11所使用的RC4串流加密法的最大不同點是，E0串流加密法並不是從頭到尾都使使用固定的密鑰，而是在每一次封包資料的傳輸過程中都會出現獨特的密鑰，而這個獨特的密鑰鑿是由每一個Packet Key所以衍生出來。
■E0串流加密法是較複雜不易被破解
相較在IEEE 802.11的被非法攻擊背景下，利用E0串流加密法所進行的封包傳輸是相對的複雜且困難許多，因為期望能夠破解E0串流加密法是必須不斷取得原始資料加 以運算，然後再藉由所得知的Key Stream及E0串流加密法的一些公開訊息封包來倒算出來原始的密鑰。目前，E0串流加密法的最大長度是80bit，不過，藍芽SIG組織所建議的長度 是能夠增加到128bit。
事實上，就目前而言，似乎還沒有一個相當不錯的方法可以輕易的破解藍芽技術所採用的安全機制，而可以被認為這樣的機制是大大的強化了利用藍芽技術所建置而成個人網路的資料傳輸安全性。
就整體而言，在設備相互連接通訊前，設備間並不會建立起Link Key，當設備之間開始建立連結時，會產生Initialization Key，這個Key的出現也是有一些複雜性，是經由每個設備的位址、加上亂數、個人識別碼PIN等等的所有條件加入後運算而產生的。不過雖然是這樣， Initialization Key仍舊是有會被破解而成為進入網路機制的一個破綻。
所以，藍芽SIG組織除了前述建議增長位元長度外，也提出在配對的過程中使以加密的方式來進行，詳細的建議與觀念請參考藍芽SIG組織所提供的相關訊息。
就非法攻擊行為上來說，對於IEEE 802.11所進行的入侵方式看來對於藍芽所採用的機制是很難得手的，最大的原因在於利用一次的資料傳輸就可以輕易的破解並取得原始密鑰，因為，IEEE 802.11的模式是重頭到尾都是使用同一密鑰來進行安全防護。
當然，並不能這麼武斷的判定IEEE 802.11就是不適用在無線傳輸，因為還是必須客觀的觀察是被應用在什麼樣的環境以及產品上，如果是以個人隱私或機密資料傳輸為前提的話，或許藍芽技術所採用的安全加密機制是一個不錯的方法。
■穩定度與抗干擾能力是被考量的重點
除了加密的機制外，由於目前的應用環境存在相當多並複雜的頻波，所以，在傳輸的穩定度與抗干擾的能力上也是一個被考量的重點。同樣是舉IEEE 802.11與藍芽技術做一比較。
在波帶上就如前述，雙方都是使用2.4GHz的頻率，會形成某種程度上的相互干擾，因此規定如果系統的輸出功率超過1mw，就必須採用展頻技術來傳遞訊息，所以雙方所使用的調變方式和展頻技術並不相同。
目前展頻的技術共有三種不同的方式，分別為，直接序列展頻（Direct-sequence spread-spectrum；DSSS）、頻率跳躍展頻（Frequency-hopping spread-spectrum；FHSS），及混合使用DSSS 與FHSS 的方式，因為藍芽技術期望能夠達到低成本、近距離的傳輸，所以採用的頻率跳躍展頻（FHSS）與GFSK（Gaussian Frequency shift keying）的調變，而IEEE 802.11則所傳輸的範圍較廣，並且希望能夠達到更快速的傳輸速率，因此IEEE 802.11使用的則是直接序列展頻（DSSS），及與CCK（Complementary Code Keying）調變，而缺點就是成本會比較高。
■1.2版以前的藍芽技術 以補救的方式對抗干擾
一般來說，在同波段都會出現訊號干擾的現象，大多解決的模式是盡量避免出現 Avoided channel overlap。因此，在1.2版以前的藍芽技術，並沒有因為為了避免出現干擾的情況而特別發展出相對應的機制，只是利用Channel Information、Active Signaling來作為干擾因應對策。在Channel Information的部分，分別包括微軟、CSR、英特爾等的業者都提出了相對的因應技術來解決裝置通道重複的問題。
而 Active Signaling的部分，則是一個主動的告知機制，也就是說當配有藍芽機制的設備在計劃傳輸資料的時候，會利用硬體線路告知同一設備中的WLAN裝置暫 停利用無線傳送資料封包。雖然可以暫時避免掉因為通道重複所帶來的干擾問題，不過這樣的卻會衍生出另一個課題，就是傳輸的速度因此而下降。並且，這僅適用 在同一設備中IEEE 802.11與藍芽裝置的溝通，如果是相異設備的話，因為缺少了硬體線路就無法完成此一機制。
▲在安全性方面，有線與無線傳輸的最大區別就是被非法侵入的方式，有線傳輸是靠實體線路進行資料送，入侵者除非是直接利用實體線路，否則在安全性上面是沒有太大疑慮的。（圖片來源：Geocities）
■行成Pico Net主動克服通道重複
然而由於干擾現象似乎已經無可避免，所以在1.2版後，藍芽技術才開發出適應性跳頻（Adaptive Frequency Hopping；AFH）共存機制，來解決Avoided channel overlap所出現的干擾情況。
做法是，當藍芽裝置在傳輸有效範圍內探知有另一個裝置使用同一通道而可能出現干擾現象的話，那麼藉由藍芽SIG組織所定義的LMP（Link Manger Protocol），來讓有效範圍之內所有使用藍芽的裝置形成一個獨特的Pico Net，在Pico Net內所有的藍芽裝置便會將所偵測到不佳的通道相互傳送，以告知其他Pico Net內藍芽裝置不在使用此通道，隨後再跳到不受干擾頻道繼續進行資料封包的傳輸，以免出現干擾的現象。
這樣最大的特色是，除了避免掉 干擾的困擾外，並且不會在傳輸範圍內因為有其他的IEEE 802.11裝置出現，因而影響到傳輸的速度。如何讓IEEE 802.11與藍芽共存，而讓使用者可以同時享受到無線區域網路及個人網路便利的需求下，產業界已經積極的發展出相關的解決方案。例如，德州儀器在先前就 已經開發出相關的硬體與軟體解決方案。
當多部不同裝置同時作業時，協助行動電話、手機、智慧型手機、PDA和膝上型電腦解決這些困擾。能透過演算法，提供對等式媒體存取 控制層（MAC-layer）的通訊協調功能，並讓藍芽語音通訊享有優先權；由於會根據每個網路的資料流量模式，把頻寬動態分配給藍芽和無線區域網路，同時維持語音和資料的傳輸品質。
在可預見的未來，相信個人無線網路勢必會被強烈的需求，當然，如何在不受干擾及能夠保有傳輸安全無虞的狀況下，進行資料在不同設備間的交換，絕對會是最大 的課題，所以相信包括軟硬體業者、相關組織協會都展開積極的提昇相關的技術來滿足此一要求。（參考資料：許建隆／藍芽與無線區域網路IEEE 802.11安全性之比較、邱文全／藍芽與WLAN共存機制演進與未來展望）
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無線個人、感測區域網路(2)
藍芽「陽春化」衍生？Bluetooth Lite
前言：雖然 ZigBee的基礎技術提案：IEEE 802.15.4已經在2003年審核通過，之後ZigBee v1.0標準規格也在2004年12月敲定頒佈，但並非所有的業者都認定ZigBee為WSAN應用的共主規範。
關於此其實早有些許跡象顯露，例如ZigBee在研擬時的共同參與業者過多，使ZigBee被寄望的期許過大、適用的範疇過廣，同時也使研擬時間一再拖 延，致使Philips半導體公司退出ZigBee陣營，並改由Philips照明公司持續參與，此舉其實已是為ZigBee的發展路線投下了「不悅」的 意向。
▲用於WPAN定位的藍芽Bluetooth（IEEE 802.15.1）與WiFi（IEEE 802.11）在OSI七層網路模型中的協定堆疊層比較。（圖片來源：jawin.com）
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荷蘭Philips在過程中的轉態只是其一，其二是丹麥的業者：Zensys公司，Zensys過去即專精在家庭自動化 控制應用的電子技術，該公司也不認同ZigBee的設計，因此自行提出Z-Wave的無線通信技術，同時成立Z-Wave聯盟（www.z-wavealliance.org），且已獲得數十家業者的力挺支持。
更重要的是，2006年4月19日，國際重量級半導體大廠：Intel也宣佈加入該Z-Wave聯盟，並在隨後不久的4月15日宣佈策略性投資 Zensys公司，這無異讓Zensys公司與Z-Wave標準都獲得一股莫大的新助燃推劑，甚至可以用「吃仙丹、吞大力丸」來形容。
不僅荷蘭Philips有微言、丹麥Zensys有另謀，瑞典的Ericsson也同樣不表贊同，Ericsson的主張是將既有的藍芽 Bluetooth無線通信技術進行簡化性的調修（調整、修訂），如此也一樣可以符合、適用於WSAN的領域範疇，Ericsson目前對此暫稱為 Bluetooth Lite，「Lite」一字帶有簡型、陽春版的意味。
雖然Bluetooth Lite與Zensys一樣，都是業者自行提出的標準，也都尚未獲得國際性的標準組織、機構之認可，但挾著藍芽Bluetooth無線通信現有的多項優勢，也將具有不可小覷的影響力。
不僅歐洲業者對ZigBee抱持不滿，連美國本土業者也都認為ZigBee難以全範疇的適用，例如Echelon公司也自行提出名為「Pyxos」的平台，該平台含括實線傳輸技術與無線傳輸技術，一樣是與ZigBee有大幅重疊的定位訴求。另一家美國業者： RF Integration也是，即便ZigBee標準已經正式頒佈，該公司也依舊堅持主張自有的規格技術。
▲ 即便Bluetooth Lite標準無法成形，現有的藍芽Bluetooth無線通訊技術也足以應用在WSAN的部分領域範疇中，如資訊領域的週邊裝置，圖為瑞士的羅技電子 Logitech在無線滑鼠、無線鍵盤等設計上使用CSR公司的藍芽無線通訊晶片。（圖片來源：csr.com）
▲微軟Microsoft曾與惠普科技HP合作，共同展示、示範新的概念型個人電腦（類似「概念車」的意味），其研發代號名稱「Athens」，圖為Athens的雛形品（或稱：原型品），該雛形品也使用藍芽無線技術，且用的是CSR公司的藍芽晶片。（ csr.com）
還有，挪威的Nordic半導體公司（Nordic Semiconductor ASA，過去稱為：Nordic VLSI ASA）也提出nRF24系列的無線收發器技術，也是鎖定WSAN領域而推行。
至此很明顯的，ZigBee的基礎技術雖有IEEE國際電子電機標準作為背書，但如此也不能保障它能如同WiFi一般受到全球性的快速風行普及，整個感控應用領域依舊有多方面是其無法全面顧及，以致於仍有許多業者仍堅持自有的技術標準。
當然！業者也可能認為ZigBee畢竟剛成形，在其羽翼未豐前多爭取些市場版圖與影響力，日後在規格整併時也才有較高的拉扯籌碼。總之，ZigBee不僅尚未達一統之效，反而出現了更多的聲音與行動。
而在這眾多的另有主張中，Ericsson公司的「Bluetooth Lite」格外受到矚目，一方面Ericsson公司是上述眾業者中最具份量與影響力的一家，另一方面則是Bluetooth已在市場上盛行普及，如此決 議往WSAN衍生拓展也會有一定程度的順利性。
因此，本文以下將針對「Bluetooth Lite」的技術進行的瞭解與探析，期望讓正在研究評估SWAN技術的開發設計者有更多的助益。
■Bluetooth Lite的技術輪廓
雖然Ericsson公司於2003年就提出Bluetooth Lite的概念，但是到目前為止所公佈、揭露的技術細節並不多，已知的大致有：
1.原有Bluetooth的區網（ 稱為：Piconet）只允許8個節點裝置，這在WSAN應用上過少，所以要拓展單一區網內的節點數目，以ZigBee而言可以達65,536個節點。
2.為了讓裝置能有極長的待機時間與使用時間，Bluetooth的休眠模式、喚醒模式等電源管理機制必須再強化，不過這似乎與前一項的「增加節點數」是相互拉扯的，要保持多節點數的溝通與運作，休眠時間必然會縮短，然休眠規範若不能更精進，則難以讓用電更精省。
3.預計將直接使用現有Bluetooth的RF無線標準及技術， 真正變動比較多的是在媒體存取控制器（Media Access Controller；MAC）的層面，針對此層面進行最佳化，好因應、符合WSAN領域的應用需求。
附註：研擬制訂Bluetooth Lite的是Ericsson的研究單位，但Bluetooth SIG也會負責推行此規格，但不列入待審議程及例行工作項中。
▲CSR公司已經實際驗證過在Bluetooth無線通訊網路上使用IPv6協定，而ZigBee與IPv6間的對應轉換也有新的訂立依循標準，然ZigBee的互通測試標準都尚未至完全成熟，與IPv6間的轉換驗證自然會在更後續的排程。（圖片來源：csr.com）
■面對ZigBee、Bluetooth Lite的優勢與劣勢
簡單瞭解Bluetooth Lite的技術特性後，即便該標準尚未正式發佈，但擁Bluetooth Lite派與擁ZigBee派的兩方就已經有了多層面的激辯！
首先，Ericsson所屬的技術研究部門認為，即便ZigBee有IEEE標準為支持，它的穩定性依然有待考驗，且ZigBee為了在初期就達到極高的用量規模，所以在規格制訂上也是盡可能「左右逢源」，但不專精的結果一樣會影響到運作的穩定表現。
相對的Bluetooth已在市場多年，已歷經成熟度的驗證，且相關的組件價格也因多年的量產規模而均攤到極具競爭力的水準，應用設計師的開發經驗、設備 工具及測試方法等各層面也都已經步上軌道，這些都有助於延伸推行Bluetooth Lite，原因如前所述：Bluetooth Lite大量沿用既有Bluetooth的設計標準與規格特性。尤其Bluetooth晶片的每週出貨量皆以是數百萬在計算，一年就有數千萬、上億的用 量。
此外，對ZigBee不表認同的Philips半導體也較傾向Bluetooth，理由之一在於不用開闢新的空中介面（Air Interface），直接使用Bluetooth原有的2.4GHz無線頻段（也稱：波段、波道），相對的ZigBee雖也有2.4GHz頻段，但也用 其他的無線頻段，如868MHz及915MHz等，而此兩個頻段隨不同的地域與法令規定有著不同的開通限制，包括每通道的頻率佔用、發送功率等都不一致。
雖然簡型的Bluetooth Lite已有奠基優勢與潛力，也期望與ZigBee相同，在初期就能營造龐大的用量規模優勢，但這個如意算盤是否能順利實現其實還帶有疑問，這其中牽涉到 晶片業者對新市場的態度，現有研製、銷售藍芽Bluetooth通訊晶片的業者，真的會因為Bluetooth Lite鎖定了WSAN應用而大舉看好、大舉投入嗎？WSAN市場真的如新大陸、金山礦脈那般的美好嗎？
關於此，其實任誰都還是會保守 看待、穩健經營的，有的觀察評論家就表示，現有的藍芽晶片業者不會因Bluetooth Lite標準的成形而大舉擁抱WSAN新市場，而是逐步的延伸跨入，甚至只會當成是現有藍芽市場獲利的一種回補，由於藍芽晶片的技術日漸成熟、市場競爭也 日漸激烈，自此晶片必然會降價以對，而少許修改延伸成的Bluetooth Lite則可以補強主流藍芽晶片在降價後的收益損失，由此足見想法與策略上的保守性。
▲Sony索尼的新世代電視遊樂器：PlayStation 3（簡稱：PS3），其出廠預設的遊戲控制器就已採行無線通訊傳輸，且所用的無線通訊技術即是藍芽Bluetooth。（圖片來源： www.dime95.com）
隱憂不僅於此，就近擴展延伸其實也只是初期的美妙構想、如意算盤，技術上的可行性如何？是否有相關困難要克服及挑戰？也都有待明確。其中第一個被大眾所提出的，即是藍芽Bluetooth無線通訊技術的抗干擾作法。
藍芽Bluetooth無線通訊技術所採行的抗干擾作法稱為「跳頻法」，以每秒1,600次的換頻來擺脫、降低無線通信的干擾影響，相對的WiFi既可以 採行「展頻抗干擾」也能採行「跳頻抗干擾」，不過跳頻作法不易讓無線通信的傳輸率再提升，所以WiFi之後都採取「展頻法」，然藍芽Bluetooth無 線通訊仍持續使用跳頻法，以致到如今都只有1Mbps、3Mbps的傳輸速率，不似WiFi已經到11Mbps、54Mbps。
既然Bluetooth Lite直接沿用藍芽的RF無線介面設計，那麼也一樣會使用「跳頻」方式來抗干擾，不過「跳頻」除了難以讓傳輸率再提升外，也不適合建立起大量節點數的溝通傳遞，也因此藍芽的Piconet區網只允許有8個節點裝置。
對WSAN應用來說，傳輸率其實並不重要，重要的是節點數，既然Bluetooth Lite也採行「跳頻」法，那麼節點路的增加也就會有困難，這點問題若不能克服，Bluetooth Lite要打入WSAN應用市場恐就會有難題出現。由此看來，Bluetooth Lite的既有優勢多，但需要克服與因應的新技術表現也很多。
雖然Bluetooth Lite的未來有機會也有危險，但即便Bluetooth Lite跨足WSAN領域失敗，也不表示藍芽Bluetooth無線通訊就毫無任何機會，相反的是藍芽Bluetooth無線通訊早就已經逐步跨涉WSAN領域的應用了！
舉例來說，現在已經有所謂的藍芽玩具車，取代傳統的專屬型無線操控，另外電腦資訊方面的週邊裝置也有藍芽鍵盤、藍芽滑鼠，另外一些垂直性的應用（如：醫療 設備儀器）也都有逐步、少量的採行，此外最具知名也最讓眾人引頸而盼的新世代電視遊樂器主機：Sony PlayStation 3，也已經宣佈在出廠預設的配附遊戲遙控器上採藍芽Bluetooth無線傳輸，除了遊樂器主機本身也算是一個藍芽Bluetooth無線裝置外，其餘還 可以再連接7個遊戲控制器，而一般較常見的雙打組態不過佔用2個，尚有5個可供擴充運用。
所以！遙控器、簡易的配對、少量連接的控制應用其實難不倒藍芽，如此也等於先佔了ZigBee的部分目標地盤，無論Bluetooth Lite何時成形、有無到位，ZigBee都在這些應用範疇有硬仗要打，看來未來的WSAN戰場還有一番好戲可看！
▲Sony PS3遊戲控制器的放大近照。（圖片來源：www.3dnews.ru）
http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=A1A&zNotesDocId=947EB9B92C9ADC26482571720050B473
無線個人、感測區域網路(3)
WSAN用量規模新大陸？Intel Mote平台
前言：要說PC產業的最大贏家是誰？相信答案再簡單不過，不是IBM（主導時間僅在1981年∼1986年，在推出 PS/2系列後開始生變）、也不是已經被併的Compaq（曾經是贏家，一直到1998年收併DEC開始生變），眼前Dell算是大贏家，但也不是最大贏 家，真正的最大贏家是從事PC關鍵軟硬體的Wintel，軟體面的最大贏家是Microsoft，硬體層面的最大是Intel。
▲英國石油公司（BP）使用Intel Mote 2（簡稱：iMote 2）來監控其鑽油平台及探勘現場。（圖片來源：Intel.com）
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PC產業的成功「用量規模」是首要關鍵，相同的一次開發可獲得最高的複製型獲利，量價均攤的優勢帶動整個產業生態的良性循環動力，最後能吞併其他的弱環生態，包括工作站市場、量用型伺服器市場也都被PC架構所攻佔，達絕對性的高佔有率，並一路擴張至今。
不僅是PC，Intel也將相同的成功模式複製到手持式應用上，今日放眼望去，絕大多數使用Windows CE嵌入式作業系統的PDA都是用Intel XScale微架構所擴展成的手持式處理器，如PXA255、PXA270等，現在就連其他的手持式應用也逐漸傾向使用XScale架構，如智慧型手機 （Smart Phone）、可攜式媒體播放器（Portable Media Player；PMP）等。
▲Intel積極讓Mote成為WSN/WSAN節點裝置的「基塊、積木」角色，期望日後的應用節點皆能以Intel Mote為基礎硬體，之後再追加部分設計即可滿足各種所需的應用。（圖片來源： Intel.com）
即便Microsoft宣稱Windows CE支援12種以上的處理器，期望降低Intel的主導性，但最後似乎還是回歸獨尊局面。
所以，Intel一直在找尋各種可以「大量複製獲利」的市場，包括2002年提出的WiMAX、UWB等，但事實上Intel也一直在發展另一塊市場， Intel稱此為「Sensor Nets」，簡而言之也就是今日的新無線應用市場：無線感控型區域網路（Wireless Sensor Area Network；WSAN），或者也稱WSN（Wireless Sensor Network）。
Intel在此領域的鑽研中有一項 專案研究計畫，稱為：「Intel Mote」，有時也簡稱為：「iMote」，此計畫期望能發展出一個「共通一致、可大量複製的新運算平台」，以此共通平台為基礎，再追加些許的附加設計及 調修，即可滿足各種WSAN感控節點或WSAN應用裝置的需求。
到底Intel Mote的架構為何？有何種技術特點呢？本文以下將對此進行更多的說明與討論。
附註：Intel在「Sensor Nets/ RFID」方面的研究專案主要有三：1.Heterogeneous Sensor Networks（異質感測網路）、2.Intel Mote、3.TASK（Tiny Application Sensor Kit，微小應用感測器套件）。
■Mote研究專案
Mote 專案最初是美國加州柏克萊大學（University of California Berkeley，或簡稱：UC Berkeley）與Intel研究室所共同合作的研究。期望發展出一個體積微小、自我管控、用電池運作的「電腦」，並且用無線通訊方式與其他裝置溝通， 以及自行加入就近的無線網路（該無線網路為ad hoc型態）。更簡單說，即是要讓Mote成為WSAN中的一個「Building Block，構築基塊」，倘若一個Mote為一個無線節點、無線裝置，那麼兩個以上的無線節點、無線裝置即稱為Motes（複數）。
Intel 對Mote專案有幾個持續性的精進目標，首先是讓它的整合度更高，如此不僅能讓體積更小，也有助於省電，因為高度整合必然會用上更細密的半導體製程，使相 同的數位邏輯運算電路以更少的用電來運作，此外也能將多顆晶片共同整併，減少晶片間的線箔信號傳遞，改以晶圓上的線路傳遞，此也有助於省電，加上多晶片整 合後也能用更集中一致的智慧性控管，一樣有助於電能精省。
其次，為了讓Mote可以快速形成各種WSAN應用，所以Mote的軟硬體都必須極具調修彈性，對此Intel採行模組化（Modular）結構，讓Mote的各環節軟硬體都能很輕易的拆解、加入、追加新掛附等。
此外，Intel既然要再次複製「用量」成功模式，那麼關鍵就會在單價成本上，所以要盡可能使Mote以低成本量產，所以研發精進的課題中也就少不了「低價成本、利於量產」這一環。
■Intel Mote的硬體結構、層次
「省電、彈性、整合」等都只是個形容，Mote可有更量化、具體的設定呢？
答案是肯定的，就省電而言，Intel期望Mote在使用電池供電以及具備無線通訊功能的條件下，能夠有持續6個月∼12個月的使用，且功耗（用電）必須在100mW（毫瓦）以下。
▲Intel將Mote定位在用電100mW以下的應用範疇。（圖片來源：Intel.com）
▲ 圖為Intel第一代Mote的雛形品（Prototype），其電路板面積僅30×30mm，並使用上Zeevo模組，模組內具有ARM核心電路、 SRAM記憶體、Flash韌體、Bluetooth通訊等，圖中還與硬幣銅板的尺寸相比較。（圖片來源：Intel.com）
當然！就現有技術而言這確實是一大挑戰，所以Intel官方的描述中又加了「Smart Wireless」的描述，意指在不影響正常運作的情況下讓Mote系統能短暫或局部的休眠，以求盡可能延長電池使用時間。
▲Intel Mote的其他部位組件之解說圖，除了Zeevo模組外，其他還有上下層電路的連接器、2.4GHz天線、天線連接器（選用）、可有不同顯示顏色的LED燈號，另外背面也可有電壓調整器（選用）。（圖片來源：Intel）
▲Intel Mote被規劃設計成三層架構，最底為Power Board、中為Main Board、上為Sensor Board，三層電路以Backbone Interconnect（骨幹互連）來傳通，即是層層用連接器互連。（圖片來源： Intel.com）
那麼「彈性」呢？為了讓Mote可以輕易地調整、修改、擴充以符合各種可能的感控應用，所以Mote的硬體被規劃設計成三層式的堆疊架構，最上的一層負責感應、 控制、無線通訊等工作，此被稱為「感控層，Sensor Board」，是以類比、混訊（類比與數位混合）為主的電路，包括Sensor、Actor、RF Radio、Antenna、ADC、DAC等。
▲Intel Mote的Main Board（上圖）與Sensor Board（下圖）。（圖片來源： griffwason.com）
▲Intel Mote的設計中Power Board為選用，圖中即是在Main Board、Sensor Board之後再外加一個供電電池組，沒有用上Power Board。（圖片來源：griffwason.com）
中間的一層則專注在純數位邏輯性的控制、處理工作，此被稱為「主控層，Main Board」，即是MCU、MPU、DSP之類的角色，想當然爾，這方面必是用上Intel的XScale微架構處理器，除此之外還有RAM跟RAM，一 般是使用SRAM與Flash Memory，這些組件都位在此層。
至於最底層則是「電源層，Power Board」，包含的有電池（用1∼2顆的AA或AAA電池）、電壓調整、電壓反相、電壓濾波、供電整流等，即是所有與供電有關的配接、適接工作，等於是Power Adapter的角色。
不過，「電源層」不像「感控層」、「主控層」等是屬於必備的電路層，而是選用性的，倘若Mote所附接的裝置、環境、位置允許用其他方式來取得電力，那麼也可以不需要設立供電層，直接將電源配接方面的程序設計交付給Mote本體之外的裝置或環境。
清晰劃分成三個層次後，往後Mote要再進行任何擴充、調修、升級等就變得輕鬆容易。
瞭解Mote在「省電、彈性」的具體目標要求與規劃設計後，還有「整合」方面尚未討論，此方面Intel的第一理想是用SoC（System on a Chip）方式來實現Mote，此一方式的整合度最高、體積最小、也最省電能，然而這也是最高難度。倘若礙於技術現實而無法達成，Intel也會退而求其 次，以SIP（System in a Package）方式來達到較緊緻的整合。
附註：Mote也盡量用硬體方式來執行無線傳輸的編碼、解碼、調變、解調變等工作，如此才能更精省電能。
■Mote仍在持續進步 第二代Mote更有看頭
Intel 的Mote專案結束了嗎？答案為否，Mote專案仍在持續中，在Intel Mote發表之後，更在不到數年的時間內接續推出Intel Mote 2，往後也還有Intel Mote 3的展望及規劃，這也相當符合Intel的營運風格，除了只鎖定具量產規模的市場外，一旦投入就會快速換代提升，技術更新的腳步一直是相當快速，且經常遠 勝原市佔業者的節奏。
到了第二代後，Intel公佈了Mote的更多具體技術細節，Mote 2所擔任的角色與原先第一代的Mote 1相同，但描述上更完整，即是「先進的無線感測節點平台，advanced wireless sensor node platform」。
▲第二代的Intel Mote將電路疊層進行拓增，Sensor Board可以再加增，且在連接器上有基礎性連接與先進性連接之別。（圖片來源：Intel.com）
▲iMote 2的正面組件圖，包括石英振盪器、基礎I/O、PAX27x處理器、檢測及電源管理晶片、基礎連接器、以及LED燈號等。（圖片來源： Intel.com）
▲iMote 2的背面組件圖，包括SMA連接器（選用）、先進連接器、Mini USB連接器、以及CC2420的 ZigBee通訊晶片等。（圖片來源：Intel.com）
▲iMote 2基礎連接器接腳定義圖。（圖片來源：Intel.com）
▲iMote 2先進連接器接腳定義圖。（圖片來源：Intel.com）
在規格上，Intel Mote 2使用的處理器為PXA27x，並擁有更多的記憶體（256KB/32MB SDRAM與32MB Flash，過去僅有64KB SRAM與512KB Flash），預設的無線通訊也從原有的Bluetooth（IEEE 802.15.1） 藍芽改 成ZigBee（IEEE 802.15.4），ZigBee的晶片用的是Chipcon公司的CC2420，用的天線及無線頻段為2.4GHz，此點與Bluetooth相同。此 外在構型（Form Factor）上也大了些，電路板的長寬尺寸增為48×36mm，而原有的第一代Mote則只有30×30mm，同時也允許再加一層感控層，變成二層的感 控電路。
另外，Intel Mote 2也將各層之間的溝通連接介面更具體化，「感控層」與「感控層」間，以及「感控層」與「主控層」間是用「基礎連接器，Basic Connector」來聯繫，而主控層與「電源層」間則是用「先進連接器，Advanced Connector」來相連。其中基礎連接器由1個21-pin與1個31-pin的接頭所組成，而先進連接器則由1個20-pin與1個40-pin的 接頭所組成。
值得一提的是，Intel依然持續在強化提升Mote的每一環，在感控層方面將有機會用上微機電（Micro Electro-Mechanical Systems；MEMS）技術，在電源方面可以用上太陽能發電（Solar Cell）、晃振發電（也與微機電技術有關連）、燃料電池（Fuel Cell）、甚至從訊號發送的微波中來爭取電源（類似被動型RFID的作法）等。
■Intel Mote的作業系統：TinyOS
最後讓我們來談談Mote的（嵌入式）作業系統：TinyOS，TinyOS也是由美國加州柏克萊大學所研創，如今是一套開放原碼的作業系統，這套作業系 統本身就是為了無線嵌入式感測器網路而設計，目前的版本為1.1.5（2005年12月發佈），而2.0也已經開發到外部測試（Beta）版的階段。
▲Intel Mote所用的嵌入式作業系統為TinyOS，圖為TinyOS的架構示意圖。（圖片來源：www.cis.upenn.edu）
不僅如此，TinyOS也是套「元件型」的作業系統，依據嵌入應用可輕易增減控制執行的功能，且程式碼佔量極少，有助於記憶體空間的硬體資源精省，且能夠同時執行多個要求快速回應的控制運作。
更重要的是，TinyOS的元件型架構，使其只要小幅調修就能適用在各種感控應用。此外，Intel也針對Mote的需求，在Mote的韌體疊層中加入對Bluetooth藍芽無線通訊的支援。
▲TinyOS的元件階層示意圖，圖中可見事件（Event）、事件持掌員（Event Handler）、以及命令（Command）等的方向流程。（圖片來源：www.princeton.edu）
▲Intel Mote從上至下的整個疊層架構，其中在韌體層已預設內建Bluetooth（簡稱：BT）藍芽通訊的支援。（圖片來源：Intel）
http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=A1A&zNotesDocId=61058EA56799468F482571720050B4EB
無線個人、感測區域網路(4)
何謂WPAN？ 何謂WSAN？
前言：無線網路的發展，最先普及與盛行的當是無線廣域網路（Wireless Wide Area Network；WWAN），即是今日一般俗稱的GSM行動電話、手機、大哥大，屬於通信領域；接著是1999年的WiFi無線區域網路 （Wireless Local Area Network；WLAN），屬於資訊領域；之後2002年又有介於廣域與區域（也是窄域）的WiMAX無線都會區域網路（Wireless Metro Area Network；WMAN），以資訊領域為主但又逼近通信。到此為止，長、中、短三種傳輸距離與覆蓋面積的需求都已經到齊，無線通訊技術應當難有新花樣 吧？
關於此一論點，答案為否，在WWAN、WLAN、WMAN之後，近年來又提出了WPAN與WSAN，所謂的WPAN指的是無線個人區域網路（Wireless Personal Area Network），至於WSAN則是指無線感測、監督、 控制區域網路，全寫有兩種版本，一是Wireless Sensor Area Network，另一則是Wireless Sensor and Actor Network。
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為何要有這兩種新型態的無線網路呢？提出的用意與動機何在？真有其需求性與價值嗎？本文以下將針對此進行瞭解與討論。
■WPAN的形成與產生：電子應用趨勢的轉變
WPAN的提出，可以從兩方面來說明，一是「電子應用趨勢的轉變」，另一則是「 藍芽的新定位訴求」。
所謂「電子應用趨勢的轉變」，就以「電腦的使用」而言，最初是大型主機、迷你電腦的「多人一機」，即是許多人共享、共用一部電腦；之後工作站、個人電腦的 出現開始進行「一人一機」，不再需要與人共享；到現在則是成了「一人多機」，電腦更為嬌小化、多樣化，包括PDA個人數位助理、MP3數位隨身聽、掌上型 電視遊樂器、股票機、DSC數位相機、行動電話等。
▲藍芽Bluetooth無線通訊技術已在無線聽筒、無線麥克風的領域站穩地位，如今則積極朝無線個人區域網路WPAN的角色邁進。圖為CSR公司BlueCore藍芽晶片與CVC科技公司合作，共推Visteon的藍芽車用免手持系統。（圖片來源： csr.com）
進入「一人多機」的時代後，也就逐漸形成另一種需求，「多機」之間需要一個便捷的傳輸、溝通、交換網路，例如：數位相機拍了照後，發現相機內剩餘的儲存空 間已不多，則可以將部分的數位相片圖檔轉存到PDA個人數位助理中或MP3數位隨身聽中，以此使DSC數位相機有更多的可拍容量。
又如 掌上型電腦玩樂到一個新關卡進度後，或者在股票機上運用投資分析工具的軟體分析了一段漲跌行情後，可以將顯示畫面捕捉下來，然後傳輸到行動電話上，再運用 行動電話撥打，傳輸、分享給其他的友人，或者是上傳至網路，到網路上的自有網誌（Blog）上。此外與他人相見會面，也可相互用PDA個人數位助理來交換 數位名片，省去整理實紙名片的麻煩。
▲另一個可能與「藍芽Bluetooth無線通訊技術」共同角逐WPAN主流角色的是Wireless USB，從圖中可見其應用目標，包括電視遊樂器、高清晰 數位電視、個人數位助理、資訊週邊裝置、視訊攝影機等。然筆者認為Wireless USB初期只會先擔任資訊用USB實質傳線的去線化角色。（圖片來源：deviceforge.com）
▲「藍芽Bluetooth」是目前手持式、掌上型等電子應用裝置中所最普遍使用的無線通信技術，也最有可能擴展、延伸成WPAN的角色。圖為Quatech公司的GPS接收器模組，包括CF TypeⅠ介面、USB介面等。（圖片來源： quatech.com）
▲WSAN所包含的領域相當廣泛，包括消費性電子、資訊週邊、家庭自動化、工控自動化、醫療監督等，而「 ZigBee無線通信技術」正是鎖定此一應用範疇而提出。（圖片來源：ZigBee.org）
透過上述的幾個應用情境描述，相信各位就能瞭解多機之間確實有溝通、傳輸、交換資訊的必要，然而上述的這些電子裝置卻都有一個共通性，即都是個人隨身的行 動應用裝置，且傳輸、交換的範疇就在於自屬的個人用品（Personal Object）間，既然是個人範疇，所以就稱為「個人區域網路，Personal Area Network」，有時也簡稱為「個區網」。
若要建立起「個人區域網路」其實有數種方式可選擇，最早出現的方式是透過IrDA紅外線來進行傳輸，今日多數的手機、PDA個人數位助理及Laptop筆記型電腦都具備了IrDA，甚至許多資訊服務亭（KIOSK）、數位沖印服務機等也都具備。
不過，IrDA有其運用上的麻煩性，即是傳輸時必須考慮到角度性、方位性，角度不對或方位不對就無法正確傳輸，此外也有最近距離與最遠距離的限制，兩個IrDA裝置過近則無法進行傳輸，過遠也是一樣。更痛苦的是，IrDA同時間只能一對一傳輸，無法一對多或多對一傳輸。
除了IrDA紅外線，另一種實現方式是用USB來實現，不過這就成為實線的PAN而非無線的WPAN，而且一樣有多項缺點，例如出門必須攜帶USB傳輸 線，且傳統USB一定要有PC作為主控的中介，言下之意就是一定要有Laptop筆記型電腦才行，而且為了同時間能連接多個裝置，也一定要攜帶USB Hub（集線器）及更多條的USB傳輸線才行，使得PAN的形成相當地「龐雜」。
或者，比較新的隨身裝置已經開始支援USB-OTG，然而用USB-OTG來形成PAN也一樣有缺點，USB-OTG雖然不再需要Laptop筆記型電腦，但USB-OTG跟IrDA一樣只能「同時間內一對一連接」，如此使用上一樣很不便。
自此，IrDA、USB、USB-OTG都不合適，那麼WiFi呢？答案一樣是「不適」，因為WiFi的傳輸距離遠，可達20m、40m、80m的距離， 但對個人隨身物之間的傳輸實無如此遠距的需要，同時WiFi也過於耗電，隨身電子裝置皆是用電池運作，採行WiFi傳輸則會大幅、快速減損外出使用時的電 池時間。凡此種種，所以才需要有更針對、更專精於WPAN運用的無線技術方案。
■WPAN的形成與產生：藍芽的新定位訴求
說明完「電子應用趨勢的轉變」的層面後，接著讓我們來瞭解另一個層面：「藍芽的新定位訴求」。
藍芽（Bluetooth）無線通訊最初是Ericsson用來取代手機有線免持聽筒的無線方案，簡而言之即是無線式免持聽筒（無線耳機＋無線麥克風），然其他業者的共同參與、加入使藍芽被賦予更多的功能角色，並期望用在資訊領域的WLAN上。
不過，藍芽Bluetooth在WLAN的推展上被WiFi後來居上，無論就傳輸距離（1m對100m）、傳輸速率（1Mbps對11Mbps）、單網內 支援的裝置節點數目等各項表現都不如WiFi，這使得藍芽Bluetooth必須轉變其定位訴求，而WPAN就成為藍芽的新轉進目標：讓各種個人隨身電子 應用裝置都具備藍芽Bluetooth，以此實現最方便的WPAN，既不用攜帶筆記型電腦、傳輸線、集線器，也沒有方位角度等限制，更重要的是藍芽 Bluetooth較WiFi省電，使得藍芽Bluetooth成為目前最理想的WPAN方案。
藍芽Bluetooth雖然是目前最理 想的WPAN方案，但並非是唯一的方案，其他的方案也正躍躍欲試中，例如以超寬頻UWB技術為基礎的無線型USB（Wireless USB，簡稱：WUSB）就是其一，WUSB能在3公尺的傳輸通訊範圍內達480Mbps的傳輸率，在3公尺至10公尺的範疇內也能有480Mbps至 110Mbps的傳輸率，且與傳統USB一樣能達128個節點數，同時UWB技術也有省電的特性，這些都使得藍芽Bluetooth在WPAN定位的推展 上不能掉以輕心。
■WSAN的形成與產生
除了WPAN外，另一個新興的無線通信應用市場是「無線感測、監督、控制區域網路」，過去此方面的網路多為實體線路，且相當多樣性，針對一、二種場合應用就會有特定的控制網路出現。
因此，WSAN技術的提出，一方面希望能用無線取代實線，使網路的佈建及維護成本更低廉；另一方面也希望能讓控制網路的多樣性有所收斂，讓控制網路有更普遍的通適標準，這也同樣有助於成本的降低，使網路的設計成本、產製成本能更低廉。
▲CSR公司領先全球，率先推出支援Skype的藍芽Bluetooth VoIP dongle（轉接器）設計，將此轉接器接上PC，且PC具Internet存取能力，如此就可用藍芽無線耳機（含麥克風）來使用Skype。（圖片來源：csr.com）
話說回來，所謂的「由感測器Sensor、監督器Monitor、控制器Controller（或指：Actor）等功效所構成的網路」到底是何種型態？老實說若無具體實際的舉例及描述，其實是不容易想像及理解的，因此以下我們舉個情境案例以助理解：
◆消費性電子－如電視機、錄放影機、DVD播放機等的遙控器與接收器，可以從紅外線遙控改用成無線遙控，不僅沒有紅外線的方位、距離等限制，且能雙向傳遞訊息，紅外線只能單向發送控制命令，但卻無法接收受控者所反應的狀態資訊，而無線技術則可以。
◆照明、空調、保全、門禁－居家或建築物的自動化控制，包括屋內外的亮度感測，進而決定是否要開啟照明，另外也用於感測溫度、濕度等狀態來回應改變空調控制，此外還有偵煙消防、紅外線防盜等感應控制，以及門禁的感應、鐵捲門的控制等。
◆醫療量測儀器、裝置－居家用的血壓脈搏計、體重計、體脂計、血糖計等健康儀器，甚至是健身用的跑步機等，都可以透過感應與控制來交換、傳遞訊息，此外居家的重病患者，其心電圖器與相關健康監督儀器，也都可以使用WSAN。
◆工業工廠自動化控制－工廠的資產盤點管理、生產流程控制、環境性的能源控制等。更具體說，如：倉庫中的無人搬運車、生產線上的機械手臂、後段的品管檢驗感測，都能夠用WSAN來強化、提升。
◆資訊週邊、玩具－如電腦所用的鍵盤、滑鼠、搖桿、手寫筆、觸控板等人機介面裝置（Human Interface Device；HID），或者是無線玩具車等，也都可以採行WSAN技術來達到無線化感應、控制。
■ 結尾
至此，相信各位必能瞭解，無線通訊技術的應用，目前不過是處在一個中程階段，已經有廣泛的WWAN、WLAN佈建與運作後，現在又開始要推行WMAN，以 及將原有的WWAN、WLAN進行升級，WWAN從GSM、GPRS升級至3G，WLAN則是從11b、11g升級到11n，且在此三者外又有WPAN、 WSAN要發展、推行。
尤其是WPAN、WSAN，就用量規模而言WPAN與WSAN的市場潛力必會超過之前的WWAN、WLAN及WMAN，這也使得無線技術的規格標準戰必然會進入另一波的競逐高峰，能否在此推展初期明智選擇正確的方向並持續發展，將是日後能否成功收穫的一大關鍵所在。
▲ 除了「ZigBee無線通信技術」外，「Z-Wave無線通信技術」是另一個角逐WSAN主流應用的新技術，不過其較為專精在家庭自動化控制的應用範疇， 圖為Zensys公司的Z-Wave晶片（編號：ZW0201）及其模組子卡，並與錢幣銅板進行尺寸比較。（圖片來源：zen-sys.com）
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