应用於环境监测之无线感测网路闸道器设计

水保技術,4(3):173-179(2009)173論文下載網址:*、林雪淳21元智大學通訊工程學系助理教授2中國醫藥大學健康風險管理系助理教授一、緒論無線傳輸技術的蓬勃發展、半導體製程的微小化、與微機電技術的進步，快速地擴充無線感測網路(wirelesssensornetwork,WSN)的應用範圍，其範圍包含軍事用途、環境監測、智慧家庭，公共空間，行動空間等方面[1]-[6]。對海島型的台灣而言，天然災害與環境污染造成人身財產安全的損失更是嚴重，如果可以透過無線感測網路進行環境監控並蒐集環境資料，提供防災規劃的重要決策資訊。實際WSN野外監控應用的架構參考H.Karl所著無線感測網路一書[7]，重新繪製如圖1所示，包含由傳送控制器(mote)與感測器(sensor)所組成的前端感測節點(node)、連接WSN與Internet的閘道器(gateway)、與後端的資料庫主機。野外應用所遭遇的問題大致可歸納出：節點與閘道器電力供應問題、WSN網路的異質感測節點封包問題、與資料回傳的手機網路穩定性暨成本問題等[7]。電力供應問題一直是學者們研發探討的議題[8]-[10]，可以利用太陽能電板與電池加以解決[11]-[15]，對於耗電較少的感測節點，如雨量筒，也可以使用長效型電池的方式；因此本文著重於異質感測節點封包處理與強化資料回傳穩定性的研究，並將各項解決方法實現於閘道器之中。文章第二節首先介紹使用過的水土與環境監控的感應器特性、電路設計注意事項、與封包格式設計。閘道器的規劃工作、感測資料轉換與功能設計實現等詳細描述於第三節；最後一節歸納本研究的結果。二、水土與環境監控感測器前端感測節點包含傳送控制器與感測器部關鍵詞水土環境監控、無線感測網路、閘道器收稿：98年3月30日修改：98年5月26日接受：98年6月15日摘要本研究依據實際野外水土與環境的無線感測網路應用經驗，針對感測網路的異質感測節點封包問題、與資料回傳的手機網路穩定性暨成本等問題，採用分散式處理的方法，規劃前端感測節點與閘道器的工作分配。其中將閘道器的工作以Java多執行緒的方式實現閘道器中RS232監聽、ADC計數與物理量的轉換、策略門檻篩選、資料備份與GPRS網路連線監控等工作。透過工作的合適規劃，系統工作相對有效並且更加穩定；另外由於硬體採用低功耗PC的硬體架構，所以軟體與硬體方面的開發與擴充性都較為容易。所提出的閘道器設計可應用於無線感測網路的各項野外監控應用。_____________*通訊作者，電話：[phone]轉7317；傳真：[phone]E-mailaddress:[e-mail]174應用於環境監測之無線感測網路閘道器設計圖1WSN野外應用架構圖份，傳送控制器使用符合ZigBe開放原始碼TinyOS[17]的硬體根據其輸出訊號特性設計如圖2的合適換電路之後，再與傳送控制器的輸出入連接。由於市售符合ZigBee標準的硬體節點，只提供到M韌體，網路層以上的買此學術上大都式TinyOS進行與水土環境有關1其中除雨量筒與地表變位移控制傳送器供給電壓外，其他感立的消耗器分開的出一般的3.3V內，所以如果感測器的輸出電壓不在3.3V內，或是輸出為電流時，則需要使用直流對直流(DCtoDC)電壓轉放大器、或是電流電後，才能與傳送控制器連接。圖2(b)是加速規與陀螺儀所組成的移動偵測模組與傳送的實作圖，圖2(c)則是GPS模組經由RS232與傳送控制器連接的實作圖。控制傳送器上的微處理器(micro-controlunit,感測器的類比資料後，經由類比數位轉換(ADC)單元，將資料轉換成整數ADC計數(count)，再啟動無線電路傳送此ADC的工作以延長節點電池壽命，在前端感測節點主要分配IO資料讀取、單位時間計數、門檻篩選、接收與傳送無線訊號，而將ADC計數與物理量的轉換分配到閘道器執行。其中可選包含IO讀取錯誤篩選、誤差範圍、線性轉換中反推的ADC計數門檻篩選、以及字串(string)篩選。前端感測節點包含控制傳送器與感測器，由相對資料轉譯功能。的重MCU)透過IO讀取的計數到閘道器端。因此，考量簡化MCU的工作分為(threshold)e標準[16]並且支援實現的門檻篩平台；感測器部分內的ADC計數篩選通常需要轉軟體皆需要另行購使用自行開發程實際的軟體開發。的感測器列於表動感測器可直接由測器大都需要獨問題，因此感測電源。如果以輸容許輸入電壓在於感測器的種類繁多，所以前端無線感測網路中允許同時存在不同大小的封包，以節省各節點的耗電功率。但是封包標頭(header)與標尾(footer)仍需符合TinyOS的標準。參考圖3的封包格式各種感測資料g經控制傳送器讀取後放置在多點跳躍(MultiHop)封包的資料欄位中，此欄位最大可以容納106位元組(byte)；目前使用的感測器所回傳的資料大小除GPS模組外，都遠小於106位元組。另外，由於網路中存在不同封包，所以閘道器利用形態(type)欄位區分各種封包後，再執行AC層的且價格昂貴，因或開放原始碼的目前使用，的外加電壓，考慮電源通常使用與傳送控制器而言，由於控制傳送器三、閘道器閘道器[19]在WSN的野外應用扮演資料轉接換電路、電壓壓轉換電路以連接感測器輸出端與控制傳送器的輸入端。例如地下水位計的輸出電壓在μV級數，所以需要外加電壓放大器到mV級數，訊號才能被傳送控制器讀取；另外，乙醚檢測器的輸出以電流為主，因此需外加電流電壓轉換電路要角色，也是遠端即時監控的基石；其主要負責接收前端WSN的訊號並後傳資料到遠端伺服器、接收遠端伺服器的指令並發送到合適的圖2感測器與控制傳送器銜接示意圖甘堯江、林雪淳175篩選、後端網路連接、與資料3.1ADC計數與物理量轉換水土與環境監控的前端感測節點所回傳訊號因為封包性質，以整數ADC計數與經篩選過的字串為主。前端感測節點可依照其傳送到閘道器的表1水土與環境類別名稱輸入感測器分類輸出物理值閘道器處理類別傾斗式雨量筒微量電壓On/Off降雨量(ml)中繼類降雨量與水位感測器地下水位計12V~60水位*(m)線性轉換類酸鹼度計400~20000μV/V地下mV酸鹼度(pH)電導度計400~溶氧量計400~水質感測器濁度計12V400~三軸加速規1.8~3.3V1.2000mV導電度(μS/cm)2000mV溶氧量(mg/l)2000mVNTU**線性轉換類8~3.6V加速度(g)隨機統計類二軸陀螺儀3~3.3V0.5地表變位移動感測器GPS模組3.3V懸浮微懸浮微粒器)~2.95V角速度(o/s)線性轉換類字串時間、經緯度中繼類0~4V濃度(ppm)區間比對類粒檢測器檢測5V(DCCO檢測器24V(DC)~20mA濃度(ppm)4氨氣檢測器24V(DC)氣體檢測感測器乙醚檢測器24V(DC)*需經過律定以定義每支地下水位計的輸出電壓與44地下水~20mA濃度(ppm)~20mA百分比(%)線性轉換類位的轉換公式**NephelometricTurbidityUnitWSN前端節點。主要的工作可分為如表2所列的接收與傳送WSN無線訊號、ADC計數與物理量的轉換、策略門檻資料是否需要進行轉換與方式大致分類為中繼類(relayonly)、線性公式轉換類、區間比對類、隨機(random)統計類，請參考表1。以下各項公式除包含基本的ADC轉換，並有自行整理的轉換公式。閘道器對於前端節點回送的中繼類資料，檢查策略門檻後將接收資料傳回遠端主機；此類閘道器的轉換公式可以定義為xxfvv=)(，其中向量x的分量可以是整數或數值已經是單備份。由於使用的WSN控制傳送節點可利用USB接頭與閘道器連接，閘道器即可經由序列埠接收與傳送WSN無線訊號。而策略門檻篩選需根據物理值與設定的條件或策略進行篩選，此與水土專業相關，所以本文不另加討論。至於後端網路連接部份，可利用手機網路(GPRS或3G)連通網際網路(Internet)後，再將資料寫入後端資料庫；當網路故障時，啟動檔案備份方式將資料存放於閘道器，以供後續處理。最後，ADC計數與物理的轉換部份需根據所使用的感測器而有所不同，因此將於本節中詳細描述。另外，本節也將討論閘道器的功能設計與相關硬體議題。是浮點數。傾斗式雨量筒節點回傳到閘道器的，所以屬於典型的PS節點回傳的數值與氣體檢測器等。以地下水位計為例，節點的傳送控制器讀到地下水位計的輸出電壓是以ADC計數回傳到閘道器，閘道器對收到資料後需先根位時間的次數中繼類資料。而G已經是所需的經度、緯度、與時間，也可歸類於中繼類資料。大部分在水土環境應用上的感測器屬於線性公式轉換類，例如地下水位計、負重計、陀螺儀3多點跳躍(MultiHop)封包架構[18]圖176應用於環境監測之無線感測網路閘道器設計據下成電壓值列公式(1)轉intV2中Vint是DC計數×=bitADCAV(1)其傳送控電壓it是控制器所提供的類比數位轉換位元數。實作上電int變動的問題。制器的內在，ADCb，節點與地下水位計使用相同的太陽能電池供，所以Vint保持在定值，免除V之後，再將電壓經下列律定後的地下水位與輸出電公式轉成地下水位，()baVVh+=(2)其中a與b是律定常數，V是輸出電壓，h是地下水位。另外，陀螺儀則是輸出電壓，閘道器再利用公式將電壓轉成角速度(angularspeed)。轉換的過程都只使用到線性的公式，因此統稱為線性公式轉換類。區間比對類的感測資料主要是感測器的濃度與電壓或電流的關係是在某區間內，並不是直接的對應，所以通常需要將讀取值與規格圖做比較，才能對應出濃度。此類資料處理方式先將如圖4的規格圖作量化的動作，也就是將規格圖中濃度圖圖4懸浮微粒電壓與的濃度分成的次方區間，然後紀錄每一區間的壓，最後再將讀取值與量化的上下做區間比電壓度。等分濃則有2對應上下限電限電壓對，符合區間的就以該濃度表2各因子之偏好函數流前端感測節點閘道器量資料讀取ADC計數與物理量為量測濃,,(例如以24=16161L度區間，IO的轉換CVV)=ifor共16取個區間值，讀biui的i計數單位時間計數連接*門檻篩選篩選字串篩選接收與傳送WSN無線訊號傳送WSN無線*庫後端網路ADC4096/0.4×先經=ADCV此值當轉換成電與電個以其量測濃度。請注意，中的4的y軸最大值所決定。雜的是屬於類回隨domle)，因，計算(mean)riance)性用於測的三軸加速規就是典。根規格，電制傳，當控在3.6V時的靈敏度為60mV/g；電壓為2V時，的靈敏度為195mV/g；假設其靈敏度是線性變化，壓值，再區間時，則策略門檻壓值V落在某區間比對，該濃度為資料備份接收與區間.0是由圖4上述公式訊號最複類，此感測器資料處理隨機統計機an傳的資料是此需要讀取一段時間內變數(r的資料variab平均值或變異數(va後，再進行線轉換。利型的範例地表變位偵據加速規的送器所供應如果加速規的制傳送器的內壓是由控電壓為，該加速規3該加速規當控制傳送器的內在可連接後端資料或相關程式則可以歸納出)2int(8825195−+=VgS(3)其中Sg是靈敏度(mV/g)，Vint是內在電壓，而加速度為0g的電壓約等於Vint/2。圖中的資料是在內在電壓是3V時所回傳的值，所以靈敏度約是298mV/g。加速度的公式則是()goutSVVa2/int−=(4)圖5顯示三軸加速規回傳各軸1024個值的統計資料，其中x軸、y軸、z軸的平均電壓分別約為0.4V、1.3V與1.4對的加速V；所以根據上述的公式，相度為-3.7g、-0.7g、-0.3g。3.2功能設計因應上述所列的閘道器工作，將其功能規劃如圖6所示。其中WSN封包的接收傳送係經由圖5三軸加速規封包的分佈圖甘堯江、林雪淳177序列埠(serialprt)的方式讀取，因此需要序列埠監聽功能將收到的標標驗，並抽位的封包為封包擷取。再者，後端網機網維持G最後，閘的資料可透直接連結的RS