WSN無線感測網路市場趨勢

WSN在各種場所的應用說明 (誠力)

最早起源於美軍單位、用來做軍事偵防與情資蒐集應用的「無線感測器網路」(WSN)，隨著近幾十年來ICT資通訊產業的進步，其應用已遍及政府、醫療、學校、農地、工廠、商場…等產官學領域，包括環境與氣候監測、公共設施維護、交通運輸、大型倉儲、果園蟲害防治等領域。透過佈設各種感測器，所形成的一種可以自動蒐集、計算、傳遞資訊的感測網路，成為近年來發展趨勢…

無線感測器技術與日俱進 建構無所不在的感測網路

感應器的進程，可從最早的感測器(Sensor)、無線感測器(Wireless Sensor)，到近年興起的無線感測器網路(Wireless Sensor Networks；WSN)。其應用可以追溯到美軍在越戰時期所採用的技術，由於越南的茂林加多雨的地理環境，削減了衛星與偵查機的情資蒐集效果，因此美軍在地面部署了音響感測器(偵察裝甲車與部隊所造成的地面震動)，透過運輸機將空投式振動感測裝置投到戰區，以期建立電子屏障，來切斷越軍的補給。

自21世紀以來，感測器技術拜積體電路(IC)、無線通訊與微機電(MEMS)等技術的加持，讓感測網路的節點(Sensor Node)與佈設成本都能獲得有效的縮減，功能也越來越強，由眾多無線感測器(Wireless Sensor)所建構出來的WSN，不僅涵蓋了大面積的資料蒐集、數據監控、自主運算、自主傳輸等現代化技術，其應用上也日漸蓬勃發展。

WSN具有極其廣泛的應用，除了前述的軍事應用之外，還可以用來做環境監測(如天氣、光線、污染等變化)、工程安全(如橋樑、建築結構檢測)、都市交通監測，以及各種工作與娛樂場所的防範監控等等。

以軍事應用來說，感測節點可從光線、熱量、溫度、濕度、壓力、磁力、電場、機械、化學等多種方式，來偵測並判斷戰場上的各種車輛、武裝人員和非武裝人員，以及環境的變化。透過在某特定的場所內佈下的無線感測裝置，以便無時不刻掌握最新狀況。當體積越來越小，加州大學柏克萊分校曾經提出的“智慧塵埃”(Smart Dust)的概念得以實現，

WSN隸屬於IoT應用範圍的一環

有鑑於近年來智慧型裝置的流行，開啟了IoT(Internet of Things, 物聯網)的全新應用。IoT包含了應用層、雲端服務層、網路層及裝置層等四個層級。而WSN在IoT的架構中，同時可於網路層及裝置層，隸屬IoT的一環。而在如今流行的Cloud(雲端)時代下，也有人把WSN稱作Sensor Cloud (感知雲)。

由於WSN行之有年，採用大量微型、低成本、低功耗的感測器節點，以偵測各種類比與數位訊號，採用IEEE 802.15.4及各種嵌入式裝置的通訊協定為基準(如ZigBee、6LoWPAN及WirelessHART等)，無論是走星狀、樹狀，還是網狀的網路拓樸連接方式，資訊仍須傳達出去；而WSN與IoT的連接上，可透過各種閘道器，將資訊轉換成網際網路(如TCP/IP)的標準，進行訊息的傳遞，達到自動化或提示等目標，以利於各行各業的應用。

於2011年成立的台灣物聯網聯盟(TIOTA)，主要結合產學研等單位，共同推動整合國內外物聯網相關資源，使產業結構升級和生產效率能源利用效率的提高，促進產業與政府、國際間合作，並推動WSN的各項應用。

WSN在產業上的應用

WSN應用廣泛，以IWSN(工業/產業無線感測網路)為例，透過在工廠安置各式感測器，幫助工廠省下照明、空調、工業用水等費用，亦能幫助製造業在產線的偵測與控制，進而讓製程自動化，達到智慧工廠目標。

在農業應用部份，可在農地或果園安裝WSN，透過紅外線與網路傳輸的技術，以偵測出害蟲的數量，並即時通報給農夫或果農，以利第一時間將害蟲消滅。此外，WSN能夠長時間記錄數據下來，搭配氣象局的天氣預報，便可預測未來的害蟲侵襲概況，讓農民提早防範，達到智慧農地的目標。

而在大自然生態的應用上，透過WSN的環境感知網路，可偵測動物或植物的生態，了解生物的生長狀況，進而促進環境保育。而河川監測系統上，也可採用WSN的水位與水質偵測網路，以利於即時反應水位資料與水質變化，除可了解淹水原因，亦可偵測使否被污染，進而達到河川整治的目的。

WSN在日常生活上的應用

WSN在日常生活上，可運用WSN的環境感知平台，在環境品質與節能控制上做出判斷，像是透過感測器來蒐集環境指標與變數(如溫度、濕度、日照時數、風力等等)，進而計算出室內的舒適生活指標，搭配中央控制系統，來控制如窗戶的開口大小、窗簾開閉，以及室內照明的明暗，甚至空調溫度等等，不僅可讓室內環境更加舒適，同時減少能源的消耗，達到智慧建築的目的。

此外，在居家保全方面，可透過WSN在室內與室外的重要地點，佈設監控系統，搭配社區管理中心之監控與巡防服務，達成智慧保全的目的；至於醫療部份，亦可應用在遠距醫護服務，將各式醫療儀器微型化，可穿戴於人體身上，並透過網路傳輸，隨時掌握健康狀況，如遇緊急情況，亦可即時緊急救援，達到智慧醫療的目的。

智慧型感測器之市場趨勢

WSN所採用的智能感測器，可依照佈建與偵測的環境所需，來配置各種感測器的等級。有些地方如郊外，或電線難以到達之處，加上必須長時間觀察，這類面積廣大的環境下，感測器必須內建電池，在運算能力採低功耗為主。至於都市與建築等工廠或居家，則可配置電線，搭配運算能力較佳的感測器。

據Markets and Markets調研機構預測，全球智慧型感測市場，到2020年底，將高達104.6億美元，並以36.25%的CAGR(複合年均增長率)成長。其中以工業無線感測網路領域、應用於製造與製程自動化控制市場中，2011年至2017年將從16.1億美元增長至37.95億美元，並以15.58%的CAGR成長。

在通訊技術部份，主要是WirelessHART、ISA100.11a、6loWPAN，以及部份是獨家技術(如DigiMesh)，另外，也有802.11技術(WiFi)、802.15家族技術(ZigBee、Bluetooth)，以及行動通信技術(GSM、GPRS、CDMA)等等。其中WirelessHART在IWSN領域，幾乎有70%應用在製程控制自動化應用上。

至於ZigBee，則在固定式WSN應用市場(如家庭控制)上擁有優勢。目前許多廠商推行以ZigBee通訊協定為主的無線感測產品，以低耗能、低成本、小體積的優勢，成為市場的主流規格之一。

WSN應用的未來發展

WSN主要應用於資訊的蒐集、計算、傳遞等，在能耗上雖能「節流」，但亦有廠商提出「開源」的做法，讓WSN也利用環境的變化，達到能源採集(Energy Harvesting)的目的。

目前的WSN產品，其電力供應單元，採用的不外乎是鋰電池、水銀電池等電源。而新一代的WSN更結合了“能量採集”和“電源管理”的功能，透過太陽能發電、壓電開關(Piezo Switch)、熱電產生器(TEG)、熱電堆(Thermopile)，或者借助環境所帶來的各種外力(如磁力、衝擊力、無線電波)等，達到同時蒐集資料與能源的雙重目的。這種設計可以延長WSN的電池的一次使用壽命，進而達到自主供電的終極目標。

以太陽能發電設計的無線感測產品，就適合佈設在腹地廣大、且人所不能及的場所(例如高樓、高架橋樑、路燈等場地)，只要晴天就能透過環保發電，自主喚醒、蒐集、傳遞各種感測資料。