WSN感測元件技術發展與演進
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無線感測網路(WSN)主要可以分成感測節點(Node)、網路閘道(Gateway)技術和軟體(Software)平台，讓開發者能夠依照感測地點環境的不同，做出最好的佈設規劃，同時兼顧低成本與日後擴充的需求。因此在感測元件的選擇上，必須注意功能、能耗、網路架構、開發工具、擴充性，以下就來介紹各感測元件的技術發展…
感應器(Sensor)從早期的類比式到近年的數位式，而原本採用有線的連接方式，也漸漸進展成無線傳輸的設計。由於ICT產業技術的精進，讓感測元件越做越小，功能更強，成本降低，同時兼顧可擴充性。一般而言，無線感測器網路(Wireless Sensor Networks；WSN)的佈建，可以分成感測節點(Node)、網路閘道(Gateway)技術和軟體(Software)平台。
感測節點需要搭配佈設地點與環境因素，來選擇節點的元件功能，而網路閘道則須考慮網路拓撲(Topology)與數據集散、資訊傳回的方法。至於軟體平台則須考慮運行的作業系統，以及開發者專用的軟體開發工具。
由於WSN的感測節點，會受到體積、成本和電源供給等條件的限制，其儲存空間、運算能力、甚至通訊能力，遠不如一般的嵌入式電腦系統。因此，WSN在處理器、嵌入式作業系統、無線通信協定的規劃上，都是採用特殊的精簡版本來運作。
也由於精簡化，雖說WSN也採用無線通信，做為資料傳遞的方式，但WSN的架構跟我們所認知的WLAN(無線區域網路)卻有很大的不同。因為WSN是將佈建在特定區域的各感測節點，自組而成的一套封閉式網路，採用無固定的Infrastructure、無Hub的設計，透過感知自然界的數據蒐集、處理、內部傳輸，甚至提供執行能力，將最正確的感應數據蒐集至閘道器，然後再透過網際網路，傳至主控台。
此外，WSN還必須考慮到感測器的失效，或者被外人拔走、破壞，所帶來的系統動態穩定性，以及資安等議題，因此新一代的無線感應元件，必須注重精確性、省電性、安全性，甚至提供隱密性，不易受到察覺而破壞。而為了讓感測節點不要一有風吹草動，就頻頻上傳測量的數據，造成整個無線感測網的頻寬與能源的消耗，新一代的無線感應元件，大多具備區域自主運算(Local Processing)的能力，也是WSN的設計新趨勢。
感測節點(Node)
一個感測節點(Sensor Node，北美稱為Mote)，必須具備自主的感應能力，並可做到資料採集，然後將資料透過通往閘道器傳送至外部系統的基本功能。
因此在Node的架構組成上，必須具備: 1. 感測單元、2. 處理單元、3. 傳送單元、4. 電力單元，有些還具備外部的5. 儲存單元。為考量不同需求，許多Sensor產品製造商，已將其Node產品採用子板的模組化設計，其主板、天線、電池、感測器皆可依需求做增減，讓開發人員能夠依據其目標來設計其Node。
由於感測節點最大成本為CPU(MCU)與傳送單元(如RF射頻)，因此業者透過先進的半導體封裝製程，採多晶封裝(MCP)或單晶片(SoC)方式來整合、密集化，其體積能做到如硬幣大小；而具備Wi-Fi功能的匯集節點，體積也能做到跟隨身碟或口香糖一樣的大小。
在電源設計部份，一般的Node皆具備三種電源節能模式，如淺眠、深眠、冬眠模式，提供更長久的運作。電池供應部份，一般使用鋰電池或水銀乾電池，可提供超長時間(3？20年)的運作，有些好一點的Node，還搭配自主供電的能力(例如加入太陽能電池、壓電開關、熱電產生器、熱電堆)。
在通訊模組上，依照產品等級，有支援802.15.4、6LoWPAN、ZigBee、Bluetooth等協定，有些則直接支援到802.11 Wi-Fi、GPRS/3G等網際網路協定。至於儲存單元部份，一般內建幾KB的EEPROM，主要存放程式，有些會提供SD插槽以供擴充。
在感應器部份，以內建微機電(MEMS)元件，並根據感測需求，提供環境類(溫度、濕度、壓力、風速、氣體)、動作類(加速計、陀螺儀、磁力計)、光學類(CMOS鏡頭、紅外線/近場/光度感應器)、聲音類(麥克風)、物理類(電磁計、電流計、距離計)，以及應用在各場所之各類感應器，像是醫院、居家、工廠、公共設施…等場所。
將不同類型的感測器所偵測到或物理量，經由類比至數位轉換之後，變成數據，再將數據送到處理單元(微控制器)。而處理單元一般都是採用超低功耗的8bit至32bit的CPU(或MCU)，當CPU收到本身或自其他節點的數據後，進行分析、比對、篩選，再依本身在WSN裡所扮演的角色，把處理過的資料存放在記憶單元，或外部記憶體(如SD卡)，或者直接透過傳送單元，將資料往其他節點傳送，或直接送到閘道器。
閘道器(Gateway)
自WSN的各感測節點所蒐集並處理好的數據，必須經過匯聚節點(Sink Node)，將其內部通訊協定轉換成一般網際網路的TCP/IP標準協定，再將資料傳到主控台，或IoT(物聯網)的雲端服務層或應用層。
而這個匯聚節點，本身可以是硬體等級較高的感測節點，也可以是單純的閘道器。匯聚節點將其週邊感測器所探勘並收集到的數據匯集起來，然後以開放式的無線網路標準，傳送到主控台(如PC、平板、手機的裝置)。
閘道器的硬體等級會比上述各感測節點還高。如處理器部份，大概跟一般家用網路閘道器、路由器產品差不多。而坊間有實驗室利用Raspberry Pi 搭配擴充子板，當作WSN閘道器。此外，針對大數據(Big Data)的需求，也有廠商推出等級更高的產品，將內部的記憶體加大，甚至內建硬碟，以便就地儲存，以應付長時間的環境監測所累積的大量資料。
在通訊協定上，WSN閘道器有支援802.15.4、6LoWPAN、WirelessHART、ZigBee、MiWi…等協定，以連接Sensor Node；另外也支援802.11 Wi-Fi、甚至GPRS/3G/CDMA等協定，以將資料傳至主控台。
軟體平台(Software)
在軟體技術上，感測網路和閘道器因為硬體等級較低，因此所執行的作業系統，大多是容量小、且能即時反應的RTOS (即時作業系統)。例如像是Contiki、TinyOS等等。
有鑑於IoT、WSN元件的硬體限制，因此像是Contiki這類小型、開源的多任務電腦作業系統，便適合這類環境。從最早8位元的電腦(如Apple II)到微型控制器MCU，大多以Contiki作為嵌入式網路系統。以最低只需2KB的RAM與40KB的ROM的系統需求，提供了事件驅動核心，可在系統運行時動態載入上層應用程序。在網路功能上，提供TCP/IP v6的網路協定，網頁瀏覽器、Telnet客戶端、以及VNC遠端顯示等基本的網路通訊需求。
此外，最早投入WSN計畫的加州大學柏克萊分校，也針對WSN量身打造專屬的作業系統－TinyOS，具備輕量級線程技術、事件驅動模式、組件編程等特色。而其OS核心、函式庫及應用程式，都是採用nesC (Network Embedded System C)語言所撰寫，因此成為當今最普及的WSN專用OS。
在遠程控制方面，有些廠商的產品可直接透過網路瀏覽器，來設定Sensor Node的網路組態與監視動作。例如網路連接與構成方式，節電模式，同時在資料採集頁面，具備mysql資料庫，可將檢測到的資料，如時間、壓力、溫度、濕度、位移量等原始數據，列表出來或定時傳回主控台，以作為儲存與分析之用。
包含NI的LabVIEW WSN系列、Digi的Xbee系列、Linear的SmartMesh 系列、Libelium的Waspmote/Meshlium系列，皆提供上述完整的WSN開發工具，提供WSN用戶設計使用。
