前言：虽然许多人都看好无线传感器网络(Wireless Sensor Network；WSN)的应用及市场，且感测节点的电路在技术层次上并不高，但即便如此，感测节点的电路设计仍有诸多的挑战，这些挑战皆是现场环境因素所造成，使WSN变成「知易行难」的1项电子工程技术……

      近年来无线传感器网络(WSN)的应用议题愈来愈热，然多数人或许不知，无线传感器网络的最原初构想是来自军事用途，即是用于战场、战区看守之用，好减轻人力卫哨的负担，之后才产生出各种的延伸应用。而今WSN到底有哪些应用呢？这方面的举例相当多，且每种应用例子都深具吸引力。

      例如家庭自动化用途，在家庭各处布建传感器节点(Sensor Node)，由节点进行温度感测，然后将各节点的感温数据进行回传，并对数据进行分析，以决定是否要调整空调，是将中冷转为强冷，或将中冷转为送风等等，对建筑物而言可以用来做自动化的中央空调运作。

      类似的，空调能自动感测、自动调节，建筑的照明也能如此，各布建的节点可配置光感的亮度传感器，然后回报各位置的亮度，如此就能通知各照明灯或电动百叶窗是否该因应调整。同样的作法，传感器内可设置烟雾感测，如此就可以建立起自动消防系统，或设置动作感测，就可以做为保全系统。

      或者，建筑物的地下停车场也可以进行感应，每个车位设置一个传感器节点，如此停车之前就能知道还有几个车位，且车位分布在各层的那个位置。再者，对医院而言可以在各病患身上设置多个传感器节点，包括心跳、血压、体温等感测，并把资料集中回传到护理站，省去护士逐一查房巡视的心力，同时在病患危急时能在第一时间做出反应。

      家庭或建筑运用只是WSN诸多种应用的一种，事实上在产业控制、环境研究等领域有更广泛的应用，例如将传感器节点布建在工厂各处，就可以知道某处的锅炉是否温度过高，某个管线是否压力过低等等。或者在大自然环境中布建传感器节点，透过广泛且长时间的记录，来了解大自然的变迁或环境污染等情形。
     
      另外WSN也能用于桥梁的应力检测，在桥梁各位置设置传感器节点，以感应桥梁的应力压力或车辆经过后的震动程度，因此找出脆弱位置，并进行事先性的补强，以避免桥梁坍崩的事故发生。

      还有，对能源公司而言，长达数百、数千公里的输油管、天然气管也必须进行压力与温度等监督，对此必须在输送管上每隔数公尺就设计一个传感器节点，以此进行监控，一旦有油气外泄(压力减低)就能实时回报，并尽快到现场抢修。

      以上列举的种种都是WSN的应用，这些应用都有个特点，即是需要设置多个节点来进行感测，节点的多寡视应用而定，建筑的消防烟雾侦测可以每隔3公尺设置1个节点，油管的压力侦测可以每隔30公尺设置1个节点，此外每个病床上的病患可以依据不同的病况还设置多个节点。

      虽然节点用数不同，但都少不了要大规模、大数目地运用，事实上这也是WSN市场之所以迷人的原因，只要研发、设计一次传感器节点，就可以大量生产与布建，不断生产后就能将最原初的研发投入成本均摊至极低，使每一节点的生产利润达到最高。

      不过，传感器节点的研发却不容易，虽然传感器节点内的硬件规格相当简单，仅有运算力薄弱的微控制器(或微处理器)、小容量的内存、以及电源电路、传感器等组件，但要将节点体积设计到极娇小、功耗用电设计到极低、机构及电路设计成高度抗环境性等，就成了电子工程技术上的多项挑战，到底传感器节点的设计有哪些难点？本文以下将对此进行讨论。(附注1、2)

      抗环境性

      传感器节点有些会设置在屋内，然也有许多会设置在户外，由于会在各种环境下布建及设置节点，所以节点必须具备现场环境的因应能力，现场环境可能极寒冷、极炎热、极干或极湿、或有大量沙尘，或经常晃震(设置在汽车内或桥梁上)，这些都不能对节点的感测产生影响，也不能对节点内的电路运作产生影响，同时也不能对感测后的信息传递产生影响。

      关于这些就相当考验节点设计，不仅考验节点的机构(外壳)设计，也考验内部电路的设计，另外也考验通讯传递的设计。

      所谓考验通讯传递的设计，是一旦某个节点要进行感测数据传递时，若A中继节点失效时(可能是毁损、电力用尽或暂时的不明原因而导致失效)，会懂得自动将数据改由B中继节点来绕径传递，最终仍可将数据传达最后方的信息收集站。关于此在无线通讯的协议(Protocol)设计上就要格外用心。

      体积性

      由于传感器节点要装布在现场环境，为了尽可能方便、容易地进行现场装设，所以节点的体积可说是愈小愈好，最好能在装设后仍不会让人感受到节点的存在。

      要想达到尽可能的小巧，单是纯机构外壳着手是不够的，倘若机构内的电路不能够更加小巧，那么机构能够缩密的程度也有所限。因此许多人提议必须将微机电系统(MicroElectroMechanical Systems；MEMS)技术运用于感测节点上，使传感器及相关电路能够更为娇小，进而使外部机构有机会再缩小。

      省电性

      省电性也是感测节点设计的一大挑战，原因在于节点的体积已被要求尽可能缩小，所以节点内可以放置的电池，其体积也不可能太大，如此节点自身的可用电量将极为受限。

      其次，各节点布建在广大的现场环境，如果各节点经常电力用尽，就必须额外出动现场人员至现场为各节点换替电池，如果经常要劳动到现场人员，则使用感测节点的意义性将大减。所以感测节点必须能长时间独立运作，如此节点内的电路就必须尽可能地省电，为了省电就必须让芯片尽可能使用先进的半导体制程，同时也尽可能使用先进的微机电系统制程。

      事实上省电确实是现阶段WSN节点研发上的一大难题，特别是在电源电路的设计上，即便是将现有针对手持式应用而设计的电源芯片运用到WSN节点内，其省电性依然是远不如预期，如此也迫使电源芯片业者设计出体积更娇小、更具电源转换效率的电源芯片，这同时也是电源芯片下一个努力的目标方向，也极可能是电源芯片的下一个大获利市场。

      不断精省节约电路用电是一个方法，另一个方法则是从软件层面下手，针对节点内的控制软件与通讯协议来调整，让节点在没有感测、没有回传信息时尽可能处于省电状态，如此也可以精省用电。

      不过，一味减少用电依然是不够的，许多WSN领域的学术研究人员、业者等开始提议能从现场「搜刮（Harvest）」电力的方法，如果节点布建的位置有日照，则可以在节点外部设置太阳能面板，自行进行太阳能发电。或者，设置在桥梁上，用来感测桥梁各位置的晃震程度的节点，则内部可以设计一个晃震发电装置，一旦晃震就可以自行发电。

      当然，这些就地取电、就地发电的作法，也不能违背前述的「体积娇小」的原则，所以这些发电设计也必须尽可能缩小体积，最后依然不得不用上微机电系统技术。

      自我组态性

      节点的现场布置必须尽可能容易，最好只要派员到现场放置即可，不需要在意方位、角度等，如果每个节点都要仔细调整才能完成布建，那布建的速度将会受影响。

      因此，节点内的电路必须自己能进行组态设定，自行确认自身是处于那个感测网络之下，自身是属于整体网络中的哪一个角色位置等等，这些就必须倚赖节点内的程序设计与协议设计才能达成。更简单地说，此属于节点的网络智能性设计，多半要倚赖软件程序设计来达成，以软件方式实现的好处，是未来能快速改善、提升节点的智能性。

      功效电路弹性

      由于不同的应用需要不同的感测特性，有的只需要感测温度，有的只需要感测震动，有的则是同一个节点同时感测亮度与温度，所以不可能只用一种感测节点的设计就能满足各种现场需求。

      虽然如此，但也并不表示要为每个特性感测而设计截然不同的节点电路，事实上只有传感器、制动器(如果有的话)、控制软件等方面需要改变，其余部分可以维持一致，也因此节点内的电路可以设计成子板的方式来弹性替换。不过，子板作法虽较具弹性，但也会使电路所占的整体容积加大，关于此在设计时就必须权衡取舍。

      除了感测方面有可能不同外，现阶段有关WSN的无线通讯标准也更有不同，有的使用Bluetooth，有的使用ZigBee，也有人使用Z-Wave等，所以不仅感测电路方面需要模块化、子卡化设计，通讯电路也可能有此需求。

      进一步的，既然感测电路可能更替，如此供电设计也必须连带改变，再加上同的环境现场有不同的用电、取电方式，所以供电电路也必须保有换替弹性。总归而言只有「运算」及「记忆」方面的电路最固定，可以高度整合性设计，其余在现阶段都有保持弹性的必要。

      附注1：「无线传感器网络」顾名思义与「感测」有关，但并不表示它不能进行「控制」，更广义而言应当是无线感测、控制网络。另外也有人称为「无线传感器局域网络，Wireless Sensor Area Network；WSAN」，好与WPAN、WLAN、WWAN等缩写称呼相一致。

      附注2：从某种角度看，汽车用的胎压监督系统(Tire Pressure Monitoring System；TPMS，有时也称为Remote Tire Pressure Monitoring Systems；RTPMS)可说是最小型的WSN应用，以一部汽车而言，四个轮胎内各设置一个压力感测节点，用来感测轮胎压力，并用无线通讯将压力信息回传到汽车本体上。

      图说：「BTnode平台」是诸多传感器节点设计中的一种，该平台上有一个微控制器与一个蓝牙无线收发器，在Rev3版的设计中使用的微控器为Atmel的ATmega 128L(8MHz频率，8MIPS效能)，蓝牙收发器则是用Zeevo的ZV4002。

      图说：Mulle平台也是诸多种感测节点设计中的一种，该平台的处理核心是用日本瑞萨电子(Renesas)的M16C/62微处理器，首版设计实行裸晶外树脂封装的处理器(如图右)，之后的第二版才使用有标准芯片封装的处理器。

      图说：mPart也是诸多种感测节点的一种，该节点的尺寸约为8 x 8公分，它以无线方式回报信息的距离为75公尺(室内)或250公尺(户外)，mPart属于德国Particle Computer公司的产品。

      图说：在一线信息大厂中，除了Intel投入Mote的WSN研究外，Sun的SPOT(Sun Small Programmable Object Technology，小型可程序化对象/用品技术)项目也属于WSN研究，图为Sun SPOT在感测节点方面的电路设计。

      图说：imec公司推出的ExG-2感测节点，该感测节点适合生物医疗监控方面的应用，图中为节点电路与一般铜板的体积比较。

      图说：由麻省理工学院学生Nathan Ickes与Piyada Phanaphat于2002年6月共同开发出的无线感测节点：µAMPS-1(如图)，之后也陆续发展出新款的µAMPS-2与µAMPS-3。