限制無線感測器網路的真正問題

作者：Kristi Hobbs，美商國家儀器(National Instruments, NI) 資料擷取產品經理

雖然無線感測器在近幾年來成為熱門話題，但是有許多專家指出，無線感測器在商業上的使用率仍然偏低。有些廠商認為為數眾多的專利型和標準型通訊協定所造成的混淆是使用率偏低的原因，也有廠商認為是因為安全性不足的關係。目前Crossbow、MicroStrain以及Millennial Net等公司，目前正開始提供解決上述問題的無線感測器硬體，但在這過程中，仍存在令這項技術潛在使用者感到挫折的問題─軟體。提供硬體產品的公司通常會提供網路組態設定及監督軟體，但是在允許使用者同時將多個節點設定為同一項功能的部分仍然沒有獲得良好的解決。此外，現有的軟體或許可以使無線感測器網路的節點間易於分享資料，但當使用者試圖和網路的其它部份分享此資料，或是將它公佈到網站時，就會出現問題。本文將討論這類無線感測器網路使用者面對的軟體挑戰，並提供問題可能的解答。

無線感測器軟體目前狀況

今天的無線感測器廠商所提供的軟體包括執行無線量測的基本功能─節點組態設定及管理，以及資料記錄和顯示。

節點組態設定及管理

幾乎每一家無線感測器廠商的軟體都提供某種程度的節點組態設定功能。舉例來說，使用MicroStrain提供的Agile-Link軟體，使用者可以將節點加入系統中，手動將它進入睡眠狀態或喚醒它，並設定串流資料的速度。其它的軟體（例如Crossbow Technology的MOTE-VIEW）以視覺呈現節點位於工廠地面何處。大部份的軟體也包括每個節點目前狀態的資訊，並指出該節點是否連接上網路，同時主動傳送資料。

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圖1. Crossbow Technology, Inc.提供的MOTE-VIEW軟體讓使用者呈現其設施平面圖上無線節點的位置。

資料記錄及顯示

所有的軟體套件都將即時的無線感測器資料顯示在圖表上，以便監督。但有些軟體（例如Agile-Link）同時也提供界面，供使用者設定基本資料記錄。使用者可以將資料匯出至Microsoft Excel或其它試算表軟體，進行離線分析。

雖然這些節點管理軟體工具相當直覺，連初學者也能使用，但是並功能不多，缺少許多令無線感測器真正發揮功用的功能。

還缺少什麼功能

無線感測器技術在過去十年間的確獲得長足的進步，但是用於設定及管理這些節點的軟體仍然缺少許多令真正的使用者獲益的三項高階功能──節點智慧與自動化、節點聚集(node aggregation)、以及企業資源的整合。

節點智慧與自動化

雖然上述所提到的軟體套件和其它軟體，皆內含部份設定節點組態的基本功能，但它們都沒有提供一個直覺的方法，讓使用者得以自行設定其硬體節點，以提供額外深入的分析方式，例如：區域分析(Local analysis)。由較高電力的閘門節點收集並處理來自數個低電力末端節點的資料，再將最少量的資訊（例如限制測試的結果）傳回中央位置的區域分析對某些場合而言很有助益。另一種智慧節點的形態是可以非常快速擷取資料（每秒數千個樣本）並將它存放在本地端，只將參數性的資料傳回。舉例來說：一個節點或許嵌入在一部大型機器上，以監督其振動程度。雖然它可能擷取了大量的資料，但是可能只需要將通過或失敗指示元傳回給主機，指出該機器是否位於要求的限度之內即可。

現在大部份無線感測器節點仍然是被動節點，只將它們被要求提供的資料回傳。很少感測器具備內建資料分析或自動化電力管理的設定。而提供加入額外智慧功能的節點則使用程式設計界面，不但不像上述的節點管理界面那樣簡單，使用者往往還必須使用低階文字式程式設計。對於熟悉自己領域而不熟悉其他嵌入式程式的工程師和科學家而言，這種情況往往不能令人滿意。

節點聚集(Node Aggregation)

目前的節點管理軟體或許可以在有20到30個節點的網路上運作得很好，但是當政府機構或大型企業想要建構內含數百或數千個節點的網路時，設定就要花費極多的時間。在這個時候，要個別設定每個節點就變得困難重重，因此用於設定節點組態的軟體就必須能夠將節點集結成群組，並一次將整個群組設定成相同的功能。舉例來說：一家石油公司可能會想要在許多地點監督油管中的流量。由於所有的節點基本上都是執行相同的作業─監督流量及記錄或將資料傳回中央位置。因此，如果能夠一次設定好所有的節點，就可以節省時間和金錢。這種節點集成的功能會建立一個簡單的界面，用於發展備用系統，並加快極大型網路的組態設定作業。若是沒有這項功能，無線感測器技術就無法超越研究和小型應用的規模。

與企業整合

在全面採用無線感測器技術之前，大部份公司會要求能輕易將其感測器網路與企業其餘層面結合。這表示：不只提供一種資料記錄及離線分析的方法，同時也要提供能夠直接在無線感測器混合網路和採用不同網路作業協定的辦公室系統之間傳遞資料的方法。相對地，這種要求就需要線上分析能力。對於員工分佈在全球各地，或是想要讓多名內部消費者能夠輕鬆存取資料的公司而言，能夠集中這些資料，並透過網頁伺服器來提供存取管道，是一種選擇性但往往很重要的功能。

圖2. 目前大部份的無線感測器節點只能記錄到試算表中，而且沒有自動化的方法可以將資料送到企業內部系統。

大部份問題的可能解答

無線感測器的軟體要能滿足大部份使用者的需求，似乎還有很長一段路要走，但是部份的解決方式其實已經存在。雖然還沒有能力一次設定多個節點，但目前有一套軟體工具提供了方法，能夠設定節點、加入深入分析，以及將無線感測器資料與企業其餘部份整合。這項工具就是NI LabVIEW，一套業界標準的圖型化開發環境，供線路世界的量測及自動化使用。

使用LabVIEW獲得節點智慧和自動化

藉由最近發表的NI LabVIEW嵌入式開發模組(Embedded Development Module)，使用者可以設定任何32位元的處理器，因此也可以設定任何以32位元處理器為基礎的無線感測器。利用這項工具，無線感測器廠商可以為其無線節點開發驅動程式，讓一般使用者能夠以LabVIEW設定節點。因此，無線感測器使用者可以在其節點上加入客製化的設定，不需要複雜的暫存器或文字式的程式設計過程。

透過LabVIEW與企業整合

NI LabVIEW及其工具組可和許多網路通訊協定相容，例如TCP/IP和藍芽；也和許多資料庫相容，例如Microsoft Access、SQL Server，以及Oracle。因此，主機電腦可以執行一個LabVIEW程式來收集多個無線感測器節點傳來的資料，並自動將它傳送給網路上的其它機器，或是將它儲存到資料庫。此外，LabVIEW Full Development Systems及更高版本包括內建的網頁伺服器，因此主機電腦可以收集來自節點的資料，並以即時的方式將資料公佈在網站上。資料的用戶端可以透過其瀏覽器存取，甚至控制。即使LabVIEW還不能一次設定多個節點，使用者卻可以建立標準組態，將之儲存，再把它輪流下載到每一個節點。

圖3. LabVIEW提供資料庫連線能力和內建的網頁伺服器，讓無線感測器節點的資料能夠輕易地與企業的資源整合。

目前已經有多所頂尖的大學和企業非常重視無線感測器技術的研究。隨著無線感測器的熱潮持續增強，加上硬體平台和通訊協定的增多，軟體也必須擴充功能，以滿足藉由這項技術而獲得益處的使用者需求。藉由為無線感測器提供LabVIEW驅動程式，廠商可以為需要節點智慧和與企業資源整合的全新使用者開啟使用無線感測器的大門。

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