漫漫長路──WSN發展回顧與展望

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在電學之父法拉第(Faraday)誕生100年後，歐洲的科學家Nikola Tesla也展開了電氣理論和實驗。法拉第為人類帶來了直流馬達，而Tesla也提出了交流馬達和許多電學相關知識。不過，Tesla最終成為了美國公民，同時他的許多研究工作是在美國完成的。1905年，Tesla預言全球各地的人類都能透過手持電話通訊。在另一個100年之後，這個夢想已經成真。然而，這只是朝向無人小型通訊設備發展的第一步──目前我們的通訊系統仍然使用者大量的無線電發射塔、昂貴和脆弱的佈線。還記得在海地大地震期間手機通訊失效的例子嗎？這都意味著網際網路和當前的有線基礎架構仍然非常脆弱。無論是火山爆發或地震，都可以讓它們完全失效。
因此，人們提出了一種能讓人群溝通訊息的點對點網路(ad hoc networking)來傳遞無線訊號。這種網路最常見的形式是類似一個網狀網路(mesh)，在這個網狀網路中，只要距離夠近，幾乎任何訊息都可以進行通訊。就像是人們的聽說能力，網狀網路的設備也能在無須基礎設施的情況下接收和傳送訊息。
舉例來說，在歷經30年的發展之後，我們已經看到了許多大型建築物採用這類狀網路進行通訊，這些網路可能使用ZigBee協議或是其他衍生產品。一家新創業者Meraki Networks已透過其Free the Net ad hoc networking專案在舊金山將40萬個家庭用戶連接到網際網路，讓使用者擺脫家中纏繞的各種線路。
無線感測器網路(WSN)是一種機器到機器(M2M)的網狀網路，其作業方式類似於網際網路，具備自我組織(self organising)和自我修復(self-healing)能力。由於具備自我校正能力，因此WSN也應用在一些無人領域，例如用於研究及海床上的熱噴口在強大壓力下的情況。
我們應該推動這些新的網路，讓它們能夠處理大量數據，而且完全無須維修費用，如此一來，我們便可以將之建置在數十億顆樹木中以監測森林大火、將它們裝置在建築物或引擎中，甚至應用在海洋漏油監測中──觀察海洋動物和海域受污染程度，並協助處理問題。法國的SNCF國營鐵路系統已經在軌道車輛中運用了相關技術。
不過，由於許多人可能會在一個人潮擁擠的室內傳遞資訊，因而引發了一個嚴重問題：如果使用者必須長久待在室內，那麼如何維護這些節點呢？首先是電池電量必須足夠，或是可充電，或是使用其他更好的替代品。此外干擾也是一大問題。這些問題都可能導致資訊錯誤，因此包括數學家、標準制訂者以及系統分析師們正在致力解決這個問題。無線寬頻資源是有限的，而要得知節點位置是個困難，這些都是發展WSN必須面臨的挑戰。
因此，人們不得不對WSN的‘巨大’規模做出妥協。在即時通訊領域中，WSN經常延遲傳遞訊息。這是因為訊息只有在另一個傳遞範圍內的節點能正常供電時才會被傳送，而影響節點電源的原因有很多，也許是因為太陽剛好照射到了節點上的太陽能電池，並開始對其中的超級電容充電；或是熱電引擎剛好能對一個供電引擎加熱，此時節點才會開始運作。
因此，目前的發展趨勢之一，是在每個節點中放置2~3個不同的能源採集裝置。另外，亞硫醯氯鋰(lithium thionyl chloride)電池由於儲能時間長，可放置在節點中近20年之久，但它的應用可能非常有限──也許無法傳遞太多訊息。開發這種電池的廠商之一是Tadiran公司。
目前為止，所有WSN能搭載的數據封包都非常小，但Twitter告訴我們，小數據封包的總數據量可以達到極大水準。EnOcean公司因而提出了“無電線、無電池、無死角”的口號，其無線電發射燈的開關和其他控制單元已應用在10萬座以上的建築物中。其中一些應用是雙向的，但尚未形成網狀網路。EnOcean主要依靠採用電動力學的能量採集裝置，這種裝置搭載了超微型版本的自行車發電機。該公司同時使用太陽能發電和熱電裝置。而其他一些人則使用壓電式裝置，這一切，都在推動著無電池WSN的實現。
在一個擁擠的房間裡，如果人們的音量夠大、聽力夠好，那麼互傳訊息是很方便的。WSN節點所使用的晶片必須耗費更少的電力。不過，目前一些WSN使用的電池放電時間僅有幾星期，如果想依靠能源採集技術來為電池充電，那麼我們也必須體認到，目前幾乎沒有一種可充電電池的保證期限長達10年以上，它們的壽命往往要短得多。
不過，也有好消息，Dust Networks公司已經開發出了僅耗用90~300微瓦的WSN路由節點，而在網路邊綠運作的節點甚至僅耗用30微瓦。同時一些超薄型振動能量採集器、透明薄膜太陽能電池和其他許多不同的能量採集裝置，也讓可供給20年電力的節點成為可能。
如同40年前的微晶片革命，今天，新的印刷電子帶來了可模擬人類大腦突觸的全新憶阻器電子裝置。這也許意味著更低功耗。未來，我們也許能夠在塑料薄膜甚至紙張等成本非常低的材質上以印刷製程製造採集器、電子和感測器電路，甚至是生物可分解物(biodegradable)或是透明裝置等。舉例來說，用於監測浮油污染或放置在動物中的監測器，在任務結束後都將分解成無害的物質。
作者：Peter Harrop
IDTechEx公司