Bio-environmental Monitoring and Control Using ZigBee Based Wireless Sensor Network

本研究使用遵循 ZigBee 與 IEEE 802.15.4 協定的多組 TmoteSky (Moteiv, USA) 做為感測節點，各個 TmoteSky 搭配特定的感測器和控制裝置，架構一個具特定功能的無線感測與控制網路。研究中採用柏克萊大學發展的 TinyOS 嵌入式作業系統，並根據其規範的 nesC 語言撰寫應用程式。 首先針對 TmoteSky 在室內與室外環境下之傳輸距離、不同工作狀態下之耗電量與不同跳接數目下之傳輸成功率進行探討。結果顯示 TmoteSky 在室內的可靠傳輸距離為 30公尺，而室外的可靠傳輸距離達 60公尺。每秒擷取一次29 bytes的感測數據，CPU 未休眠，全新的 AA 鹼性電池可以讓 TmoteSky 持續運作約5.5天，如果10分鐘擷取一次相同數據，每次擷取時間只有1秒鐘其餘時間 CPU進入休眠狀態，則預測 TmoteSky 可以運作5.98個月。另一個有關數據傳輸成功率的實驗涉及鏈狀與星狀拓樸，各使用6個 TmoteSky。整體而言，鏈狀似乎比星狀拓樸穩定，因為前者各節點的數據回傳時所需跳接次數較多但整體的傳輸成功率卻也較高。 本研究運用 TmoteSky 建立3種無線感測網路的應用範例，分別為 WSN 監測系統、模擬居家系統與加速度的互動計數器。將三者之任一或整合均可適用於生物環境系統的監控。研究中涉及的感測器包括內建於 TmoteSky 的兩種光量及溫、濕度感測器與外接 ECH2O 含水率感測器；也使用含有6種感測器的 SBT80感測模組 (Easysen, USA) ，尤其針對二軸加速度計建立點對點的加速度測試模組，並做成簡易互動式計數器，後續可根據偵測加速度的變化，應用於居家看護之研究，譬如用於偵測家中老人或病人突然間的摔倒。 無線感測網路的應用正方興未艾，本研究是一個小起點，後續的研究之路仍是非常寬闊與長遠。誌謝 i 摘要 ii Abstract iv 目錄 v 圖目錄 viii 表目錄 xi 第一章 前言與研究目的 1 1.1 前言 1 1.2 研究目的 2 第二章 文獻探討 3 2.1 環境因子及感測技術 3 2.1.1 溫室自動化及監控系統 3 2.2 田間伺服器 4 2.3 WSN系統介紹 5 2.4 WSN 應用 10 2.4.1 環境監測方面 10 2.4.2 軍事用途 14 2.4.3 生醫訊號監控 14 2.4.4 智能化家庭應用 15 2.4.5 農業應用 15 2.4.6 工業應用 15 2.4.7 定位系統與RFID結合的相關安全應用 17 2.5 ZigBee (802.15.4) 通訊協定 17 2.6 網頁伺服器開發工具 21 2.6.1 PHP 21 2.6.2 DataBase & MySQL 21 2.6.3 網頁伺服器 22 第三章 材料與方法 23 3.1 硬體部分 23 3.1.1 感測節點 TmoteSky 23 3.1.2 感測器模組 SBT80 30 3.1.3 ECH2O 含水率感測器 33 3.2 TinyOS 34 3.3 程式開發工具 38 3.3.1 Java 38 3.3.2 ECLIPSE 38 3.3.3 韌體開發工具 40 3.4 整體系統架構 40 3.4.1 感測網路 41 3.4.2 外部程式部分及網頁資料庫部份 42 3.5 網路理論研究 44 3.5.1 最短路徑法 44 3.5.2 Sensornet Protocol 45 3.6 實驗方法 47 3.6.1 TmoteSky 傳輸距離實驗 47 3.6.2 TmoteSky 耗電量測試實驗 48 3.6.3 多組 TmoteSky 形成WSN系統之傳輸成功率探討 50 3.7 TinyOS-Java-Api 相關工具 52 3.7.1 數據格式分析 52 3.7.2 與sink端TmoteSky溝通機制 54 第四章 結果與討論 55 4.1 TmoteSky 傳輸距離實驗 55 4.2 TmoteSky 耗電量測試實驗 58 4.2.1 TmoteSky 使用不同廠牌電池之耗電情形 58 4.2.2 TmoteSky 在傳輸數據時採不同取值間隔的耗電量 59 4.2.3 TmoteSky 的耗電量分析及運作時間預測 60 4.3 多組 TmoteSky 組成 WSN 系統之傳輸成功率探討 63 4.4 WSN監測系統 67 4.4.1 韌體部分 67 4.4.2 使用者介面程式 68 4.5 模擬居家系統 72 4.5.1 模型屋硬體 72 4.5.2 韌體方面 74 4.5.3 使用者介面 77 4.6 加速度測試實驗 80 4.7 網頁資料庫 82 第五章 結論 85 第六章 建議 88 參考文獻 9