CH07

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CH07 無線網路
 學習無線電信網路之基本概念
 學習四個世代電信網路的演進與差異
 瞭解電信網路發展的趨勢
 認識無線數據網路之基本概念與生活中的應用
 介紹無線網路的整合運用與未來發展的趨勢
7-1 無線電信網路與數據網路
簡介
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科技的進步與生活品質的提升
 以往有線網路需藉由鋪設實體線路才得以互相通訊
 無線網路不需架設任何線材便可使傳送端與接收端
之間進行連結
 不受實體纜線的牽絆
 使通訊更具行動性與機動性
有線網路
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Internet
無線網路
無線基地台
3
無線網路分類
交換機
 依傳輸的內容,可大致區分為:
基地台
 「電信網路」(TeleCom)
 以語音(voice)傳輸為主
 利用手機來進行語音通訊
打電話
接電話
 「數據網路」(DataCom)
看影片
 以資料(data)傳輸為主
 校園內或機場中提供手提電腦或PDA上網
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Internet
上網
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7-1-1 無線電信網路
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無線電信網路
 由基地台與行動電話等設備所組成
 處於基地台服務範圍內的手機可與基地台以無線的方
式傳輸語音
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無線電信網路
 電信網路四個世代:




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1G,以類比(analog)聲音訊號為處理對象;
2G ,以數位(digital)聲音訊號為處理對象;
3G ,將語音服務與現有網際網路的服務整合;
4G ,提供更高速及更低延遲的行動通訊系統
7
無線電信網路
不同世代的無線電信網路比較
電信網路
起始
世代
年份
傳輸速率(1Byte=8bits)
下載10MB檔案所需時間
(約三張一千萬像素照片)
1G
1980
類比訊號,不適用於資料傳輸
2G
1990
9.6kbps~64kps
約20分鐘50秒
3G
2000
144kbps~2.4Mbps
約33秒
4G
2010
100Mbps
約0.8秒
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7-1-2 無線數據網路
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無線數據網路
 已普及應用在我們的日常生活周遭
 常見的無線數據網路有:





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無線區域網路(WiFi)
無線個人網路(紅外線、藍芽、Zigbee)
無線都會網路(WiMAX)
無線射頻通訊(RFID、NFC)
衛星網路
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無線數據網路
 無線區域網路(Wireless Local Area Network, WLAN)
 使用無線電波作為資料傳送媒介
 通訊範圍通常為數十公尺至一百多公尺
 目前通用的技術為WiFi
USB WiFi無線網卡
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Source: D-Link
WiFi無線網卡
WiFi無線AP
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無線數據網路
 無線個人網路(Wireless Personal Area Network, WPAN)
 提供小範圍內的無線通訊
 通訊範圍通常為數十公尺
 目前通用的技術主要有:藍芽、紅外線及Zigbee
紅外線(IrDa)
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藍芽耳機
ETC
遙控器
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無線數據網路
 無線都會網路(Wireless Metropolitan Area Network, WMAN)
 大範圍的無線公用網路
 網路範圍通常涵蓋一個校園或一座城市
 目前主導的通訊技術為新興的WiMAX及LTE
 遠距離
 高速率
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無線數據網路
 衛星網路
 主角為人造衛星及地球站
 衛星網路具有通訊距離遠及覆蓋面積大等優點
 目前有定位(GPS)、即時轉播、軍事監控、遠端資料傳
輸等應用
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無線數據網路
 無線射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)
 由讀取器(Reader)和RFID標籤(Tag)所組成
 已普及應用於如捷運悠遊卡、花博卡、學生證、商店的防
盜系統等
RF訊號
回傳資料
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RFID Reader/Writer
RFID Tag
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無線數據網路
無線數據網路通訊技術比較
通訊技術
傳輸速率
(1Byte=8bits)
傳輸距離
下載10MB檔案所需時間
(約三張一千萬像素照片)
54Mbps
100m
約1.5秒
4M~16Mbps
2m
約5秒
720K~24Mbps
10m~100m
約3.3秒
Zigbee
250Kbps
10m~75m
約5分20秒
WiMAX
70 Mbps
48Km
約1.1秒
衛星
400Kbps
>600Km
約3分20秒
RFID
212Kbps
15cm~5m
約6分17秒
WiFi
紅外線
藍芽
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各項技術發展的時間與傳輸速率
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多樣化的技術
提供不同的頻寬與通訊距離
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7-2 無線電信網路
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7-2-1 電信網路的演進
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電信網路的演進
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第一代行動通訊系統(簡稱1G)






類比式行動電話系統,也是最早期的行動電話系統
無法提供資料傳輸,主要是提供一般語音通訊服務
AMPS是台灣第一個引進的行動電話系統
是一種蜂巢式系統
其傳輸訊號以FM(調頻)形式調變
使用的頻率為800MHz
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第一代行動通訊系統(簡稱1G)
 優點:
 傳輸距離長
 穿透性佳
 沒有回音的困擾
 缺點:
 容易受外來的電波干擾而造成通話的品質不佳
 容易遭到他人竊聽通話內容及盜拷
 擴充功能差
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第二代行動通訊系統(簡稱2G)




改變語音的無線通訊技術
可提供語音、數據、傳真傳輸
所傳送的資料已完全數位化
目前使用最廣泛的是泛歐式數位行動電話系統(Global
System For Mobile Communication,簡稱GSM)
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第二代行動通訊系統(簡稱2G)
 GSM使用頻段:
 歐洲及亞洲:900/1800MHz
 美國:1900MHz兩種
 GSM系統優點
 服務容量大
 信號品質好
 保密程度高
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第二代行動通訊系統(簡稱2G)
 除了基本的語音服務外,還提供如






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通話限制(Call lock)
通話轉接(Call forwarding)
通話等待(Call waiting)
多方通話(Conference)
全球漫遊
簡訊服務(Short Message Service,簡稱SMS)
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第2.5代行動通訊系統(簡稱2.5G)





介於2G與3G之間的行動通訊系統
資料能以封包的方式進行傳送
連結網際網路分享網際網路上的資源
通用封包無線服務技術(General Packet Radio Service,GPRS)
下載能力:100kbps
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第三代行動通訊系統(簡稱3G)





提昇無線網路的頻寬及存取速度
高速的數據下載能力:300k~2Mbps
連結網際網路分享網際網路上的資源
提供網頁瀏覽、語音會議、電子商務資訊服務
可進行處理圖像、音樂、視訊通話
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第四代行動通訊系統(簡稱4G)
 更高的數據吞吐量(Throughput)
 靜態傳輸速率達到1Gbps,高速移動狀態下可達到100Mbps




更低傳輸延遲 (5ms以下)
更低的建設和運行維護成本
更高的資訊安全能力
支援多種品質保證服務(QoS)等級




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UGS:適用VoIP語音電話
rtPS:適用IP-TV
nrtPS:適用FTP
BE:適用上網
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第四代行動通訊系統(簡稱4G)
 可能成型的4G標準為LTE(Long Term Evolution)Advanced




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傳輸速率:下載1Gbps、上傳500Mbps
已正式被列為全新的無線標準技術
能夠針對無線寬頻數據設計出最佳化的性能
能與現存GSM服務供應商的網路相容
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7-2-2 電信網路的架構
與運作方式
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電信網路的架構與運作方式
 電信網路的架構為階層式架構,主要有三個階層:
 行動電話
 基地台
 交換機
公眾網路
交換機
基地台
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電信網路的架構與運作方式
 電信網路的運作方式主要可分為六種狀態






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手機開機
待機
打電話
接電話
換手
漫遊
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手機開機
 手機開機後,必需要先讓基地台及電信公司的機房資料庫
知道自己的存在以及在那個基地台
行動電話
基地台A
基地台B
電信公司資料庫
1. 掃描基地台
2. 與訊號最強的基地台連線
3. 將自己的資訊告訴基地台
4. 基地台將手機資訊傳送到電信公司進行註冊
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待機
 待機狀態下,為了知道基地台有沒有資料要送給自己,或
是有沒有人要跟自己通話
 定期監聽目前和基地台所建立的連線和偵測訊號強度
 如果訊號強度低於門檻值,手機將會開始尋找周遭訊號最強
的基地台重新進行註冊
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打電話
 當使用者要打電話給其他人時:
基地台A
0932------
中華電信機房
威寶電信機房
基地台B
0973******
1. 打給0973******
2. 尋找0973******
3. 0973是威寶門號,
將要求轉給威寶機房
(4. 威寶機房尋找0973******在哪個基地台)
5. 0932------要打電話給0973******
6. 0932-----打電話給你
(已接通)
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(已接通)
(已接通)
8. 建立連線
(已接通)
7. 接電話
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接電話
 當使用者按下接聽鈕後
 1. 手機將同意基地台的通話要求
 2. 基地台和手機穩定的連線以進行通訊
 如使用者不接聽
 1. 手機回拒基地台的通話要求
 2. 基地台再回傳拒絕的訊息給對方手機
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換手
 使用者因處於移動狀態而遠離目前提供服務的基地台時,必
須進行基地台的服務轉移
0932------
原始基地台 基地台A 基地台B
1. 基地台偵測到手機訊號過低
交換機
2. 0932------需要換手
3. 要求測量0932------手機訊號強度
4. 回傳測量結果
(5. 交換機挑選訊號最強之基地台A為新基地台)
6. 0932------將改由基地台A負責
7. 將轉換成由基地台A服務
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漫遊
 漫遊是讓使用者可以在外國使用行動電話網路的服務
 舉例來說,當你到北京旅遊時:
0932------
基地台
台灣電信機房
北京電信機房
基地台
行動電話
1. 漫遊服務要求
2. 是否要提供服務給0932------?
3. 0932------是合法的,請提供服務
(4. 紀錄0932------資訊)
5. 我要打給0932------
6. 請找0932-----7. 有人打電話給你
8. 建立連線
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7-2-3 電信網路的語音
與多媒體服務
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電信網路的語音與多媒體服務
 語音服務:
 電話插播、指定轉接、
號碼保密、多方通話及
接聽限制、視訊電話等
 資訊服務:
 簡訊、桌布及鈴聲下載、
行動電影、金融資訊、
休閒資訊、行動字典、
行動交友、行動點歌等
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7-3 無線數據網路
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無線數據網路
 無線數據網路的應用





網頁瀏覽
電子郵件
股票報價
數位電視
多媒體服務
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Source: http://www.tku.edu.tw
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無線網路與有線網路的差異
 無線網路
 空間上
 不再受限於實體的網路線路
 在網路通訊範圍可任意移動
 成本上
 節省了安裝、佈線、修補、遷移的費用
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常見的無線數據網路





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無線衛星網路
無線區域網路
無線感測網路
無線個人網路
無線射頻辨識系統
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7-3-1 無線衛星網路
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無線衛星網路
 無線衛星網路的原理
 利用衛星與衛星地面站傳輸
資料的網路架構
 藉由無線電波當作傳遞資料
的媒介。
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無線衛星網路的優點
 網路佈建成本較低
 穩定性高,不會受到會受到地震、颱風、海嘯等天
災的影響
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Source: http://www.epochtimes.com/b5/11/6/15/n3287111.htm
48
不同網路的比較表
不同網路下的特性比較表
有線網路
無線網路
衛星網路
通訊距離
╳
╳
○
通訊品質
○
╳
○
資料傳送容量
○
╳
○
網路佈建效率
╳
○
○
抵抗災害影響
╳
○
○
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Source: 衛星網管系統設計與應用研究, http://csie.npu.edu.tw:8080/%BE%C7%B3N%AC%E3%A8s/6/B/5.pdf
49
7-3-2 無線區域網路
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無線區域網路
 無線區域網路(Wireless Local Area Network,WLAN)
 主要概念是以無線方式連接電腦,進行資源分享
 以無線頻道作傳輸媒介的電腦區域網路
AP
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Source: http://www.gohappy.com.tw/shopping/Browse.do?op=vp&sid=2&cid=36675&pid=1318874
51
世界共通的免費頻段
 ISM頻段
 專門用於工業(Industrial)、科學(Scientific)與醫療研究
(Medical)使用
 不須經過申請許可證而可以免費使用
 900MHz、2.4GHz、5.7GHz
900 MHz
2.4 MHz
5.7 MHz
ISM免費頻段
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Source: 維基百科
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使用免費頻段的技術
 目前常見使用免費頻段的技術
 WiFi
 藍芽
 ZigBee
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無線區域網路的通訊模式
 基礎建設模式(Infrastructure Mode)
 隨建即連模式(Ad-Hoc Mode)
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基礎建設模式
 多個可攜式電腦透過一個網路存取器連接
基礎建設模式下,無線區域網路中的使用者皆可透過AP上網。
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使用基礎建設模式的環境
 公共區域的使用者
 捷運站、機場、醫院、賣場或餐飲店(麥當勞)
 有線區域網路架設受環境限制
 作為有線區域網路的備用系統
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Source: http://www.trtc.com.tw/ct.asp?xItem=5068823&ctNode=22278&mp=122031
Source: http://www.taoyuan-airport.com/chinese/Publish.jsp?cnid=1348
56
隨建即連模式
 多個可攜帶式設備(如筆記型電腦)透過點對點(peerto-peer,P2P)的方式進行通訊。
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隨建即連模式下,使用者之間無須AP即可連線
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隨建即連的特色




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不需要無線存取器
簡化網路的管理
具更高移動性
容易佈建
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使用隨建即連的環境
 個人區域網路
 家庭區域網路
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使用隨建即連的環境
 軍事用途
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Source: http://big5.cri.cn/gate/big5/gb.cri.cn/27824/2010/07/26/541s2933565.htm
Source: http://big5.china.com/gate/big5/game.china.com/onlinegame/jiong/11083938/20110513/16538622.html
60
使用隨建即連的環境
 緊急救災
 搜救行動
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Source: http://www.zhgpl.com/doc/1014/8/7/8/101487821.html?coluid=137&kindid=4930&docid=101487821
61
7-3-3 無線感測網路
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感測器與人類
 人要感知外界的訊息,必
須借助感覺器官
 人類沒有能力
 感知電磁場
 無色無味的氣體
 為達到上述目的,感測器
是必須的
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Source: http://www.chinaparent365.com/html/06/1106-20586.html
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何謂感測器
 感測器是一種能把物理量、化學量與生物量等轉變
成便於利用、辨識之電子訊號的器件。
 感測器體積雖小,但功能卻齊全,其硬體組成的部
份有如一個微小的電腦晶片。
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感測器組成
 感測器主要由四個基本部分所組成︰




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感測單元 (Sensing Unit)
處理單元 (Processing Unit)
無線傳輸單元 (Wireless Transmission Unit)
電力供應單元 (Power Unit)。
65
感測單元
 感測單元包含
 感測元件
 負責偵測環境 (溫度、濕度、壓力…)
 訊號轉換單元
 感測元件所收集到的資料乃使用類比訊號
 訊號轉換元件將類比訊號轉換成數位訊號
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處理單元
 處理單元包含
 儲存單元
 感測器將收集到的環境資訊
儲存在儲存元件中
 處理單元
 類似於個人電腦中的CPU
 負責執行事先置入之程式碼
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時間
溫度
是否超過
門檻值
10:30
30℃
否
10:40
31.5℃
否
10:50
32.2℃
否
11:00
32.3℃
否
11:10
32.8℃
否
67
無線傳輸單元
 感測器大多佈建在戶外空曠的環境,無
法以有線網路將其連結
 感測器內均含有無線傳輸的單元
 負責感測器之間的溝通
 負責感測器與無線資料收集器的通訊。
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電力供應單元
 由於感測器大多被佈建於戶外空曠的環境,無法以
插電的方式提供電源給感測器
 每個感測器中均會設計電力供應單元,一般而言,
感測器通常是以電池為其電力來源。
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感測元件的種類
超音波感測器
溫溼度感測器
三軸加速度感測器
顏色感測器
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Source: http://www.parallax.com/Store/Sensors/tabid/86/Default.aspx
GPS 接收器
紅外線動作感測器
70
感測元件的種類
電子羅盤
霍爾效應感測器
重力感測器
濕度感測器
薄膜震動感知器
非接觸導通感測器
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Source: http://www.parallax.com/Store/Sensors/tabid/86/Default.aspx
壓力感測器
聲音感測器
71
無線感測網路架構
 無線感測網路是由下述所組成
 無線資料收集器
 感測器節點
 感測器間的通訊方式則是採用無線
通訊技術
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無線感測網路
 感測器的設計目標
 省電, 價格低廉, 體積小
 並配備簡單的感測裝置、運算裝置、無線傳輸裝置
 感測裝置可針對環境中我們所感興趣的事物(如溫度、
光源等)做偵測的行為
 透過無線傳輸裝置,將資料回傳給資料收集器
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73
無線感測網路的應用
 在農業上
 在土壤中佈建溫溼度感測器,實作自動灑水系統。
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無線感測網路的應用
 在自然生態環境上
 提供遭受火災或化學污染的位置
CH07 無線網路
75
無線感測網路的應用
 國防軍事上
 國邊境監控,或是在人員、裝備及軍火上加裝感測器以
供識別
電子羅盤
紅外線動作
感測器
三軸加速度
感測器
GPS 接收器
顏色感測器
超音波感測器
CH07 無線網路
Source: http://paulmcleary.typepad.com/paul_mcleary/2009/07/technology-push-thats-really-waiting-for-a-requirements-pull.html
76
無線感測網路的應用
 醫療領域上
 監測人體各項健康數據及各項行為的目的
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無線感測網路的應用
 在娛樂方面上
 任天堂公司所研發之Wii遊戲主機
 透過三軸加速度感測器偵測遊戲手把的移動
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Source: http://www.nintendo.tw/
78
無線感測網路的應用
 在公共建設上
 可應用於橋樑安全監控,利用感測器監視橋樑、高架橋、高速公
路等道路環境,感測橋墩結構是否遭到破壞。
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無線感測網路的應用
 居家自動化及控制




安全系統
燈控系統
遠端控制系統
環境感測系統
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Source: http://focus.ti.com/analog/docs/gencontent.tsp?familyId=367&genContentId=24190
80
物聯網與感測器
 物聯網(The Internet of Things,IOT)
 將感測器裝備於各種真實物體
 通過網際網路聯接起來
 經過介面與無線網路相連,實現使用者與各物體之間的溝通操作。
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7-3-4 無線個人網路
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82
無線個人網路-藍芽
 藍芽起源
 1994年易利信成立的一個專案
 易利信公司於1998年進一步與Nokia、
Intel、IBM 以及Toshiba等廠商,共同
組成「藍芽同好協會」
 藍芽名稱
 10世紀挪威之一國之君的名字-維京
國王哈拉德藍芽(Harald Bluetooth)
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藍芽的應用
藍芽耳機
藍芽手錶
藍芽滑鼠
藍芽安全帽
藍芽雨傘
藍芽揚聲器
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Source: 耳機(Motorola HT820)、手錶(Citizen VIRT W700)、藍芽雨傘(http://keepraining09.blogspot.com/2009/04/blog-post_28.html)
藍芽滑鼠(Logitech V470)、藍芽安全帽(Motorola Burton RED Tantrum G1 Bluetooth)、藍芽揚聲器(Jawbone JAMBOX)
84
藍芽技術
 藍芽系統可由下述裝置組成一個小型的網路(Piconet)
 一台主控端
 最多七台受控端
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藍芽優勢
 藍芽優勢
 資料傳送安全度高
 耗電量低
 藍芽耳機可讓使用者遠離手機,減少手機電磁波
的傷害
 藍芽傳輸甚至可無視牆壁、口袋、或公事包的存
在而順利進行
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藍芽技術分類
 目前藍芽技術大致上可分為四大版本
 藍芽1.0版本最高傳輸速率為1Mbps左右
 藍芽2.0版本最高傳輸速率可達3Mbps左右
 藍芽3.0及4.0版本最高傳輸速率均可達24Mbps左右
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7-3-5 無線射頻識別系統
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無線射頻辨識系統簡介
 無線射頻辨識系統(RFID)
 採用射頻訊號以無線方式
傳送數碼資料
 識別卡不必與讀卡機接觸
就能讀寫數碼資料
 免除現代人經常要從數張
卡片中,找尋特定卡片的
煩惱。
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Source: http://www.sheeee.com/sheeee/43/n-418043.html
89
RFID技術
 RFID是一種透過無線射
頻方式自動辨識物件的
技術
 電子標籤(Tag)
 讀取器(Reader)
RFID Tag
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Source: http://darrenosborne.com/2011/04/22/tech-know-rfid-tags/
Source: http://www.barcodesinc.com/symbol/mc9000rfid-zoom.htm
RFID Reader
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RFID電子標籤
 RFID電子標籤
 被動式
 沒有提供電源,其電源由讀取器透過無線射頻讀取電子標
籤內之資訊時產生的電磁場供應。
 主動式
 由內建電池供應電源,並在感應到讀取器讀取資料時,將
資料傳送給讀取器。
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RFID電子標籤
 主動式與被動式電子標籤比較表
主動式標籤
被動式標籤
優點
缺點
優點
缺點
讀取距離較長
尺寸較大
尺寸較小
讀取距離較短
可重複讀寫
較貴
較便宜
大部份為唯讀
資料來源:資策會創研所
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RFID電子標籤
 RFID電子標籤與條碼標籤之優缺點比較
功能
RFID電子標籤
條碼標籤
讀取數量
可同時讀取多個標籤
一次只能讀取一個標籤
遠距讀取
無需光線即可讀取或更新
讀取條碼時需要光線
資料容量
儲存的資料容量大
儲存的資料容量小
讀寫能力
電子資料可反覆被覆寫
條碼資料不可更新
讀取便利性
讀取標籤時,即使標籤與讀取器間有障礙物,依
然可以順利讀取
讀取條碼時,條碼與讀取器間不
可有障礙物
高速讀取
可進行高速移動讀取
移動中讀取有所限制
堅固性
在嚴酷、惡劣與骯髒的環境下依然可讀取資料
當條碼汙穢或損壞時將無法讀取,
即無耐久性
資料來源:工研院
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RFID的應用
門禁系統
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Source: http://140.124.77.80/rfid_lab/images/stories/stock_check/1.JPG
Source: http://www.eprice.com.hk/mobile/news/4882/1/
電子錢包
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RFID的應用
悠遊卡聯合票證
防竊(盜)應用方面
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Source: http://2.bp.blogspot.com/-00rkr8_fUo8/TmTEu8p_XWI/AAAAAAAAAqE/DBrO7A-IFyU/s1600/EM500.jpg
Source: http://www.bis.com.tw/web/productdetail?ID=32
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RFID的應用
 物流應用
感測器 (溫度、濕度、加速度、RFID)
Internet
Perishable goods
控制中心
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RFID的應用
 智慧運輸
中央控制系統
RFID tag
RFID reader
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RFID的優勢
 RFID技術優勢
 高速移動物體識別
 多目標辨識
 非接觸識別
 具有巨大的發展潛力與應用空間,亦被認為是21世
紀最有發展前途的資訊技術之一。
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7-4 無線網路的整合運用
與未來趨勢
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無線網路的整合運用
 無線通訊的應用現已普遍存在於每個人的生活中
紅外線(IrDa)
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無線網路的未來趨勢
 無線電信網路及數據網路
 提供了多種不同的通訊距離與傳輸速率
 這兩種網路正積極地整合
 在不久的未來
 使用者將可透過雙網手機進行語音及視訊服務
 享有無線電信網路的高移動性
 享有無線數據網路的高速傳輸與價格低廉
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無線網路的未來趨勢
 現有的無線通訊需求,將走向
 模組多元化、資料數位化、多媒體支援、以及無邊際
地漫遊
 通訊設備的多元化與個人化
 整合不同性質的網路通訊系統
RFID
IrDa
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4G
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