無(wú)線傳感技術(shù)在自動(dòng)化的廣泛應(yīng)用

 針對(duì)公共設(shè)施壽命、氣候環(huán)境監(jiān)測(cè)，以及大型廠房╱倉(cāng)庫(kù)等廣大區(qū)域，布設(shè)無(wú)線傳感器形成無(wú)線感測(cè)網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)成為發(fā)展趨勢(shì)。其成敗在于傳感器成本、布設(shè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量多寡╱密度，以及至少3~20年的免換電池的長(zhǎng)期運(yùn)作壽命要求下，從采用的低功耗的MCU、無(wú)線通信技術(shù)以至于能源采集(Energy Harvesting)技術(shù)，都是這個(gè)無(wú)線感測(cè)網(wǎng)絡(luò)可長(zhǎng)可久的關(guān)鍵...

無(wú)線感測(cè)網(wǎng)絡(luò)廣泛用于公共設(shè)施、環(huán)境等監(jiān)測(cè)

無(wú)線傳感器技術(shù)為環(huán)境感測(cè)╱智能控制布下天羅地網(wǎng)

各CPU/MCU廠紛紛推出超低功耗MCU搶占龐大IoT/WSN/穿戴式設(shè)備商機(jī)(SiliconLab/Intel)

無(wú)線感測(cè)技術(shù)將融入各種智能穿戴式設(shè)備，達(dá)成健身、遠(yuǎn)程檢測(cè)╱居家看護(hù)的應(yīng)用(Absolute Blog)

感測(cè)技術(shù)位于自動(dòng)化領(lǐng)域架構(gòu)的第一層。而無(wú)線傳感器(Wireless Sensor)可以在難以接觸維修的公共設(shè)施(如高架道路╱橋梁)，或山坡地、森林、海洋、湖泊等環(huán)境下，無(wú)須拉線就能大量的布設(shè);當(dāng)感測(cè)節(jié)點(diǎn)(Sensor Node)感應(yīng)到周遭光線、溫度、濕度、壓力、磁力、振動(dòng)、電流等變化，將這些量測(cè)變化經(jīng)由無(wú)線方式透過(guò)中繼站或直接回傳到中央控制服務(wù)器。整個(gè)感測(cè)區(qū)域可能有幾十個(gè)、數(shù)百個(gè)甚至上千個(gè)無(wú)線感測(cè)點(diǎn)，形成一個(gè)廣大的無(wú)線感測(cè)網(wǎng)(Wireless Sensor Network, WSN)。于2013年底正式營(yíng)運(yùn)的eTag電子收費(fèi)，正是一種由每部車輛貼上eTag RFID標(biāo)簽，通行經(jīng)過(guò)全國(guó)高速公路的ETC感應(yīng)門架的一種無(wú)線感測(cè)的應(yīng)用實(shí)例。

而在企業(yè)、大型廠房╱倉(cāng)儲(chǔ)的工業(yè)控制應(yīng)用，像是廠房的機(jī)臺(tái)設(shè)備設(shè)置溫度、電壓、馬達(dá)轉(zhuǎn)速等監(jiān)控點(diǎn)，一定時(shí)間間隔內(nèi)僅傳輸幾十個(gè)bytes到控制面板，就可有效掌握機(jī)臺(tái)設(shè)備的狀況。布設(shè)無(wú)線傳感器，可以簡(jiǎn)化布線程序并有效降低整個(gè)感測(cè)網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)與管理成本。至于在智慧居家控制上，藉由MEMS微機(jī)電技術(shù)所開(kāi)發(fā)的各種感測(cè)組件，可以做到體積纖細(xì)小巧且成本低廉，也開(kāi)啟了無(wú)線感知技術(shù)應(yīng)用無(wú)限的可能性。從早期任天堂Wii的體感控制，筆記本電腦硬盤振動(dòng)偵測(cè)的防護(hù)，到從你我手中的智能型手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)的加速感測(cè)儀(Accelerometer)、陀螺儀(Gyrometer)等的應(yīng)用可見(jiàn)一斑。

近年來(lái)，海內(nèi)外研究單位投注許多資源，開(kāi)發(fā)無(wú)線感測(cè)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用服務(wù)，涵蓋了商業(yè)、娛樂(lè)、軍事、醫(yī)療、教育等方面。

無(wú)線感測(cè)技術(shù)低功耗超長(zhǎng)效供電為關(guān)鍵

一個(gè)無(wú)線傳感器在硬件架構(gòu)上，包含了：1. MCU微控制器，通常內(nèi)嵌韌體，負(fù)責(zé)執(zhí)行感測(cè)數(shù)據(jù)采集與運(yùn)算。2. 電力供應(yīng)單元，像是鋰電池，或者是采用太陽(yáng)能、壓電開(kāi)關(guān)(Piezo Switch)，或可借助環(huán)境磁力、無(wú)線電波產(chǎn)生電源的環(huán)境能源采集(Energy Harvesting)的設(shè)計(jì)。3. 一到多個(gè)感測(cè)單元，像是包含光線、溫度、濕度、壓力、磁力、振動(dòng)、電流等的變化。通常會(huì)采用MEMS微機(jī)電感測(cè)組件。4. 無(wú)線射頻單元(RF Transceiver)，通常應(yīng)用到像是RFID，或其它支持低功耗的ZigBee、藍(lán)牙(Bluetooth)中低速率無(wú)線傳輸技術(shù)的RF芯片，傳送少量量測(cè)數(shù)據(jù)封包后即刻關(guān)閉以節(jié)省電力;傳遞到無(wú)線感測(cè)中繼站(Hub)匯集后，才轉(zhuǎn)以較高速率的Wi-Fi 802.11a/b/g/n或3G/3.5G方式傳送到中央服務(wù)器。

由于無(wú)線傳感器最大成本為CPU/MCU與RF射頻單元，有無(wú)線傳感器業(yè)者藉由先進(jìn)半導(dǎo)體與封裝制程MCP甚至SoC方式加整合、密集化。目前無(wú)線傳感器的體積可以做到僅一枚硬幣大小，而具備802.11a/b/g/n Wi-Fi無(wú)線中繼傳輸節(jié)點(diǎn)，差不多跟一只隨身碟、口香糖的大小相當(dāng)。

其次，像是火山口、酷寒地帶、湖泊或高架道路橋梁等地，由于比較難以接觸且維護(hù)上比較不容易，為了降低安裝與頻頻更換電池的維護(hù)成本，在這些地點(diǎn)所布置的無(wú)線感測(cè)點(diǎn)，規(guī)格上被要求僅以電池就能運(yùn)作3~20年，甚至要具備環(huán)境能源采集(Energy Harvesting)能力，也就是可以利用太陽(yáng)能、壓電開(kāi)關(guān)、磁力、振動(dòng)，甚至擷取環(huán)境無(wú)線訊號(hào)的方式就能產(chǎn)生微弱的電力，使整個(gè)無(wú)線傳感器能運(yùn)作。依IDTechEx預(yù)測(cè)，具備環(huán)境擷電的感測(cè)設(shè)備數(shù)量，到2019年將達(dá)到100億，是2009年5億部的20倍。

若每個(gè)無(wú)線感測(cè)節(jié)點(diǎn)一有風(fēng)吹草動(dòng)就頻頻上傳量測(cè)訊號(hào)，龐大的量測(cè)數(shù)據(jù)上傳會(huì)造成整個(gè)無(wú)線感測(cè)網(wǎng)的帶寬與能源的消耗。區(qū)域自主運(yùn)算(Local Processing)成為是新一代無(wú)線傳感器的設(shè)計(jì)新趨勢(shì)。平時(shí)無(wú)線傳感器MCU與RF處于睡眠節(jié)能模式，一有量測(cè)訊號(hào)出現(xiàn)時(shí)先開(kāi)啟MCU，做好數(shù)據(jù)簡(jiǎn)易判斷確認(rèn)后，快速開(kāi)啟RF單元傳送數(shù)據(jù)后關(guān)閉RF與MCU，重返節(jié)能模式。另外韌體空中更新(Over-The Air, OTA)的設(shè)計(jì)，方便日后藉由遠(yuǎn)程無(wú)線方式傳送韌體數(shù)據(jù)，對(duì)廣大的傳感器的韌體進(jìn)行更新作業(yè)。

同時(shí)是否選擇產(chǎn)業(yè)界開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的MCU，具備豐富多元化的第三方軟硬件開(kāi)發(fā)工具包與軟件開(kāi)發(fā)工具，使得開(kāi)發(fā)無(wú)線感測(cè)的創(chuàng)意應(yīng)用不受到任何限制。像芯科(Silicon Labs)從早期選擇8051單芯片，到近年改用安謀(ARM)的Cortex M0/M0+架構(gòu)的EFM32 Zero Gecko，做為Wireless Sensor MCU，同時(shí)能與各種溫度、濕度、環(huán)境光源、動(dòng)作偵測(cè)器、開(kāi)關(guān)門偵測(cè)、定位偵測(cè)、化學(xué)合成、煙霧偵測(cè)器等做介接。其無(wú)線傳感器在內(nèi)建鋰電池在無(wú)陽(yáng)光下可供電數(shù)十小時(shí)，外搭太陽(yáng)能光電板，則僅需3~5小時(shí)一般日照就能充電完成;若搭配壓電、振動(dòng)或其它環(huán)境擷電的方式，輔以長(zhǎng)效鋰電池，幾乎10~20年內(nèi)無(wú)須更換電池。

英特爾(Intel)基于x86架構(gòu)下，重新打造22nm制程、400MHz的Quark處理器，在CES 2014首度公開(kāi)僅一張SD卡大小的雙核計(jì)算機(jī)平臺(tái)Edison，內(nèi)建Wi-Fi與藍(lán)牙射頻模塊，目前瞄準(zhǔn)于搶占物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線感測(cè)與穿戴式設(shè)備商機(jī)，并舉辦總獎(jiǎng)?lì)~130萬(wàn)美元的開(kāi)發(fā)應(yīng)用獎(jiǎng)，來(lái)吸引開(kāi)發(fā)者的創(chuàng)意應(yīng)用。

無(wú)線感測(cè)導(dǎo)入居家控制與穿戴式設(shè)備

從早期煙霧傳感器、瓦斯傳感器、玻璃窗被入侵傳感器等應(yīng)用，到近期像早期的到近期LED燈具的環(huán)境╱情景設(shè)定、光源亮度設(shè)定，以及電動(dòng)窗簾自動(dòng)啟閉，恩智浦(NXP)發(fā)表應(yīng)用壓電原理(Piezo)的無(wú)線切換開(kāi)關(guān)，按下開(kāi)關(guān)就能產(chǎn)成電力驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的射頻芯片，傳輸訊號(hào)到支持ZigBee的無(wú)線LED燈具上。

無(wú)線感測(cè)技術(shù)也進(jìn)一步深入家庭╱辦公室自動(dòng)化的應(yīng)用。藉由布建各種溫度、光源、壓力的無(wú)線傳感器，以及無(wú)線ZigBee的開(kāi)關(guān)控制，透過(guò)云端方式，由用戶藉由手機(jī)、平板的方式進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)一步達(dá)成像燈光、窗簾、冷氣等的自動(dòng)化應(yīng)用。目前已有像是遠(yuǎn)雄建設(shè)的二代宅、林口未來(lái)市，以及淡海新市鎮(zhèn)的建案，都采用一些采用無(wú)線ZigBee可云端控制的家電自動(dòng)化控制方案。

長(zhǎng)庚大學(xué)跟體育大學(xué)、健身中心進(jìn)行老年人生理參數(shù)與運(yùn)動(dòng)資料的收集。規(guī)劃出適合于他的運(yùn)動(dòng)器材以及運(yùn)動(dòng)模式，透過(guò)具備無(wú)線感測(cè)網(wǎng)絡(luò)(WSN)的健身器材做鏈接，讓健身器材會(huì)偵測(cè)、建議選用何種什么模式來(lái)運(yùn)動(dòng)，以及告知運(yùn)動(dòng)量。同時(shí)他們于2008年開(kāi)發(fā)出整合心電圖訊號(hào)(ECG)、呼吸、體液、溫度與移動(dòng)加速度等感測(cè)功能的智能衣，可做到24小時(shí)隨時(shí)隨地監(jiān)控記錄，并透過(guò)手機(jī)或計(jì)算機(jī)瀏覽記錄。下個(gè)目標(biāo)則是與ICT業(yè)界合作，將各種無(wú)線感測(cè)技術(shù)，導(dǎo)入并整合到各種附著于身上(On Body)的穿戴式設(shè)備，使目前的醫(yī)療照護(hù)，可從醫(yī)院延伸到老人機(jī)構(gòu)，再?gòu)臋C(jī)構(gòu)再跨到一般小區(qū)的居家照護(hù)。