無線傳感技術(shù)在自動化的廣泛應(yīng)用

 針對公共設(shè)施壽命、氣候環(huán)境監(jiān)測，以及大型廠房╱倉庫等廣大區(qū)域，布設(shè)無線傳感器形成無線感測網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)成為發(fā)展趨勢。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年的免換電池的長期運(yùn)作壽命要求下，從采用的低功耗的MCU、無線通信技術(shù)以至于能源采集(Energy Harvesting)技術(shù)，都是這個無線感測網(wǎng)絡(luò)可長可久的關(guān)鍵...

無線感測網(wǎng)絡(luò)廣泛用于公共設(shè)施、環(huán)境等監(jiān)測

無線傳感器技術(shù)為環(huán)境感測╱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)

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

感測技術(shù)位于自動化領(lǐng)域架構(gòu)的第一層。而無線傳感器(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，無須拉線就能大量的布設(shè);當(dāng)感測節(jié)點(diǎn)(Sensor Node)感應(yīng)到周遭光線、溫度、濕度、壓力、磁力、振動、電流等變化，將這些量測變化經(jīng)由無線方式透過中繼站或直接回傳到中央控制服務(wù)器。整個感測區(qū)域可能有幾十個、數(shù)百個甚至上千個無線感測點(diǎn)，形成一個廣大的無線感測網(wǎng)(Wireless Sensor Network, WSN)。于2013年底正式營運(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)過全國高速公路的ETC感應(yīng)門架的一種無線感測的應(yīng)用實(shí)例。

而在企業(yè)、大型廠房╱倉儲的工業(yè)控制應(yīng)用，像是廠房的機(jī)臺設(shè)備設(shè)置溫度、電壓、馬達(dá)轉(zhuǎn)速等監(jiān)控點(diǎn)，一定時間間隔內(nèi)僅傳輸幾十個bytes到控制面板，就可有效掌握機(jī)臺設(shè)備的狀況。布設(shè)無線傳感器，可以簡化布線程序并有效降低整個感測網(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)所開發(fā)的各種感測組件，可以做到體積纖細(xì)小巧且成本低廉，也開啟了無線感知技術(shù)應(yīng)用無限的可能性。從早期任天堂Wii的體感控制，筆記本電腦硬盤振動偵測的防護(hù)，到從你我手中的智能型手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)的加速感測儀(Accelerometer)、陀螺儀(Gyrometer)等的應(yīng)用可見一斑。

近年來，海內(nèi)外研究單位投注許多資源，開發(fā)無線感測網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用服務(wù)，涵蓋了商業(yè)、娛樂、軍事、醫(yī)療、教育等方面。

無線感測技術(shù)低功耗超長效供電為關(guān)鍵

一個無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，或者是采用太陽能、壓電開關(guān)(Piezo Switch)，或可借助環(huán)境磁力、無線電波產(chǎn)生電源的環(huán)境能源采集(Energy Harvesting)的設(shè)計(jì)。3. 一到多個感測單元，像是包含光線、溫度、濕度、壓力、磁力、振動、電流等的變化。通常會采用MEMS微機(jī)電感測組件。4. 無線射頻單元(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)中低速率無線傳輸技術(shù)的RF芯片，傳送少量量測數(shù)據(jù)封包后即刻關(guān)閉以節(jié)省電力;傳遞到無線感測中繼站(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。

由于無線傳感器最大成本為CPU/MCU與RF射頻單元，有無線傳感器業(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)所布置的無線感測點(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能、壓電開關(guān)、磁力、振動，甚至擷取環(huán)境無線訊號的方式就能產(chǎn)生微弱的電力，使整個無線傳感器能運(yùn)作。依IDTechEx預(yù)測，具備環(huán)境擷電的感測設(shè)備數(shù)量，到2019年將達(dá)到100億，是2009年5億部的20倍。

若每個無線感測節(jié)點(diǎn)一有風(fēng)吹草動就頻頻上傳量測訊號，龐大的量測數(shù)據(jù)上傳會造成整個無線感測網(wǎng)的帶寬與能源的消耗。區(qū)域自主運(yùn)算(Local Processing)成為是新一代無線傳感器的設(shè)計(jì)新趨勢。平時無線傳感器MCU與RF處于睡眠節(jié)能模式，一有量測訊號出現(xiàn)時先開啟MCU，做好數(shù)據(jù)簡易判斷確認(rèn)后，快速開啟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)程無線方式傳送韌體數(shù)據(jù)，對廣大的傳感器的韌體進(jìn)行更新作業(yè)。

同時是否選擇產(chǎn)業(yè)界開放標(biāo)準(zhǔn)的MCU，具備豐富多元化的第三方軟硬件開發(fā)工具包與軟件開發(fā)工具，使得開發(fā)無線感測的創(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，同時能與各種溫度、濕度、環(huán)境光源、動作偵測器、開關(guān)門偵測、定位偵測、化學(xué)合成、煙霧偵測器等做介接。其無線傳感器在內(nèi)建鋰電池在無陽光下可供電數(shù)十小時，外搭太陽能光電板，則僅需3~5小時一般日照就能充電完成;若搭配壓電、振動或其它環(huán)境擷電的方式，輔以長效鋰電池，幾乎10~20年內(nèi)無須更換電池。

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首度公開僅一張SD卡大小的雙核計(jì)算機(jī)平臺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)、無線感測與穿戴式設(shè)備商機(jī)，并舉辦總獎額130萬美元的開發(fā)應(yīng)用獎，來吸引開發(fā)者的創(chuàng)意應(yīng)用。

無線感測導(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，以及電動窗簾自動啟閉，恩智浦(NXP)發(fā)表應(yīng)用壓電原理(Piezo)的無線切換開關(guān)，按下開關(guān)就能產(chǎn)成電力驅(qū)動內(nèi)部的射頻芯片，傳輸訊號到支持ZigBee的無線LED燈具上。

無線感測技術(shù)也進(jìn)一步深入家庭╱辦公室自動化的應(yīng)用。藉由布建各種溫度、光源、壓力的無線傳感器，以及無線ZigBee的開關(guān)控制，透過云端方式，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、冷氣等的自動化應(yīng)用。目前已有像是遠(yuǎn)雄建設(shè)的二代宅、林口未來市，以及淡海新市鎮(zhèn)的建案，都采用一些采用無線ZigBee可云端控制的家電自動化控制方案。

長庚大學(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)動資料的收集。規(guī)劃出適合于他的運(yùn)動器材以及運(yùn)動模式，透過具備無線感測網(wǎng)絡(luò)(WSN)的健身器材做鏈接，讓健身器材會偵測、建議選用何種什么模式來運(yùn)動，以及告知運(yùn)動量。同時他們于2008年開發(fā)出整合心電圖訊號(ECG)、呼吸、體液、溫度與移動加速度等感測功能的智能衣，可做到24小時隨時隨地監(jiān)控記錄，并透過手機(jī)或計(jì)算機(jī)瀏覽記錄。下個目標(biāo)則是與ICT業(yè)界合作，將各種無線感測技術(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)，再從機(jī)構(gòu)再跨到一般小區(qū)的居家照護(hù)。