物聯(lián)網(wǎng)時時刻刻都聯(lián)機 電力如何供給？

物物聯(lián)網(wǎng)，電力如何供給成為技術(shù)上必須解決的重大問題。

2012年，德國在漢諾威自動化展以“第四次工業(yè)革命”為題，啟動“工業(yè)4.0(Industry 4.0)”計劃，提倡物與服務(wù)串連(Internet of Things and Services)，認為在M2M的運作架構(gòu)下，建構(gòu)生產(chǎn)自動化與IT化，并透過這些技術(shù)讓生產(chǎn)模式由批次量產(chǎn)轉(zhuǎn)向接單后生產(chǎn)，落實智能生產(chǎn)(Smart Production)、綠色生產(chǎn)(Green Production)、都市生產(chǎn)(Urban Production)。這些完全不同的思維，可以說是物聯(lián)網(wǎng)落實的基本想象。

同樣的M2M系統(tǒng)進入其他領(lǐng)域，也同時改變了各種產(chǎn)業(yè)的不同發(fā)展。進入交通系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)影響了智能交通的思維，建構(gòu)了更完整的ITS系統(tǒng);而進入居家領(lǐng)域，物與物的通聯(lián)也造就了智能建筑乃至于智能家居的想象。簡單來說，因為物與物通聯(lián)，生活的所有層面都跟著智能化了。

MWC展會也可以見到物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。MWC 展會可以看到不少關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用展示，可見大家對于物聯(lián)網(wǎng)的確產(chǎn)生不少想象;不過雖然物聯(lián)網(wǎng)的概念早已提出，但目前仍處于初期發(fā)展階段，主要基于目前各個廠商對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用仍處于試水溫階段，加上包括數(shù)據(jù)或裝置互動所采用連接規(guī)范也尚未全面標準化，以及對應(yīng)海量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)帶寬與背后數(shù)據(jù)分析應(yīng)用都還在發(fā)展調(diào)整。此外，消費者對于此類應(yīng)用也尚未全面適應(yīng)，因此許多現(xiàn)行多只是概念性應(yīng)用的提出，或是較為淺層的使用模式。

“通”“電”大問題

但深究物聯(lián)網(wǎng)的特性，你會發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)要有效地推動，有兩個最基礎(chǔ)的元素必須克服。

首先，是通訊的充分被利用。因為物物如果需要相連，通訊系統(tǒng)的完整性必須建構(gòu)，尤其是涉及安全的實時監(jiān)控系統(tǒng)，對于通訊的要求必須非常重視。隨著網(wǎng)絡(luò)普及化發(fā)展，傳統(tǒng)應(yīng)用在現(xiàn)場的設(shè)備，漸漸產(chǎn)生串連網(wǎng)絡(luò)的需求，連帶促成工業(yè)級通訊市場的高成長，也由于現(xiàn)代設(shè)備整合需求日益龐大，“通訊”成為系統(tǒng)自動化及智能化的重要項目。

另一部分，則是供電的需求。各類設(shè)備、裝置散布在應(yīng)用場域里，如何維持穩(wěn)定的供電是一件難事，除了透過再生能源讓裝置或設(shè)備“自給自足”外，透過整合工業(yè)通訊架構(gòu)進行供電，也是另一種選擇。傳統(tǒng)工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)多為封閉架構(gòu)，在1990年代，透過控制技術(shù)功能性提升，以及滿足分布式控制的需求，工業(yè)通訊因而快速發(fā)展，各種通訊技術(shù)如雨后春筍般冒出，像是Profibus、DeviceNet、CANopen、FieldbusFundation或HSE等接口，技術(shù)相互競逐的態(tài)勢也愈發(fā)明顯。

但這些接口彼此間無法兼容也提升了整合難度，因此原本用于商業(yè)環(huán)境中的以太網(wǎng)絡(luò)，在解決設(shè)備對設(shè)備間通訊問題后，挾開放、兼容優(yōu)勢進軍工用市場，同時帶動了相關(guān)連網(wǎng)設(shè)備的需求興起，包括主動式I/O服務(wù)器、嵌入式工業(yè)通訊計算機、交換器、串行設(shè)備連網(wǎng)服務(wù)器等，都是工業(yè)用以太網(wǎng)絡(luò)通訊里的熱門產(chǎn)品;而這些設(shè)備，透過以太網(wǎng)絡(luò)進行系統(tǒng)的供電，當(dāng)然是最佳的選擇。

PoE方案崛起 整合信息與電力傳輸

由于透過以太網(wǎng)獲得供電的電子設(shè)備無需額外電源插座就能直接使用，且系統(tǒng)整體成本較低，因此PoE(Power over Ethernet)解決方案在市場上迅速崛起，受歡迎程度與日俱增。嚴謹來說，PoE是使用者可根據(jù)IEEE802.3af協(xié)議，利用標準的以太網(wǎng)絡(luò)纜線來傳送電力。意思就是同時使用一條以太網(wǎng)絡(luò)連接線，來傳送數(shù)據(jù)以及直流電源。所以可以說，PoE技術(shù)就是針對具有10Mbps至1Gbps傳輸能力的以太網(wǎng)絡(luò)對絞線，賦予電力供給機能的一門技術(shù)。

依據(jù)IEEE 802.3af協(xié)議，能夠送電的最長距離可以達100米之遙，完全可以不受限于AC電源的設(shè)置場所，所以包括網(wǎng)絡(luò)照相機、遠程感應(yīng)的移動探測器，都是可以使用的設(shè)備。另外，采用PoE技術(shù)的電子設(shè)備不但易于管理，且具備了遠程通電/斷電能力，這讓物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，更是如虎添翼。此外，系統(tǒng)規(guī)劃者也可使用PoE交換器搭配UPS，來集中管理多臺遠程設(shè)備的電源供應(yīng)，即使遇到大風(fēng)、下大雨或人為因素以及遭遇停電的時候，也犯不著去擔(dān)心遠程設(shè)備電力、通訊的中斷等問題。

微型電力采集 邁向自給自足

除了PoE技術(shù)外，微型電力采集技術(shù)也是不可忽視的方向。近幾年來，能量采集的技術(shù)研發(fā)方向，大都是向裝置微型化靠攏，尤其隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的興起，穿戴式及隨身保健醫(yī)療的商品都急欲擺脫電池供電的束縛，已促使有越來越多的研究單位與公司，有興趣和動力去開發(fā)更有效率、更微型的能量采集芯片。

其實人類很早就在發(fā)展“能量采集”的相關(guān)技術(shù)。在古早時代，人們就知道利用自然環(huán)境中最易取得的風(fēng)力及水力來帶動器械的運轉(zhuǎn)，現(xiàn)在我們?nèi)栽谘赜眠@些能量采集及能量轉(zhuǎn)換的技術(shù)，差別只在于是以更有效率的方式，更大規(guī)模地將水力、風(fēng)力、太陽能等轉(zhuǎn)換成可供人們方便使用的電能。

簡單來說，能量采集有一個基本的觀點，它隱含有二個重要的優(yōu)點，一是“本質(zhì)上不會消耗能源”，二是“對環(huán)境不會造成負面影響”。因此，在最佳狀態(tài)向，透過這種方式，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以形成一個類似于“永動機“的狀態(tài)。

簡單來說，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，一般可以采集的微量能量來源，包括振動能(Vibration/Motion)、溫差能(Temperature Difference)、光能(Light)，以及功率只達光能百分之一的射頻(Radio Frequency;RF)。其中又以振動能較不受環(huán)境溫度及光照因素的影響而受到矚目。

振動能轉(zhuǎn)換成電能，依其發(fā)電原理又可分為：電磁感應(yīng)型(Electromagnetic)、靜電型(Electrostatic)、磁致伸縮型(Magnetostrictive)及壓電型(Piezoelectric);而因為壓電型發(fā)電是利用外在環(huán)境的振動力使壓電材料變形，因此改變了壓電材料的電場，進而產(chǎn)生電流，因此具有較高的力電耦合效應(yīng)，再加上可以用微機電(MEMS)制程達到裝置微型化的目的，符合輕薄短小的需求趨勢，因此壓電型已成為振動型能量采集技術(shù)研發(fā)的主流之一。

在實例應(yīng)用方面，如移動中的車輛必定產(chǎn)生振動能，利用能量采集技術(shù)從輪胎的震動中提取電能，再直接供電給輪胎上的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)芯片，即可大幅減少更換電池的次數(shù);或者又如發(fā)電鞋，邊走邊發(fā)電，雖然目前的設(shè)計所產(chǎn)生的電量，仍不足以充飽一支手機，但做為緊急或臨時電源之用，算是蠻實用的應(yīng)用，類似裝置應(yīng)用在工業(yè)或居家系統(tǒng)領(lǐng)域，可能可以產(chǎn)生更多不同的想象。

當(dāng)然能量會損耗的，但整合了電力采集技術(shù)與PoE架構(gòu)，物聯(lián)網(wǎng)處于“隨時可動”的狀態(tài)，其實并不困難。