物聯網、無線感測技術與自動化方面的應用

2014-03-03 來源:DIGITIMES 我要評論(0) 字號:

針對公共設施壽命、氣候環境監測,以及大型廠房╱倉庫等廣大區域,布設無線傳感器形成無線感測網絡(Wireless Sensor Networks, WSN)成為發展趨勢。其成敗在于傳感器成本、布設節點的數量多寡╱密度,以及至少3~20年的免換電池的長期運行壽命要求下,從采用的低功耗的MCU、無線通訊技術以至于能源采集(Energy Harvesting)技術,都是這個無線感測網絡可長可久的關鍵...

無線傳感器技術為環境感測╱智能控制布下天羅地網

感測技術位于自動化領域架構的第一層

而無線傳感器(Wireless Sensor)可以在難以接觸維修的公共設施(如高架道路╱橋梁),或山坡地、森林、海洋、湖泊等環境下,無須拉線就能大量的布設;當感測節點(Sensor Node)感應到周遭光線、溫度、濕度、壓力、磁力、振動、電流等變化,將這些量測變化經由無線方式透過中繼站或直接回傳到中央控制服務器。整個感測區域可能有幾十個、數百個甚至上千個無線感測點,形成一個廣大的無線感測網(Wireless Sensor Network, WSN)。于2013年底正式營運的eTag電子收費,正是一種由每部車輛貼上eTag RFID卷標,通行經過全國高速公路的eTag感應門架的一種無線感測的應用實例。

無線感測網絡廣泛用于公共設施、環境等監測(NICS)

而在企業、大型廠房╱倉儲的工業控制應用,象是廠房的機臺設備設置溫度、電壓、馬達轉速等監控點,一定時間間隔內僅傳輸幾十個bytes到控制面板,就可有效掌握機臺設備的狀況。布設無線傳感器,可以簡化布線程序并有效降低整個感測網絡的布設與管理成本。至于在智能居家控制上,藉由MEMS微機電技術所開發的各種感測元件,可以做到體積纖細小巧且成本低廉,也開啟了無線感知技術應用無限的可能性。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,到從你我手中的智能型手機、平板計算機的加速感測儀(Accelerometer)、陀螺儀(Gyrometer)等的應用可見一斑。

各CPU/MCU廠紛紛推出超低功耗MCU搶占龐大IoT/WSN/穿戴式裝置商機(SiliconLab/Intel)

近年來,國內外研究單位投注許多資源,開發無線感測網絡的應用服務,涵蓋了商業、娛樂、軍事、醫療、教育等方面。

無線感測技術低功耗超長效供電為關鍵

一個無線傳感器在硬件架構上,包含了:1. MCU微控制器,通常內嵌韌體,負責執行感測數據采集與運算。2. 電力供應單元,象是鋰電池,或者是采用太陽能、壓電開關(Piezo Switch),或可借助環境磁力、無線電波產生電源的環境能源采集(Energy Harvesting)的設計。3. 一到多個感測單元,象是包含光線、溫度、濕度、壓力、磁力、振動、電流等的變化。通常會采用MEMS微機電感測元件。4. 無線射頻單元(RF Transceiver),通常應用到象是RFID,或其它支持低功耗的ZigBee、藍牙(Bluetooth)中低速率無線傳輸技術的RF芯片,傳送少量量測數據封包后即刻關閉以節省電力;傳遞到無線感測中繼站(Hub)匯集后,才轉以較高速率的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,有無線傳感器業者藉由先進半導體與封裝制程MCP甚至SoC方式加集成、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無線中繼傳輸節點,差不多跟一只優盤、口香糖的大小相當。

其次,象是火山口、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上比較不容易,為了降低安裝與頻頻更換電池的維護成本,在這些地點所布置的無線感測點,規格上被要求僅以電池就能運行3~20年,甚至要具備環境能源采集(Energy Harvesting)能力,也就是可以利用太陽能、壓電開關、磁力、振動,甚至擷取環境無線訊號的方式就能產生微弱的電力,使整個無線傳感器能運行。依IDTechEx預測,具備環境擷電的感測裝置數量,到2019年將達到100億,是2009年5億部的20倍。

若每個無線感測節點一有風吹草動就頻頻上傳量測訊號,龐大的量測數據上傳會造成整個無線感測網的帶寬與能源的消耗。區域自主運算(Local Processing)成為是新一代無線傳感器的設計新趨勢。平時無線傳感器MCU與RF處于睡眠節能模式,一有量測訊號出現時先開啟MCU,做好數據簡易判斷確認后,快速開啟RF單元傳送數據后關閉RF與MCU,重返節能模式。另外韌體空中更新(Over-The Air, OTA)的設計,方便日后藉由遠程無線方式傳送韌體資料,對廣大的傳感器的韌體進行更新作業。

同時是否選擇產業界開放標準的MCU,具備豐富多元化的第三方軟硬件開發套件與軟件開發工具,使得開發無線感測的創意應用不受到任何限制。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+架構的EFM32 Zero Gecko,做為Wireless Sensor MCU,同時能與各種溫度、濕度、環境光源、動作偵測器、開關門偵測、定位偵測、化學合成、煙霧偵測器等做介接。其無線傳感器在內建鋰電池在無陽光下可供電數十小時,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、振動或其它環境擷電的方式,輔以長效鋰電池,幾乎10~20年內無須更換電池。

英特爾(Intel)基于x86架構下,重新打造22nm制程、400MHz的Quark處理器,在CES 2014首度公開僅一張SD卡大小的雙核計算機平臺Edison,內建Wi-Fi與藍牙射頻模塊,目前瞄準于搶占物聯網、無線感測與穿戴式裝置商機,并舉辦總獎額130萬美元的開發應用獎,來吸引開發者的創意應用。

無線感測導入居家控制與穿戴式裝置

從早期煙霧傳感器、瓦斯傳感器、玻璃窗被入侵傳感器等應用,到近期像早期的到近期LED燈具的環境╱情景設定、光源亮度設定,以及電動窗簾自動啟閉,恩智浦(NXP)發表應用壓電原理(Piezo)的無線切換開關,按下開關就能產成電力驅動內部的射頻芯片,傳輸訊號到支持ZigBee的無線LED燈具上。

無線感測技術也進一步深入家庭╱辦公室自動化的應用。藉由布建各種溫度、光源、壓力的無線傳感器,以及無線ZigBee的開關控制,透過云端方式,由用戶藉由手機、平板的方式進行監控,進一步達成像燈光、窗簾、冷氣等的自動化應用。目前已有象是遠雄建設的二代宅、林口未來市,以及淡海新市鎮的建案,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。

長庚大學跟體育大學、健身中心進行老年人生理參數與運動資料的收集。規劃出適合于他的運動器材以及運動模式,透過具備無線感測網絡(WSN)的健身器材做連結,讓健身器材會偵測、建議選用何種什么模式來運動,以及告知運動量。同時他們于2008年開發出集成心電圖訊號(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小時隨時隨地監控記錄,并透過手機或計算機瀏覽記錄。下個目標則是與ICT業界合作,將各種無線感測技術,導入并集成到各種附著于身上(On Body)的穿戴式裝置,使目前的醫療照護,可從醫院延伸到老人機構,再從機構再跨到一般社區的居家照護。

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主題閱讀: 無線感測技術

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