物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)電力供給問題分析

　　2012年，德國(guó)在漢諾威自動(dòng)化展以“第四次工業(yè)革命”為題，啟動(dòng)“工業(yè)4.0(Industry 4.0)”計(jì)劃，提倡物與服務(wù)串連(Internet of Things and Services)，認(rèn)為在M2M的運(yùn)作架構(gòu)下，建構(gòu)生產(chǎn)自動(dòng)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(shí)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(shí)的基本想象。

　　同樣的M2M系統(tǒng)進(jìn)入其他領(lǐng)域，也同時(shí)改變了各種產(chǎn)業(yè)的不同發(fā)展。進(jìn)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(jìn)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(jiǎn)單來說，因?yàn)槲锱c物通聯(lián)，生活的所有層面都跟著智能化了。

　　MWC展會(huì)也可以見到物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。MWC 展會(huì)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(duì)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(gè)廠商對(duì)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(dòng)所采用連接規(guī)范也尚未全面標(biāo)準(zhǔn)化，以及對(duì)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(fèi)者對(duì)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(huì)發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)要有效地推動(dòng)，有兩個(gè)最基礎(chǔ)的元素必須克服。

　　首先，是通訊的充分被利用。因?yàn)槲镂锶绻枰噙B，通訊系統(tǒng)的完整性必須建構(gòu)，尤其是涉及安全的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)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(chǎng)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(jí)通訊市場(chǎng)的高成長(zhǎng)，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(dòng)化及智能化的重要項(xiàng)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(chǎng)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(jìn)行供電，也是另一種選擇。傳統(tǒng)工業(yè)級(jí)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(jìng)逐的態(tài)勢(shì)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(duì)設(shè)備間通訊問題后，挾開放、兼容優(yōu)勢(shì)進(jìn)軍工用市場(chǎng)，同時(shí)帶動(dòng)了相關(guān)連網(wǎng)設(shè)備的需求興起，包括主動(dòng)式I/O服務(wù)器、嵌入式工業(yè)通訊計(jì)算機(jī)、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(jìn)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(chǎng)上迅速崛起，受歡迎程度與日俱增。嚴(yán)謹(jǐn)來說，PoE是使用者可根據(jù)IEEE802.3af協(xié)議，利用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)絡(luò)纜線來傳送電力。意思就是同時(shí)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(duì)具有10Mbps至1Gbps傳輸能力的以太網(wǎng)絡(luò)對(duì)絞線，賦予電力供給機(jī)能的一門技術(shù)。

　　依據(jù)IEEE 802.3af協(xié)議，能夠送電的最長(zhǎng)距離可以達(dá)100米之遙，完全可以不受限于AC電源的設(shè)置場(chǎng)所，所以包括網(wǎng)絡(luò)照相機(jī)、遠(yuǎn)程感應(yīng)的移動(dòng)探測(cè)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(yuǎn)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(tái)遠(yuǎn)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(shí)候，也犯不著去擔(dān)心遠(yuǎn)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(dòng)力去開發(fā)更有效率、更微型的能量采集芯片。

　　其實(shí)人類很早就在發(fā)展“能量采集”的相關(guān)技術(shù)。在古早時(shí)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(dòng)器械的運(yùn)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(jiǎn)單來說，能量采集有一個(gè)基本的觀點(diǎn)，它隱含有二個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)，一是“本質(zhì)上不會(huì)消耗能源”，二是“對(duì)環(huán)境不會(huì)造成負(fù)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(gè)類似于“永動(dòng)機(jī)“的狀態(tài)。

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

　　振動(dòng)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?yàn)閴弘娦桶l(fā)電是利用外在環(huán)境的振動(dòng)力使壓電材料變形，因此改變了壓電材料的電場(chǎng)，進(jìn)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(jī)電(MEMS)制程達(dá)到裝置微型化的目的，符合輕薄短小的需求趨勢(shì)，因此壓電型已成為振動(dòng)型能量采集技術(shù)研發(fā)的主流之一。

　　在實(shí)例應(yīng)用方面，如移動(dòng)中的車輛必定產(chǎn)生振動(dòng)能，利用能量采集技術(shù)從輪胎的震動(dòng)中提取電能，再直接供電給輪胎上的胎壓監(jiān)測(cè)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(jì)所產(chǎn)生的電量，仍不足以充飽一支手機(jī)，但做為緊急或臨時(shí)電源之用，算是蠻實(shí)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(huì)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(shí)可動(dòng)”的狀態(tài)，其實(shí)并不困難。