物聯(lián)網(wǎng)感測組件技術(shù)概述

　　感測組件隸屬于物聯(lián)網(wǎng)感知層。

　　在物聯(lián)網(wǎng)的感測層中，負責了前端資料搜集與擷取，無論是RFID、電壓、電流、溫度等環(huán)境傳感器，或是結(jié)合能量采集和電源管理的壓電開關(guān)、熱電產(chǎn)生器、熱電堆等環(huán)境傳感器等，物聯(lián)網(wǎng)的物物相連，唯有靠這些感測組件來建構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的眼耳鼻口，才能完成大數(shù)據(jù)的云端數(shù)據(jù)庫的實時搜集、擷取、運算、分析與數(shù)據(jù)智能化…

　　無線傳感器技術(shù)與日俱進

　　環(huán)境傳感器最早可追朔到美軍在越戰(zhàn)時期，因為越南的茂密的叢林加上多雨的地理環(huán)境，使得衛(wèi)星與偵查機的情資搜集成效不彰，因此美軍透過運輸機將許多振動感測裝置空投到戰(zhàn)區(qū)，以偵察裝甲車與部隊所造成的地面震動，進而提早預警并切斷越共的補給。

　　前述的軍事應用之外，還可以用來做環(huán)境監(jiān)測(如天氣、光線、污染等變化)、工程安全(如橋梁、建筑結(jié)構(gòu)檢測)、都市交通監(jiān)測，以及各種工作與娛樂場所的防范監(jiān)控等等。

　　進入21世紀，拜集成電路(IC)、無線通信(Wireless Communication)與微機電(MEMS)等技術(shù)的加持，傳感器(Sensor)技術(shù)越來越先進，不僅傳感器越做越小，從區(qū)域的感測點布置、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(Sensor Node)到整體布設(shè)成本都能獲得有效的縮減。

　　唯有低功耗、高整合度，甚至具備環(huán)境擷取能力的傳感器得以勝出。

　　IP Cam建構(gòu)數(shù)字家庭的物聯(lián)網(wǎng)應用。

　　以眾多無線傳感器(Wireless Sensor)所建構(gòu)出來的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks;WSN)的WSN，不僅涵蓋了大面積的數(shù)據(jù)搜集、數(shù)據(jù)監(jiān)控、自主運算、自主傳輸?shù)痊F(xiàn)代化技術(shù)，其應用上也日漸蓬勃發(fā)展。

　　建構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)感測層/感知云的感測組件

　　傳感器(Sensor)從早期的模擬式到近年的數(shù)字式，對于光線、熱量、溫度、濕度、壓力、磁力、電場、機械、化學等環(huán)境，都能做極細微且精準的感測與數(shù)據(jù)采集;同時其數(shù)據(jù)傳輸方式，也從原本有線連接進展成無線傳輸?shù)脑O(shè)計。

　　有鑒于近年來智能裝置的流行，開啟了IoT(Internet of Things;物聯(lián)網(wǎng))的全新應用，在物聯(lián)網(wǎng)包含應用層、云端服務層、網(wǎng)絡(luò)層及裝置/平臺層等4個層級中，感測組件位于網(wǎng)絡(luò)層及裝置層，也被視為隸屬云端物聯(lián)網(wǎng)的一環(huán)-感知云(Sensor Cloud)。

　　而一個無線傳感器，其硬件架構(gòu)可包含：

　　1. 微控制器(Micro Controller Unit;MCU)，通常這類MCU頻率在200MHz以下，CPU內(nèi)嵌小量的SRAM/DRAM/Flash內(nèi)存，并且存放小型的固件OS與軟件，負責執(zhí)行感測數(shù)據(jù)采集與運算。

　　2. 電力供應單元(Power Unit)，一般會使用到像是網(wǎng)絡(luò)電力線(Power Over Ethernet;PoE)、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。

　　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微機電感測組件。

　　4. 無線射頻單元(RF Transceiver)。

　　通常應用到像是RFID，或其它支持低功耗的無線電傳輸，例如低于1GHz頻段的Z-Wave、Thread，900MHz/2.4GHz頻段的ZigBee，2.4GHz頻段的低功耗藍牙(Bluetooth Smart)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;傳遞到感測中繼站(Sensor 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器。

　　傳感器成本結(jié)構(gòu)與低功耗設(shè)計

　　傳感器(尤其是無線傳感器)最大成本為CPU/MCU與RF射頻單元，有傳感器業(yè)者借助先進半導體與封裝制程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，差不多跟一支隨身碟、口香糖的大小相當。

　　有些長被應用在像是火山口、酷寒地帶、湖泊或高架道路橋梁等，屬于難以接觸且維護上比較不容易的區(qū)域的傳感器，為了降低安裝與頻頻更換電池的維護成本，這類傳感器被嚴格要求到，僅憑電池就能運作3～20年，有些還輔以太陽能、壓電開關(guān)、磁力、振動或擷取環(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持續(xù)運作。

　　Research MOS/IDTechEx就預測，環(huán)境擷電的感測裝置在2012年市場總值為1.31億美元。到2019年將達到42億美元，以及超過100億組的裝置量。

　　在居家自動化中，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(huán)境/情景設(shè)定、光源亮度設(shè)定，以及電動窗簾自動啟閉。像恩智浦(NXP)發(fā)表以壓電原理(Piezo)設(shè)計的無線切換開關(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。而也有廠商紛紛開發(fā)出以Z-Wave、ZigBee、BluetoothSmart或Wi-Fi無線遙控的LED燈具、家電、門鎖等應用。

　　區(qū)域自主運算(Local Processing)則是新一代無線傳感器的設(shè)計新趨勢。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。另外固件空中更新(Over-The Air;OTA)的設(shè)計，方便日后借助遠程無線方式傳送固件數(shù)據(jù)，對廣大的傳感器的固件進行更新作業(yè)。

　　監(jiān)控產(chǎn)品導入物聯(lián)網(wǎng)應用

　　無論是工廠、公司機關(guān)或是家庭，安全監(jiān)控系統(tǒng)(Surveillance)產(chǎn)品所涵蓋到的網(wǎng)絡(luò)攝影機(IP Cam)、影像監(jiān)控軟件、網(wǎng)絡(luò)服務器、影像儲存裝置等四大類，正是最早期物聯(lián)網(wǎng)中感知層、網(wǎng)絡(luò)層與應用層的應用(只是無法透過網(wǎng)絡(luò)查詢，算是私有云性質(zhì))。

　　當隨著互聯(lián)網(wǎng)、云端運算與物聯(lián)網(wǎng)的浪潮下，監(jiān)控市場業(yè)者也紛紛開發(fā)安控產(chǎn)品使用的CCD攝影機、直接一條網(wǎng)絡(luò)線做供電/傳輸數(shù)據(jù)的PoE網(wǎng)絡(luò)攝影機(IP Cam)、無線網(wǎng)絡(luò)攝影機(Wi-Fi Cam)、影像監(jiān)控軟件、網(wǎng)絡(luò)錄像機(NVR)、網(wǎng)絡(luò)影像服務器等監(jiān)控設(shè)備與產(chǎn)品。

　　監(jiān)控攝影機依內(nèi)部影像傳感器(Image Sensor)技術(shù)，可分為CCD與CMOS兩大類。近年來CMOS影像傳感器(CMOS Image Sensor;CIS)在圖像處理、訊號降噪、背光寬動態(tài)等整體影像表現(xiàn)已追上CCD，且成本更為便宜。

　　當前主打數(shù)字家庭的低照度高清(HD)的IP網(wǎng)絡(luò)攝影機，畫素從200～1,000萬不等，用戶可借助智能手機、平板計算機或筆電，隨時透過云端來監(jiān)控居家的影像狀態(tài)。較高階的產(chǎn)品還會提供IR紅外線補光、動作與聲音偵測自動錄像，以及雙向耳機/麥克風錄音、屏幕顯示功能，使得在居家被照顧的老人、病患，或被監(jiān)控的孩童或?qū)櫸?，也能聽到甚至看到來自遠程主人的聲音或影像。

　　由于Wi-Fi 802.11a/b/g/n與WCDMA/3.5G HSDPA等無線/移動通訊方案的普及，開始也有安控業(yè)者，將無線/移動通訊模塊設(shè)計整合于攝影機內(nèi)部，或提供可擴充的Wi-Fi/3.5G附加模塊設(shè)計，為IP攝影機建置無線傳輸?shù)男枨蟆?/p>

　　坊間在販賣的Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)攝影機支持到2.4GHz 802.11b/g(11/54Mbps)，高階產(chǎn)品還支持到IEEE 802.11n(150～300Mbps)。也有安控業(yè)者跟4G電信營運商合作，推出專屬于4G LTE的無線網(wǎng)絡(luò)攝影機的產(chǎn)品。

　　不少官、產(chǎn)、學界紛紛合作，尤其是體育或醫(yī)療大學與科技大學的信息科技跨業(yè)結(jié)合，以各種不同的溫度、濕度、心電圖、脈博等傳感器，結(jié)合穿戴裝置與無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓δ埽層蓄愃菩呐K病、高血壓的患者，借助在家配戴具備無線感測傳輸?shù)拇┐魇絺鞲衅?、感測衣，可以隨時隨時隨地監(jiān)控記錄心電圖訊號(ECG)、呼吸、體液、溫度與移動加速度等狀態(tài)，不僅使得有限的醫(yī)療院所的資源得以有效運用，同時也使目前醫(yī)療照護的涵蓋范圍，進一步從醫(yī)院延伸到老人機構(gòu)，再從機構(gòu)再跨到一般小區(qū)的居家照護。