无线传感技术在自动化的广泛应用

 针对公共设施寿命、气候环境监测，以及大型厂房╱仓库等广大区域，布设无线传感器形成无线感测网络(Wireless Sensor Networks, WSN)成为发展趋势。其成败在于传感器成本、布设节点的数量多寡╱密度，以及至少3~20年的免换电池的长期运作寿命要求下，从采用的低功耗的MCU、无线通信技术以至于能源采集(Energy Harvesting)技术，都是这个无线感测网络可长可久的关键...

无线感测网络广泛用于公共设施、环境等监测

无线传感器技术为环境感测╱智能控制布下天罗地网

各CPU/MCU厂纷纷推出超低功耗MCU抢占庞大IoT/WSN/穿戴式设备商机(SiliconLab/Intel)

无线感测技术将融入各种智能穿戴式设备，达成健身、远程检测╱居家看护的应用(Absolute Blog)

感测技术位于自动化领域架构的第一层。而无线传感器(Wireless Sensor)可以在难以接触维修的公共设施(如高架道路╱桥梁)，或山坡地、森林、海洋、湖泊等环境下，无须拉线就能大量的布设;当感测节点(Sensor Node)感应到周遭光线、温度、湿度、压力、磁力、振动、电流等变化，将这些量测变化经由无线方式透过中继站或直接回传到中央控制服务器。整个感测区域可能有几十个、数百个甚至上千个无线感测点，形成一个广大的无线感测网(Wireless Sensor Network, WSN)。于2013年底正式营运的eTag电子收费，正是一种由每部车辆贴上eTag RFID标签，通行经过全国高速公路的ETC感应门架的一种无线感测的应用实例。

而在企业、大型厂房╱仓储的工业控制应用，像是厂房的机台设备设置温度、电压、马达转速等监控点，一定时间间隔内仅传输几十个bytes到控制面板，就可有效掌握机台设备的状况。布设无线传感器，可以简化布线程序并有效降低整个感测网络的布设与管理成本。至于在智慧居家控制上，藉由MEMS微机电技术所开发的各种感测组件，可以做到体积纤细小巧且成本低廉，也开启了无线感知技术应用无限的可能性。从早期任天堂Wii的体感控制，笔记本电脑硬盘振动侦测的防护，到从你我手中的智能型手机、平板计算机的加速感测仪(Accelerometer)、陀螺仪(Gyrometer)等的应用可见一斑。

近年来，海内外研究单位投注许多资源，开发无线感测网络的应用服务，涵盖了商业、娱乐、军事、医疗、教育等方面。

无线感测技术低功耗超长效供电为关键

一个无线传感器在硬件架构上，包含了：1. MCU微控制器，通常内嵌韧体，负责执行感测数据采集与运算。2. 电力供应单元，像是锂电池，或者是采用太阳能、压电开关(Piezo Switch)，或可借助环境磁力、无线电波产生电源的环境能源采集(Energy Harvesting)的设计。3. 一到多个感测单元，像是包含光线、温度、湿度、压力、磁力、振动、电流等的变化。通常会采用MEMS微机电感测组件。4. 无线射频单元(RF Transceiver)，通常应用到像是RFID，或其它支持低功耗的ZigBee、蓝牙(Bluetooth)中低速率无线传输技术的RF芯片，传送少量量测数据封包后即刻关闭以节省电力;传递到无线感测中继站(Hub)汇集后，才转以较高速率的Wi-Fi 802.11a/b/g/n或3G/3.5G方式传送到中央服务器。

由于无线传感器最大成本为CPU/MCU与RF射频单元，有无线传感器业者藉由先进半导体与封装制程MCP甚至SoC方式加整合、密集化。目前无线传感器的体积可以做到仅一枚硬币大小，而具备802.11a/b/g/n Wi-Fi无线中继传输节点，差不多跟一只随身碟、口香糖的大小相当。

其次，像是火山口、酷寒地带、湖泊或高架道路桥梁等地，由于比较难以接触且维护上比较不容易，为了降低安装与频频更换电池的维护成本，在这些地点所布置的无线感测点，规格上被要求仅以电池就能运作3~20年，甚至要具备环境能源采集(Energy Harvesting)能力，也就是可以利用太阳能、压电开关、磁力、振动，甚至撷取环境无线讯号的方式就能产生微弱的电力，使整个无线传感器能运作。依IDTechEx预测，具备环境撷电的感测设备数量，到2019年将达到100亿，是2009年5亿部的20倍。

若每个无线感测节点一有风吹草动就频频上传量测讯号，庞大的量测数据上传会造成整个无线感测网的带宽与能源的消耗。区域自主运算(Local Processing)成为是新一代无线传感器的设计新趋势。平时无线传感器MCU与RF处于睡眠节能模式，一有量测讯号出现时先开启MCU，做好数据简易判断确认后，快速开启RF单元传送数据后关闭RF与MCU，重返节能模式。另外韧体空中更新(Over-The Air, OTA)的设计，方便日后藉由远程无线方式传送韧体数据，对广大的传感器的韧体进行更新作业。

同时是否选择产业界开放标准的MCU，具备丰富多元化的第三方软硬件开发工具包与软件开发工具，使得开发无线感测的创意应用不受到任何限制。像芯科(Silicon Labs)从早期选择8051单芯片，到近年改用安谋(ARM)的Cortex M0/M0+架构的EFM32 Zero Gecko，做为Wireless Sensor MCU，同时能与各种温度、湿度、环境光源、动作侦测器、开关门侦测、定位侦测、化学合成、烟雾侦测器等做介接。其无线传感器在内建锂电池在无阳光下可供电数十小时，外搭太阳能光电板，则仅需3~5小时一般日照就能充电完成;若搭配压电、振动或其它环境撷电的方式，辅以长效锂电池，几乎10~20年内无须更换电池。

英特尔(Intel)基于x86架构下，重新打造22nm制程、400MHz的Quark处理器，在CES 2014首度公开仅一张SD卡大小的双核计算机平台Edison，内建Wi-Fi与蓝牙射频模块，目前瞄准于抢占物联网、无线感测与穿戴式设备商机，并举办总奖额130万美元的开发应用奖，来吸引开发者的创意应用。

无线感测导入居家控制与穿戴式设备

从早期烟雾传感器、瓦斯传感器、玻璃窗被入侵传感器等应用，到近期像早期的到近期LED灯具的环境╱情景设定、光源亮度设定，以及电动窗帘自动启闭，恩智浦(NXP)发表应用压电原理(Piezo)的无线切换开关，按下开关就能产成电力驱动内部的射频芯片，传输讯号到支持ZigBee的无线LED灯具上。

无线感测技术也进一步深入家庭╱办公室自动化的应用。藉由布建各种温度、光源、压力的无线传感器，以及无线ZigBee的开关控制，透过云端方式，由用户藉由手机、平板的方式进行监控，进一步达成像灯光、窗帘、冷气等的自动化应用。目前已有像是远雄建设的二代宅、林口未来市，以及淡海新市镇的建案，都采用一些采用无线ZigBee可云端控制的家电自动化控制方案。

长庚大学跟体育大学、健身中心进行老年人生理参数与运动资料的收集。规划出适合于他的运动器材以及运动模式，透过具备无线感测网络(WSN)的健身器材做链接，让健身器材会侦测、建议选用何种什么模式来运动，以及告知运动量。同时他们于2008年开发出整合心电图讯号(ECG)、呼吸、体液、温度与移动加速度等感测功能的智能衣，可做到24小时随时随地监控记录，并透过手机或计算机浏览记录。下个目标则是与ICT业界合作，将各种无线感测技术，导入并整合到各种附着于身上(On Body)的穿戴式设备，使目前的医疗照护，可从医院延伸到老人机构，再从机构再跨到一般小区的居家照护。