IoT感測元件技術
- 李曉妮
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在物聯網的感測層中，負責了前端資料蒐集與擷取，無論是RFID、電壓、電流、溫度等環境感測器，或是結合能量採集和電源管理的壓電開關、熱電產生器、熱電堆等環境感測器等，物聯網的物物相連，唯有靠這些感測元件來建構IoT的眼耳鼻口，才能完成大數據的雲端資料庫的即時蒐集、擷取、運算、分析與數據智慧化…
環境感測器最早可追朔到美軍在越戰時期，因為越南的茂密的叢林加上多雨的地理環境，使得衛星與偵查機的情資蒐集成效不彰，因此美軍透過運輸機將許多振動感測裝置空投到戰區，以偵察裝甲車與部隊所造成的地面震動，進而提早預警並切斷越共的補給。
前述的軍事應用之外，還可以用來做環境監測(如天氣、光線、污染等變化)、工程安全(如橋樑、建築結構檢測)、都市交通監測，以及各種工作與娛樂場所的防範監控等等。
進入21世紀，拜積體電路(IC)、無線通訊(Wireless Communication)與微機電(MEMS)等技術的加持，感測器(Sensor)技術越來越先進，不僅感測器越做越小，從區域的感測點佈置、網路節點(Sensor Node)到整體佈設成本都能獲得有效的縮減。
以眾多無線感測器(Wireless Sensor)所建構出來的無線感測器網路(Wireless Sensor Networks；WSN)的WSN，不僅涵蓋了大面積的資料蒐集、數據監控、自主運算、自主傳輸等現代化技術，其應用上也日漸蓬勃發展。
建構IoT感測層？感知雲的感測元件
感應器(Sensor)從早期的類比式到近年的數位式，對於光線、熱量、溫度、濕度、壓力、磁力、電場、機械、化學等環境，都能做極細微且精準的感測與數據採集；同時其數據傳輸方式，也從原本有線連接進展成無線傳輸的設計。
有鑑於近年來智慧型裝置的流行，開啟了IoT(Internet of Things；物聯網)的全新應用，在IoT包含應用層、雲端服務層、網路層及裝置？平台層等4個層級中，感測元件位於網路層及裝置層，也被視為隸屬雲端IoT的一環－感知雲(Sensor Cloud)。
而一個無線感測器，其硬體架構可包含：
1. 微控制器(Micro Controller Unit；MCU)，通常這類MCU時脈在200MHz以下，CPU內嵌小量的SRAM/DRAM/Flash記憶體，並且存放小型的韌體OS與軟體，負責執行感測數據採集與運算。
2. 電力供應單元(Power Unit)，一般會使用到像是網路電力線(Power Over Ethernet；PoE)、鋰電池，或者是採用太陽能、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採集(Energy Harvesting)的設計。
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。通常會採用MEMS微機電感測元件。
4. 無線射頻單元(RF Transceiver)。
通常應用到像是RFID，或其它支援低功耗的無線電傳輸，例如低於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的RF晶片，傳送少量量測數據封包後即刻關閉以節省電力；傳遞到感測中繼站(Sensor Hub)彙集後，才轉以較高速率的Wi-Fi 802.11a/b/g/n或3G/3.5G方式傳送到中央伺服器。
感測器成本結構與低功耗設計
感測器(尤其是無線感測器)最大成本為CPU/MCU與RF射頻單元，有感測器業者藉由先進半導體與封裝製程MCP甚至SoC方式加整合、密集化。目前無線感測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、湖泊或高架道路橋樑等，屬於難以接觸且維護上比較不容易的區域的感測器，為了降低安裝與頻頻更換電池的維護成本，這類感測器被嚴格要求到，僅憑電池就能運作3？20年，有些還輔以太陽能、壓電開關、磁力、振動或擷取環境無線訊號的方式就能產生微弱的電力，使整個無線感測器能持續運作。
Research MOS/IDTechEx就預測，環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，從早期煙霧感測器、瓦斯感測器、玻璃窗被入侵感測器等應用，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。像恩智浦(NXP)發表以壓電原理(Piezo)設計的無線切換開關，按下開關就能產成電力驅動內部的射頻晶片，傳輸訊號到支援ZigBee的無線LED燈具上。而也有廠商紛紛開發出以Z-Wave、ZigBee、BluetoothSmart或Wi-Fi無線遙控的LED燈具、家電、門鎖等應用。
區域自主運算(Local Processing)則是新一代無線感測器的設計新趨勢。平時無線感測器MCU與RF處於睡眠節能模式，一有量測訊號出現時先開啟MCU，做好數據簡易判斷確認後，快速開啟RF單元傳送數據後關閉RF與MCU，重返節能模式。另外韌體空中更新(Over-The Air；OTA)的設計，方便日後藉由遠端無線方式傳送韌體資料，對廣大的感測器的韌體進行更新作業。
監控產品導入物聯網應用
無論是工廠、公司機關或是家庭，安全監控系統(Surveillance)產品所涵蓋到的網路攝影機(IP Cam)、影像監控軟體、網路伺服器、影像儲存裝置等四大類，正是最早期物聯網中感知層、網路層與應用層的應用(只是無法透過網路查詢，算是私有雲性質)。
當隨著網際網路、雲端運算與物聯網的浪潮下，台灣監控市場業者也紛紛開發安控產品使用的CCD攝影機、直接一條網路線做供電？傳輸資料的PoE網路攝影機(IP Cam)、無線網路攝影機(Wi-Fi Cam)、影像監控軟體、網路錄影機(NVR)、網路影像伺服器等監控設備與產品。
監控攝影機依內部影像感測器(Image Sensor)技術，可分為CCD與CMOS兩大類。近年來CMOS影像感測器(CMOS Image Sensor；CIS)在影像處理、訊號降噪、背光寬動態等整體影像表現已追上CCD，且成本更為便宜。
當前主打數位家庭的低照度高清(HD)的IP網路攝影機，畫素從200？1,000萬不等，用戶可藉由智慧手機、平板電腦或筆電，隨時透過雲端來監控居家的影像狀態。較高階的產品還會提供IR紅外線補光、動作與聲音偵測自動錄影，以及雙向耳機？麥克風錄音、螢幕顯示功能，使得在居家被照顧的老人、病患，或被監控的孩童或寵物，也能聽到甚至看到來自遠端主人的聲音或影像。
由於Wi-Fi 802.11a/b/g/n與WCDMA/3.5G HSDPA等無線？行動通訊方案的普及，開始也有安控業者，將無線？行動通訊模組設計整合於攝影機內部，或提供可擴充的Wi-Fi/3.5G附加模組設計，為IP攝影機建置無線傳輸的需求。
坊間在販售的Wi-Fi無線網路攝影機支援到2.4GHz 802.11b/g(11/54Mbps)，高階產品還支援到IEEE 802.11n(150？300Mbps)。也有安控業者跟4G電信營運商合作，推出專屬於4G LTE的無線網路攝影機的產品。
不少產、官、學界紛紛合作，尤其是體育或醫療大學與科技大學的資訊科技跨業結合，以各種不同的溫度、濕度、心電圖、脈博等感測器，結合穿戴裝置與無線網路傳輸的功能，讓有類似心臟病、高血壓的患者，藉由在家配戴具備無線感測傳輸的穿戴式感測器、感測衣，可以隨時隨時隨地監控記錄心電圖訊號(ECG)、呼吸、體液、溫度與移動加速度等狀態，不僅使得有限的醫療院所的資源得以有效運用，同時也使目前醫療照護的涵蓋範圍，進一步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。
