应用面向多元 物联网传感技术持续进化

传感器是物联网系统启动的第一步，其效能与稳定性要求非常高。图片来源:PHYS

物联网被视为继PC、网际网络、移动通讯之后，IT产业的第4波典范转移，虽然经过多年发展，业界预估的爆发性成长一直未出现，不过整体趋势仍是稳定成长，制造业、农业、交通等部分应用领域也已开始落地，未来商机将十分惊人，根据研究机构MarketsandMarkets的报告，2023年全球传感器出货量将达225亿美元。

传感器是物联网系统的第一线，整体系统的运作都由传感器的数据撷取与传送启动，事实上物联网的前身是传感网络(Sensor Network)，最初是整合传感器与通讯模块，串连之后形成传感网络架构，将之应用于大范围场域。

台湾在10年前就有养鸡场导入无线传感网络，并结合自动化系统控制环境，提升鸡只的品质与产量，与物联网架构相较，这类型传感网络少了进行决策的上层云端平台，仅有传感网络与自动化系统，不过在农业、畜牧等产业，此一架构已然足够。

制造系统传感器需求大不同

传感技术成熟已久，不过在物联网的特殊需求下，近年来已开始另一波进化。与过去的传感网络相较，现在的物联网应用更为多元，即便是同一领域，不同环节对传感器的需求类型也不一样。

以工业物联网为例，若是作为机器的预诊监测之用，其传感器需求不外乎震动、电流与温度3种，由于这3种传感器都是设备监诊所需，目前已有厂商推出3合1产品，协助厂商简化系统架构，而要将这不同传感器整合在同一封装中，对内必须克服传感器之间的干扰问题，对外则是要让置于严苛环境的传感器，拥有强固外装，将外界伤害降至最低。

设备监诊之外，制造现场中的瑕疵检测与机器手臂安全机制，也会对传感器有不同需求。产品瑕疵检测主要采用视觉传感器。过去制程的瑕疵检测主要透过人力亲为，不过人类眼力有其限制，除了长时间工作后会导致效率下降外，现在制程快速，人眼难以检测出细小瑕疵，因此在自动化系统中，机器视觉早已开始取代人力。

机器视觉的运作是透过工业镜头撷取产品影像，并经由软件快速找出瑕疵品。在发展初期，工业镜头主要采用当时分辨率较佳的CCD，虽然价格昂贵，不过占整体系统的成本比例仍不高，因此厂商的接受度仍高。后来CMOS技术急起直追，不但分辨率直逼CCD，成本与耗电也更低，因此市场占有率快速提升，2015年Sony停产所有CCD感光元件，从此CMOS成为工业视觉传感器的主流。

至于机器手臂的安全机制传感器则是采用激光雷达(LiDAR)。在制造现场中，都会用围篱阻隔工作人员与大型机器手臂。不过尽管如此机器手臂伤人的事件仍时有所闻，因此近年来有厂商将LiDAR与机器手臂整合，设定出警示与危险两块区域，LiDAR侦测到有人进入警示区时，系统即会发出声响警告，并让机器手臂的动作趋缓，若人体持续靠近进入危险区，则让动作停摆。

此一机制采用LiDAR的原因，除了免去实体围篱的成本外，其可程序化特色让管理人员可从软件设定LiDAR的距离参数，划出警界与危险范围，同时达到安全性与便利性。

整合多元传感器  精准侦测环境

除了制造业，环境侦测与控制是近年来物联网另一主要应用场域，环境侦测包括了户外国土监测与建筑体中的温湿度、光线传感等。国土侦测会用到气体与温湿度传感器。气体传感器主要是着眼于近年来空气品质急遽恶化，PM2.5悬浮粒子的浓度成为重要指标，透过气体传感器建立起空气品质监测站。

空气品质传感器的技术包括MOS、红外线、电化学等3种，MOS是以金属半导体氧化物材料制成，气体会在元件表面吸附或产生反应，再以此进行感应量测，是目前常见的气体传感器类型，红外线是由不同气体对红外线波长的吸收反应、并由气体中分子的浓度与吸收量进行侦测，电化学则是藉由与监控的气体反应，并制造出一个与气体浓度成正比的电流，并加以量测。

透过以上3种空气传感器，可建立出VOCs(挥发性有机物)传感器阵列，并与多气体是别演算法结合，侦测空气中有机物成分。过去的空气侦测多是空气中的如二氧化碳或瓦斯等特定气体，不过近年来NOx氮氧化物、Ox硫氧化物等空气污染源渐多，单一气体侦测已难因应现有状况，多传感阵列与多气体是别演算法的软硬件搭配逐渐成为趋势，再透过通讯技术的连结，形成大面积空气环境监测网络，将有助于国家的空污防制。

国土监测的另一个重点是水土侦测，此一领域目前又以土石流预警为应用大宗，其作法是配合政府的图资与历史数据，找出土石流发生机率偏高的地区，在埋设传感器，并定时传回土壤水分数据，一旦含水量超过设定标准值，即发出警报通知。这类型湿度传感器也会与化学物传感器整合，并应用于农业，用以侦测土壤中的水分与农药成分，经分析后作为农民撒放农药的依据。

物联网的应用面向多元，所需要的传感器也不尽相同，不过低功耗、高强固性与多传感元件的整合是共同趋势，在通讯方面，除了各种长短距离的无线传输技术，针对工业系统专用的传感器通讯标准IO-Link也逐渐成为趋势。作为物联网架构的第一层，传感器的进化成为必须，而也唯有因应不同需求设计的传感产品，才能掌握住庞大商机，抢占物联网市场。