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应用面向多元 物联网感测技术持续进化

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、互联网、移动通信之后,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,整体系统的运行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感测网络(Sensor Network),最初是集成传感器与通讯模块,串连之后形成感测网络架构,将之应用于大范围场域。

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高集成、低功率与强固性是物联网系统对传感器的重要需求。(图片来源: Dialog Semiconductor) 

台湾在10年前就有养鸡场导入无线感测网络,并结合自动化系统控制环境,提升鸡只的质量与产量,与物联网架构相较,这类型感测网络少了进行决策的上层云端平台,仅有感测网络与自动化系统,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

感测技术成熟已久,不过在物联网的特殊需求下,近年来已开始另一波进化。与过去的感测网络相较,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集成在同一封装中,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。

机器视觉的运行是透过工业相机撷取产品影像,并经由软件快速找出瑕疵品。在发展初期,工业相机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光达(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与机器手臂集成,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。

集成多元传感器  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、光线感测等。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质量急遽恶化,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质量监测站。

空气质量传感器的技术包括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,多感测阵列与多气体是别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资料,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集成,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、高强固性与多感测元件的集成是共同趋势,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感测产品,才能掌握住庞大商机,抢占物联网市场。

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