IoT传感元件技术
- 李晓妮
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在物联网的传感层中，负责了前端数据蒐集与撷取，无论是RFID、电压、电流、温度等环境传感器，或是结合能量采集和电源管理的压电开关、热电产生器、热电堆等环境传感器等，物联网的物物相连，唯有靠这些传感元件来建构IoT的眼耳鼻口，才能完成大数据的云端数据库的实时蒐集、撷取、运算、分析与数据智能化…
环境传感器最早可追朔到美军在越战时期，因为越南的茂密的丛林加上多雨的地理环境，使得卫星与侦查机的情资蒐整合效不彰，因此美军透过运输机将许多振动传感装置空投到战区，以侦察装甲车与部队所造成的地面震动，进而提早预警并切断越共的补给。
前述的军事应用之外，还可以用来做环境监测(如天气、光线、污染等变化)、工程安全(如桥梁、建筑结构检测)、都市交通监测，以及各种工作与娱乐场所的防范监控等等。
进入21世纪，拜集成电路(IC)、无线通讯(Wireless Communication)与微机电(MEMS)等技术的加持，传感器(Sensor)技术越来越先进，不仅传感器越做越小，从区域的传感点布置、网络节点(Sensor Node)到整体布设成本都能获得有效的缩减。
以众多无线传感器(Wireless Sensor)所建构出来的无线传感器网络(Wireless Sensor Networks；WSN)的WSN，不仅涵盖了大面积的数据蒐集、数据监控、自主运算、自主传输等现代化技术，其应用上也日渐蓬勃发展。
建构IoT传感层？感知云的传感元件
感应器(Sensor)从早期的类比式到近年的数码式，对于光线、热量、温度、湿度、压力、磁力、电场、机械、化学等环境，都能做极细微且精准的传感与数据采集；同时其数据传输方式，也从原本有线连接进展成无线传输的设计。
有监于近年来智能装置的流行，开启了IoT(Internet of Things；物联网)的全新应用，在IoT包含应用层、云端服务层、网络层及装置？平台层等4个层级中，传感元件位于网络层及装置层，也被视为隶属云端IoT的一环－感知云(Sensor Cloud)。
而一个无线传感器，其硬件架构可包含：
1. 微控制器(Micro Controller Unit；MCU)，通常这类MCU时脉在200MHz以下，CPU内嵌小量的SRAM/DRAM/Flash存储器，并且存放小型的韧体OS与软件，负责执行传感数据采集与运算。
2. 电力供应单元(Power Unit)，一般会使用到像是网络电力线(Power Over Ethernet；PoE)、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. 一到多个传感单元，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微机电传感元件。
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无线电传输，例如低于1GHz频段的Z-Wave、Thread，900MHz/2.4GHz频段的ZigBee，2.4GHz频段的低功耗蓝牙(Bluetooth Smart)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；传递到传感中继站(Sensor 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。
传感器成本结构与低功耗设计
传感器(尤其是无线传感器)最大成本为CPU/MCU与RF射频单元，有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，差不多跟一支U盘、口香糖的大小相当。
有些长被应用在像是火山口、酷寒地带、湖泊或高架道路桥梁等，属于难以接触且维护上比较不容易的区域的传感器，为了降低安装与频频更换电池的维护成本，这类传感器被严格要求到，仅凭电池就能运作3？20年，有些还辅以太阳能、压电开关、磁力、振动或撷取环境无线信号的方式就能产生微弱的电力，使整个无线传感器能持续运作。
Research MOS/IDTechEx就预测，环境撷电的传感装置在2012年市场总值为1.31亿美元。到2019年将达到42亿美元，以及超过100亿组的装置量。
在居家自动化中，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。像恩智浦(NXP)发表以压电原理(Piezo)设计的无线切换开关，按下开关就能产成电力驱动内部的射频芯片，传输信号到支持ZigBee的无线LED灯具上。而也有厂商纷纷开发出以Z-Wave、ZigBee、BluetoothSmart或Wi-Fi无线遥控的LED灯具、家电、门锁等应用。
区域自主运算(Local Processing)则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，一有量测信号出现时先开启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，方便日后藉由线上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。
监控产品导入物联网应用
无论是工厂、公司机关或是家庭，安全监控系统(Surveillance)产品所涵盖到的网络摄影机(IP Cam)、影像监控软件、网络服务器、影像储存装置等四大类，正是最早期物联网中感知层、网络层与应用层的应用(只是无法透过网络查询，算是私有云性质)。
当随着网际网络、云端运算与物联网的浪潮下，台湾监控市场业者也纷纷开发安控产品使用的CCD摄影机、直接一条网络线做供电？传输数据的PoE网络摄影机(IP Cam)、无线网络摄影机(Wi-Fi Cam)、影像监控软件、网络录影机(NVR)、网络影像服务器等监控设备与产品。
监控摄影机依内部影像传感器(Image Sensor)技术，可分为CCD与CMOS两大类。近年来CMOS影像传感器(CMOS Image Sensor；CIS)在影像处理、信号降噪、背光宽动态等整体影像表现已追上CCD，且成本更为便宜。
当前主打数码家庭的低照度高清(HD)的IP网络摄影机，像素从200？1,000万不等，用户可藉由智能手机、平板电脑或笔记本电脑，随时透过云端来监控居家的影像状态。较高端的产品还会提供IR红外线补光、动作与声音侦测自动录影，以及双向耳机？麦克风录音、屏幕显示功能，使得在居家被照顾的老人、病患，或被监控的孩童或宠物，也能听到甚至看到来自线上主人的声音或影像。
由于Wi-Fi 802.11a/b/g/n与WCDMA/3.5G HSDPA等无线？移动通讯方案的普及，开始也有安控业者，将无线？移动通讯模块设计整合于摄影机内部，或提供可扩充的Wi-Fi/3.5G附加模块设计，为IP摄影机建置无线传输的需求。
坊间在贩售的Wi-Fi无线网络摄影机支持到2.4GHz 802.11b/g(11/54Mbps)，高端产品还支持到IEEE 802.11n(150？300Mbps)。也有安控业者跟4G电信营运商合作，推出专属于4G LTE的无线网络摄影机的产品。
不少产、官、学界纷纷合作，尤其是体育或医疗大学与科技大学的信息科技跨业结合，以各种不同的温度、湿度、心电图、脉博等传感器，结合穿戴装置与无线网络传输的功能，让有类似心脏病、高血压的患者，藉由在家配戴具备无线传感传输的穿戴式传感器、传感衣，可以随时随时随地监控记录心电图信号(ECG)、呼吸、体液、温度与移动加速度等状态，不仅使得有限的医疗院所的资源得以有效运用，同时也使目前医疗照护的涵盖范围，进一步从医院延伸到老人机构，再从机构再跨到一般社区的居家照护。
