物联网时时刻刻都连线 电力如何供给？

物物联网，电力如何供给成为技术上必须解决的重大问题。经济部工业局

2012年，德国在汉诺威自动化展以「第四次工业革命」为题，启动「工业4.0(Industry 4.0)」计划，提倡物与服务串连(Internet of Things and Services)，认为在M2M的运作架构下，建构生产自动化与IT化，并透过这些技术让生产模式由批次量产转向接单后生产，落实智能生产(Smart Production)、绿色生产(Green Production)、都市生产(Urban Production)。这些完全不同的思维，可以说是物联网落实的基本想像。

同样的M2M系统进入其他领域，也同时改变了各种产业的不同发展。进入交通系统，物联网影响了智能交通的思维，建构了更完整的ITS系统；而进入居家领域，物与物的通联也造就了智能建筑乃至于智能居家的想像。简单来说，因为物与物通联，生活的所有层面都跟着智能化了。

从今年的MWC也可以见到物联网的发展。MWC 2015可以看到不少关于物联网的应用展示，可见大家对于物联网的确产生不少想像；不过虽然物联网的概念早已提出，但目前仍处于初期发展阶段，主要基于目前各个厂商对于物联网应用仍处于试水温阶段，加上包括数据或装置互动所采用连接规范也尚未全面标准化，以及对应巨量数据的网络带宽与背后数据分析应用都还在发展调整。此外，消费者对于此类应用也尚未全面适应，因此许多现行多只是概念性应用的提出，或是较为浅层的使用模式。

「通」「电」大哉问

但深究物联网的特性，你会发现物联网要有效地推动，有两个最基础的元素必须克服。

首先，是通讯的充分被利用。因为物物如果需要相连，通讯系统的完整性必须建构，尤其是涉及安全的实时监控系统，对于通讯的要求必须非常重视。随着网络普及化发展，传统应用在现场的设备，渐渐产生串联网络的需求，连带促成工业级通讯市场的高成长，也由于现代设备整合需求日益庞大，「通讯」成为系统自动化及智能化的重要项目。

另一部分，则是供电的需求。各类设备、装置散布在应用场域里，如何维持稳定的供电是一件难事，除了透过再生能源让装置或设备「自给自足」外，透过整合工业通讯架构进行供电，也是另一种选择。传统工业级网络多为封闭架构，在1990年代，透过控制技术功能性提升，以及满足分散式控制的需求，工业通讯因而快速发展，各种通讯技术如雨后春笋般冒出，像是Profibus、DeviceNet、CANopen、FieldbusFundation或HSE等界面，技术相互竞逐的态势也愈发明显。

但这些界面彼此间无法兼容也提升了整合难度，因此原本用于商业环境中的以太网络，在解决设备对设备间通讯问题后，挟开放、兼容优势进军工用市场，同时带动了相关联网设备的需求兴起，包括主动式I/O服务器、嵌入式工业通讯电脑、交换器、串行设备联网服务器等，都是工业用以太网络通讯里的热门产品；而这些设备，透过以太网络进行系统的供电，当然是最佳的选择。

PoE方案崛起  整合信息与电力传输

由于透过以太网获得供电的电子设备无需额外电源插座就能直接使用，且系统整体成本较低，因此PoE(Power over Ethernet)解决方案在市场上迅速崛起，受欢迎程度与日俱增。严谨来说，PoE是使用者可根据IEEE802.3af协定，利用标准的以太网络缆线来传送电力。意思就是同时使用一条以太网络连接线，来传送数据以及直流电源。所以可以说，PoE技术就是针对具有10Mbps至1Gbps传输能力的以太网络对绞线，赋予电力供给机能的一门技术。

依据IEEE 802.3af协定，能够送电的最长距离可以达100米之遥，完全可以不受限于AC电源的设置场所，所以包括网络照镜头、线上感应的移动探测器，都是可以使用的设备。另外，采用PoE技术的电子设备不但易于管理，且具备了远程通电？断电能力，这让物联网技术的发展，更是如虎添翼。此外，系统规划者也可使用PoE交换器搭配UPS，来集中管理多台线上设备的电源供应，即使遇到大风、下大雨或人为因素以及遭遇停电的时候，也犯不着去担心线上设备电力、通讯的中断等问题。

微型电力采集  迈向自给自足

除了PoE技术外，微型电力采集技术也是不可忽视的方向。近几年来，能量采集的技术研发方向，大都是向装置微型化靠拢，尤其随着物联网概念的兴起，穿戴式及随身保健医疗的商品都急欲摆脱电池供电的束缚，已促使有越来越多的研究单位与公司，有兴趣和动力去开发更有效率、更微型的能量采集芯片。

其实人类很早就在发展「能量采集」的相关技术。在古早时代，人们就知道利用自然环境中最易取得的风力及水力来带动器械的运转，现在我们仍在沿用这些能量采集及能量转换的技术，差别只在于是以更有效率的方式，更大规模地将水力、风力、太阳能等转换成可供人们方便使用的电能。

简单来说，能量采集有一个基本的观点，它隐含有二个重要的优点，一是「本质上不会消耗能源」，二是「对环境不会造成负面影响」。因此，在最佳状态向，透过这种方式，物联网系统可以形成一个类似于「永动机」的状态。

简单来说，根据德州仪器的统计数据，一般可以采集的微量能量来源，包括振动能(Vibration/Motion)、温差能(Temperature Difference)、光能(Light)，以及功率只达光能百分之一的射频(Radio Frequency；RF)。其中又以振动能较不受环境温度及光照因素的影响而受到瞩目。

振动能转换成电能，依其发电原理又可分为：电磁感应型(Electromagnetic)、静电型(Electrostatic)、磁致伸缩型(Magnetostrictive)及压电型(Piezoelectric)；而因为压电型发电是利用外在环境的振动力使压电材料变形，因此改变了压电材料的电场，进而产生电流，因此具有较高的力电耦合效应，再加上可以用微机电(MEMS)制程达到装置微型化的目的，符合轻薄短小的需求趋势，因此压电型已成为振动型能量采集技术研发的主流之一。

在实例应用方面，如移动中的车辆必定产生振动能，利用能量采集技术从轮胎的震动中提取电能，再直接供电给轮胎上的胎压监测系统(TPMS)芯片，即可大幅减少更换电池的次数；或者又如发电鞋，边走边发电，虽然目前的设计所产生的电量，仍不足以充饱一支手机，但做为紧急或临时电源之用，算是蛮实用的应用，类似装置应用在工业或居家系统领域，可能可以产生更多不同的想像。

当然能量会损耗的，但整合了电力采集技术与PoE架构，物联网处于「随时可动」的状态，其实并不困难。