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電機資工的現況與未來:免電池物聯網的實現
物聯網可實現人與物品之間的信息溝通,是萬物相連的新未來;而物聯網要能夠普遍應用,無線感測器網路占有很重要的地位。
 
 
 
下一個產業浪潮

物聯網是指把所有「有形物體」與「網際網路系統」結合的智慧化管理系統。

以現代社會「人聯網」的發展歷程做譬喻,在還沒發明電話的時代,人們想聯繫遠方的親友,只能長途跋涉親身拜訪或透過書信。而當今,透過電話系統與行動裝置,人與人之間隨時可用行動電話聯繫,即時、直接、不受距離限制,形成了人聯網。

因此,對照於現在人類尚無法跟遠端的有形物體直接聯繫的限制,物聯網簡單地說,就是幫各式各樣有形物體安裝行動裝置,給它一個身分號碼供辨識用,令它具備無線上網的功能。不管這些物體到哪裡去,經歷什麼樣的環境變化,我們都能夠「打電話」給它,也能接收它的來電,於是不但能得知它的近況,還能指示它做什麼,達到即時、直接、不受距離限制的智慧化管理。

物聯網可實現人與物品之間的信息溝通,因此被稱為繼電腦、網路、行動通訊之後下一個影響世界發展的產業浪潮。物聯網將以新一代資訊科技整合人類社會與物理系統,把無線射頻辨識標籤及感測器裝備到鐵路橋梁、油氣管道等公共設備,或個人隨身物品與穿戴用物品中,然後與現有的網路整合,由超級強大的中心電腦群對網路內的人員、機器和設備實施即時的管理和控制。

國際電信聯盟曾描繪物聯網時代的願景:手機會提供主人即時的健康監控與諮詢,公事包會提醒主人出門忘了帶什麼東西,當司機出現操作失誤時汽車會自動警示,衣服會告訴洗衣機對顏色和水溫的要求等。毫無疑問的,如果物聯網時代來臨,日常生活會發生翻天覆地的變化。

建立物聯網是一個把現實世界數位化的龐大工程,根據預測,2020年以前大約有300億個物品會進入無線傳訊的物聯網中。這300億個物品可能應用在大型公共設備上,也可能應用於各種穿戴式、行動式或植入式的個人裝置中。

把300億個物品建構到物聯網所牽涉的挑戰很廣,包含物聯網裝置的尺寸限制、如何連接網路、如何確保資料傳輸的安全性與隱密性、電源供應等。其中,電能來源是最嚴峻的考驗,因為當電池壽命耗盡時,無論是更換300億個電池或替300億個電池充電,都會耗費高昂的人力、財力與時間成本。

此外,在尺寸與能源限制下,如何達到高效率無線傳輸、如何保證資料傳輸的靈敏可靠、如何延長電池每次充電循環使用時間,都考驗著無線通訊技術與系統設計。

因此,以下從能源的角度出發,探討如何在物聯網裝置中,以「獵能技術」搭配「低功耗裝置」解決物聯網電力的需求。

微型獵能技術

環境獵能技術是一種從周遭環境收集能量、儲存能量,並轉換成電能的技術。相較於電池供電,利用環境自主發電的獵能技術具有顯著的優勢—能源幾乎取之不盡,並盡可能地減低對環境的影響。由於物聯網物品的壽命可能長達好幾年,若要避免電源更換或充電過程中所需要的成本,使用超低功率的裝置自是一大關鍵。若物聯網裝置本身能源源不絕地產生電力,就可能使物聯網裝置永續不斷地運作。

獵能技術並不是新創的,幾世紀以來人類已經有風車、水車、太陽能等形式的應用。近年來,迷你型的獵能器已經內建到計算機、手電筒、玩具、電子鑰匙等之中,進入了我們的日常生活。而未來更進一步的發展,就是把體積更微小、效能更高的微型獵能器建構到穿戴裝置和物聯網裝置中。

使用微型獵能器維持物聯網裝置永久持續的操作是物聯網時代的目標。目前的微型獵能器,根據能量的來源可分為光能、熱能、振動能、電磁波能四大類。

在光能方面,大型太陽能板是取得光能最常見的技術。在強烈的日照下,每1平方公分的太陽能板大約可以產生10毫瓦(10−3 W)的平均功率,在4種獵能方式中產生的能量最大。缺點是產生的電能完全仰賴日照的強度,需要配合電源管理系統,在能量充沛時儲存於蓄電池中,以供陰雨天或夜晚使用。

在溫差方面,熱電式獵能器是利用兩個不同的金屬或半導體之間的溫度差,形成熱電效應而產生電壓。儘管只要有足夠大的熱電板和環境溫度差異,就可以產生穩定的能量,不過電壓較小,需要使用變壓器提高輸出電壓,才能供物聯網裝置使用。

至於振動形式的動能,例如橋梁、汽車和工廠產生的機械結構振動,可以透過彈簧或壓電材料轉變成電能。這種轉換產生的電壓可高達1,000伏特以上,也能產生毫瓦範圍內的電力。

現今都市中有許多頻段的電磁波訊號,例如廣播、行動電話、WiFi等,除了在通訊或與外界進行資料交換而需使用電磁波外,其他時間多數的電磁波並未產生效用。收集四周環境中的電磁波轉為電源,會是無線充電的另一個新里程碑。目前技術仍受到充電距離短,以及產生的能量小於應用所需的數量級的限制。

由於光能、熱能和動能的獵能器具有不同的特點,產生的電壓並不穩定,產生的電能可能是間歇性的,有時甚至無法提供任何電力。因此,一個完整的能量採集系統必須包括獵能器、儲能器和電源管理電路來保證穩定的電源輸出,以匹配負載的應用電路。

無線感測網路

物聯網要能夠普遍在商業、醫療、工業或生態環境中實現,無線感測器網路占有很重要的地位。新一代無線感測器將由採集的能源來供電,因而不需使用電池。

無線感測器通常由1個或多個感應器、無線電收發器與微處理器所構成。感應器負責偵測外在環境中的溫度、溼度、壓力等的變化;無線電收發器負責使感測資料與相鄰的無線感測器分享,或上傳到資料處理中心;微處理器則根據通訊協定處理這些原始數據,控制無線電收發器傳送訊息。

無線電收發器

無線通訊能力是物聯網裝置中最重要的功能之一,藉由無線感測器網路的偵測,網路中的每一個單元或節點才可與鄰近的單元或基地台溝通,或與外部網路、雲端資料中心連接而取得外界訊息。

在無線感測器網路系統中,無線接收器與發射器就占了總體功耗的90%以上,相對於整個物聯網裝置的功耗,無線通訊的功耗占顯著的比率,成為技術上最大的瓶頸。因此,超低功耗的無線電收發器是實現無遠弗屆的物聯網的關鍵技術。

幾乎所有無線感測器都以降低工作周期的方式來達到省電的目的。降低工作周期,可以想像成調整感測器實際上工的時間,如果感測器每操作1分鐘就休息9分鐘,我們稱這樣的工作周期是10%,理想上,在同樣的電能供應下,待機的時間就可以增長10倍。降低感測器工作周期的意義,是只在少數時間激發無線電收發器,僅在需要的時候發送必要數據,因為大部分感測器需要傳遞的數據量並不高,因此無線感測器多數時間(甚至可高於99%以上)處在休眠狀態,大幅降低平均功耗。

對於發射器而言,降低工作周期是一個非常有效的節省電能的方法,但對於需要隨時保持待命狀態的接收器,卻不能用同樣的方法節能。因為一旦發射器發送訊息而接收器卻在休眠,就會造成數據傳輸的失敗。因此,低工作周期的無線通訊需要克服發射器和接收器在同步工作上的挑戰,確保它們在同一個時間「醒來」執行功能。

同步的方法之一就是提供一個標準時間給它們對時。安置一個網路共用的標準時鐘,讓每一個傳輸節點內建的計時器跟標準時鐘對時,然後由計時器定時把無線電收發器喚醒來操作。但缺點是,經常性的對時動作會消耗相當大的電力,而且在沒有任何通訊需求時把收發器喚醒,更會造成不必要的能源耗費。

另一個方法是需求導向的通訊協定,也就是收到通訊請求才啟動接受器的通訊協定。由發射器持續發出前導信號,指示數據傳輸的需求,而接收器只需要定期地啟動以監控通訊通道來接收這通訊請求。這個方法的好處是不要求時間同步、不需要網路連絡共用的標準時鐘,缺點是會造成網路通訊的延遲,延遲的時間與接收器監測的時間成反比。換句話說,低延遲意味著接收器必須更頻繁地探測、接收時間加長、發射器應該重複多次請求,以保證發送與接收能夠接軌。因此這個方法是一個功耗與時間延遲的權衡選擇。

最近的技術發展是使用一個額外的輔助接收器,稱為喚醒接收器,可以克服上述方式中進退兩難的困境。喚醒接收器具有非常低的功耗,能夠持續監聽通訊網路中的請求訊號。每當發射單元發送出一個通訊請求時,喚醒接收器檢測到這一個訊號就喚醒在休眠中的數據接收器,讓接收器開始執行接收數據的功能。這樣一個透過喚醒的通訊協定,不再需要在時間同步上消耗電力,還能顯著地減少延遲,打破了在功耗和時間延遲之間的權衡,真正實現了超低功耗無線通訊。

由於這個喚醒接收器需要的功能較數據接收器簡單,先進的喚醒接收器功耗甚至小於原本數據接收器的百分之一,在沒有通訊要求時,無線感測節點中大部分的電路會進入睡眠狀態,大幅降低平均功耗,僅留下喚醒接收器和環境獵能器持續獵取能源,實驗上已經可以達到無限長的待機時間。

超低功耗無線感測是一個技術上尚有重重困難、但應用潛力無限廣大的領域,因此激發了無數的科學家與工程師源源不絕的努力和創造力,在各種軟硬體的面向上突破現有技術的瓶頸,為逐步建構中的物聯網開啟了新的可能性與發展領域。未來的應用可包括短距離機器對機器、無線個人區域網路和無線近身通訊中的醫療感測器,以及針對新興感測和自動化市場的其他需求。這類無線電應用將不需使用資料密集的連續通訊方式,改採用低工作周期傳輸模式,同時採用更小儲能裝置和獵能設備的可替代能源方案,以期達到能源自主、永續操作的目標。

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