超低功耗技術(shù)助臂力 無線感測網(wǎng)路實(shí)現(xiàn)自主遠(yuǎn)端監(jiān)控
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無線感測網(wǎng)路系由數(shù)十至數(shù)千個(gè)小型感測器所組成，透過無線的方式和彼此及中央系統(tǒng)進(jìn)行衡量、計(jì)算與溝通等功能，是近期電子領(lǐng)域最具潛力的技術(shù)之一。無線感測網(wǎng)路的個(gè)別感測器或節(jié)點(diǎn)只耗費(fèi)極少的電力，且可收集周遭能源再使用，因此安裝時(shí)無需昂貴的有線基礎(chǔ)架構(gòu)，亦可運(yùn)作多年不須維護(hù)。這些系統(tǒng)既小巧又低價(jià)，稱為「黏貼式」感測器，以強(qiáng)調(diào)安裝相當(dāng)簡便。
無線感測網(wǎng)路包括數(shù)十、數(shù)百甚至是數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)，可打造平價(jià)多點(diǎn)感測，突破過往高價(jià)的障礙，讓低成本、高效能的動態(tài)控制技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。舉例而言，食品倉庫等大型建筑物可設(shè)置眾多無線恒溫器，監(jiān)控溫度與濕度，再回報(bào)至中央系統(tǒng)，以便動態(tài)調(diào)整氣流與冷卻效果，確保狀態(tài)一致，將損害降至最低。
感測器可以安裝在各種特殊位置，如貨架底下、箱柜底部，甚至是食品本身，以便更準(zhǔn)確地測量狀態(tài)變化。這個(gè)案例突顯出無線感測網(wǎng)路應(yīng)用范圍廣泛，如工業(yè)控制或暖通空調(diào)等一向都仰賴感測器的技術(shù)。但隨著感測節(jié)點(diǎn)種類增加，新型應(yīng)用也會誕生，如近身通訊(BAN)可監(jiān)控健康；農(nóng)業(yè)網(wǎng)路協(xié)助栽種谷物；環(huán)境網(wǎng)路協(xié)助降低污染、地震警示、避免山林大火擴(kuò)散等。
智慧電網(wǎng)為分散式智慧應(yīng)用先鋒
分散式感測技術(shù)的一大應(yīng)用在于電力產(chǎn)業(yè)，藉由不斷尋找新方式來測量整個(gè)電網(wǎng)內(nèi)的電力流程，并溝通相關(guān)資訊，以提高服務(wù)效能及可靠性。邁向智慧電網(wǎng)后，不僅能改善服務(wù)品質(zhì)，亦可透過改良基礎(chǔ)架構(gòu)維護(hù)與了解使用模式，降低各項(xiàng)成本。
從電力生產(chǎn)到傳送的階段都能因遠(yuǎn)端感測裝置獲益，如發(fā)電機(jī)、高壓電傳輸、變電所、路邊電線、變壓器，以及家庭、工廠、辦公大樓等每個(gè)使用點(diǎn)(圖1)。這些位置的感測器會偵測使用模式，并回報(bào)至中央系統(tǒng)，協(xié)助電網(wǎng)自行微調(diào)，既可滿足需求，又避免因過載而斷電與縮短設(shè)備壽命。若要整合分散式電力來源，如太陽能、風(fēng)力、地?zé)岬龋娋W(wǎng)智慧化亦不可或缺。
圖1 智慧電網(wǎng)延伸智慧與全方向通訊至整體供電系統(tǒng)，建立更可靠且更高效能的用電環(huán)境。
為讓不具智慧的設(shè)備溝通，相關(guān)發(fā)展包括智慧家庭、智慧工廠及統(tǒng)稱為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的概念，但無論名稱或主要使用領(lǐng)域?yàn)楹危@些形式的分散式智慧都將創(chuàng)造新型應(yīng)用，提高便利性與產(chǎn)能。
在智慧電網(wǎng)內(nèi)，無線節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)部分分散式智慧，因?yàn)樵S多感測器仍將使用有線資料網(wǎng)路或電線本身，做為實(shí)體網(wǎng)路媒介，不過很重要的一點(diǎn)是，電力公司已開始采用無線技術(shù)傳遞各項(xiàng)測量數(shù)據(jù)。
建置無線智慧電表系統(tǒng) 無線感測網(wǎng)路擔(dān)當(dāng)重任
這幾年來，公用事業(yè)逐漸汰換傳統(tǒng)機(jī)械電表，改用可無線讀取的數(shù)位電表，至少可節(jié)省每月派人抄寫數(shù)據(jù)的成本。如今，只須經(jīng)過讀取裝置即可取得讀數(shù)，大大減少統(tǒng)計(jì)時(shí)間。更復(fù)雜的電表能涵蓋更廣大區(qū)域，藉由搜集和傳送資料，協(xié)助公用事業(yè)估計(jì)需求變化，并提高服務(wù)效能。
過往為無線公用事業(yè)收費(fèi)表所開發(fā)的技術(shù)，今日已應(yīng)用于新世代元件，因?yàn)楹碾姼?，故適用于無線網(wǎng)路感測節(jié)點(diǎn)。無線感測網(wǎng)路運(yùn)用這些解決方案后，有助于推廣智慧技術(shù)深入住家、辦公室、工廠、農(nóng)莊、休憩區(qū)、自然區(qū)等，任何地區(qū)若須要收集資料，協(xié)助人們了解與控制情況，都很適合。
超低功耗為無線感測網(wǎng)路關(guān)鍵
設(shè)計(jì)遠(yuǎn)距無線感測裝置時(shí)，必須在多種系統(tǒng)要求之間求取平衡，包括元件的尺寸、成本、貨源可靠性，也得設(shè)計(jì)相關(guān)的支援工具和軟體資料庫。然而對于遠(yuǎn)距感測節(jié)點(diǎn)而言，最根本的要素仍是超低功耗元件，若無超低功耗的微控制器(MCU)、記憶體、感測器、收發(fā)器及其他系統(tǒng)功能，遠(yuǎn)距無線感測裝置就無法達(dá)成平價(jià)建置的目標(biāo)。此外，能夠收集與儲存周遭光源、振動或熱能的技術(shù)，也是這些裝置與無線感測網(wǎng)路成敗的關(guān)鍵。
任何測量系統(tǒng)的核心均為微控制器，其負(fù)責(zé)計(jì)算與控制功能；無線感測節(jié)點(diǎn)需要超低功耗微處理器(MPU)，在超過99%的時(shí)間內(nèi)維持休眠狀態(tài)，以節(jié)省用電?；顒又芷趧t包括迅速復(fù)蘇、有效率地執(zhí)行測量、通訊及控制功能，再進(jìn)入休眠狀態(tài)。由于感測器可能應(yīng)用種類眾多，微控制器必須包括足夠的周邊功能，才可以保持彈性，同時(shí)關(guān)閉未使用功能以減少用電量。另一方面，微控制器軟體編寫時(shí)，必須將運(yùn)作降至最低，并善用裝置內(nèi)建的各種節(jié)能措施。
其他系統(tǒng)元件設(shè)計(jì)時(shí)，也必須仿照微控制器，在運(yùn)作時(shí)把功耗降至最低，記憶體大小必須足以儲存程式和資料，速度也得夠快，才能在微控制器蘇醒時(shí)，支援短暫的活動周期；但記憶體也必須設(shè)計(jì)節(jié)能讀寫功能，并在休眠周期保留儲存資料時(shí)，避免電力消耗。
資料轉(zhuǎn)換器速度必須夠快，以支援系統(tǒng)輸入及輸出，但只能消耗必要能源；超低功耗發(fā)送器則須能快速開關(guān)，在活動周期內(nèi)收發(fā)短脈沖資料(Short Burst of Data)，發(fā)送范圍也得夠廣，符合網(wǎng)路需求，且可能要彈性支援多種傳輸格式。依據(jù)網(wǎng)路需求而異，節(jié)點(diǎn)也可能得接收資料，因此在節(jié)省用電上的考量也略有不同。
供電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)對無線感測節(jié)點(diǎn)極為重要。電源無論來自太陽能板、熱能、壓電轉(zhuǎn)換器或其他裝置，都必須有線路支援，即使周遭條件不穩(wěn)定，其設(shè)計(jì)應(yīng)仍可達(dá)到最高的能源采集效果。能源無論儲存在充電電池或超級電容器內(nèi)，都必須謹(jǐn)慎管理，才可達(dá)到能源優(yōu)化，并滿足所需。感測溫度、電流、化學(xué)物質(zhì)或其他環(huán)境條件的元件也得夠敏感，才可掌握正確讀數(shù)，但又不耗費(fèi)太多電。這些元件若經(jīng)過慎選，在功能性與低功耗之間求取平衡，感測節(jié)點(diǎn)應(yīng)可自主運(yùn)作多年無虞。
FRAM襄助 無線感測MCU更節(jié)能
無線感測解決方案中的微控制器架構(gòu)另一項(xiàng)重點(diǎn)，在于整合鐵電隨機(jī)存取記憶體(FRAM)。FRAM與動態(tài)隨機(jī)存取記憶體(DRAM)結(jié)構(gòu)相同，但資料以結(jié)晶狀態(tài)儲存，而非電荷，因此FRAM的讀寫存取和周期次數(shù)類似DRAM，可是尺寸更小、體積更為壓縮；且因?yàn)镕RAM為非揮發(fā)性記憶體(Non-volatile)，能在系統(tǒng)電源關(guān)閉時(shí)繼續(xù)保留資料；再對比非揮發(fā)性快閃(Flash)記憶體，F(xiàn)RAM速度較快、所需電力明顯較低、寫入次數(shù)明顯較多。微控制器整合FRAM后，代表無線感測節(jié)點(diǎn)等超低功耗系統(tǒng)的省電功能又邁進(jìn)一大步。
快閃記憶體的一大問題在于寫入所需電壓相對較高，達(dá)10?15V左右，因此必須使用電荷幫浦，每次運(yùn)作也得耗費(fèi)大量電力。另一方面，快閃記憶體寫入前必須先清除，這個(gè)步驟增加寫入的運(yùn)作復(fù)雜度，干擾系統(tǒng)運(yùn)作，系統(tǒng)其他區(qū)塊必須空著等，也浪費(fèi)時(shí)間與電力；再者，快閃記憶體寫入上限約萬次，對于常常得在一秒或數(shù)秒內(nèi)更新資料數(shù)次，又得經(jīng)年累月反覆操作的系統(tǒng)來說，這項(xiàng)上限絕對不夠。
盡管快閃記憶體常用于儲存程式，上述因素造成無法儲存資料，故得以發(fā)揮性靜態(tài)隨機(jī)存取記憶體(SRAM)區(qū)塊取代。當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)，資料須從SRAM寫入快閃記憶體，才能進(jìn)行非揮發(fā)儲存，待通電時(shí)SRAM又得向快閃記憶體讀取資料。
FRAM為每位元均可獨(dú)立讀寫的隨機(jī)存取記憶體，寫入過程也僅需一個(gè)步驟，毋須分別清除。FRAM寫入時(shí)所需電力僅1.5V，故不需電荷幫浦，也不會因清除資料而干擾系統(tǒng)，導(dǎo)致結(jié)果延遲?；谶@些理由，F(xiàn)RAM寫入速度比快閃記憶體高出百倍，但寫入所需電力最高可減少二百五十倍(表1)。此外，F(xiàn)RAM基本上并無寫入上限，寫入循環(huán)達(dá)一千零一十五倍以上，故可使用記憶體儲存資料，程式與資料記憶體可依應(yīng)用所需結(jié)合或切割，資料在斷電時(shí)仍留存在記憶體內(nèi)，故設(shè)計(jì)時(shí)不但毋須外加電荷幫浦，也不需大型電容器。對無線感測節(jié)點(diǎn)等能源采集系統(tǒng)而言，F(xiàn)RAM的節(jié)能效果有助系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功。
打造低成本無線感測節(jié)點(diǎn) 奈米電力能源采集扮要角
無線感測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)若要成功，須自環(huán)境收集能源，能源子系統(tǒng)須優(yōu)化來自太陽能、熱電、電磁、振動的所有微小電力，再儲存于鋰離子電池或超級電容器等裝置內(nèi)。
最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)能優(yōu)化直流電采集器取得的能源，如在各種光線下的太陽能板，或是各種熱能條件下的熱電發(fā)電機(jī)，結(jié)果可能相當(dāng)驚人：在小型太陽能系統(tǒng)內(nèi)，相較于線性穩(wěn)壓器，使用這項(xiàng)裝置能增加可用能源達(dá)三成至七成。如此效率能幫助研發(fā)人員自小型太陽能板及其他轉(zhuǎn)能器采集更多能源，以更低成本建置更小的感測節(jié)點(diǎn)。
無線感測網(wǎng)路讓生活更智慧
如今智慧電網(wǎng)逐步形成，在家庭、辦公室、工廠，甚至是戶外，皆隨處可見智慧通訊設(shè)備，而無線感測網(wǎng)路將延伸這些設(shè)備及其網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控情況并回報(bào)至中央系統(tǒng)，大幅擴(kuò)增管控區(qū)域。
這些無線感測網(wǎng)路必須仰賴平價(jià)的超低功耗元件，藉此采集周遭能源、感測當(dāng)?shù)貤l件、發(fā)揮必要測量功能、定期透過無線途徑傳輸資訊。
晶片商運(yùn)用過往無線公用事業(yè)計(jì)費(fèi)表及其他應(yīng)用裝置的經(jīng)驗(yàn)，已開發(fā)出這項(xiàng)技術(shù)，更推出各項(xiàng)產(chǎn)品，為諸多應(yīng)用裝置建置黏貼式感測節(jié)點(diǎn)。拜半導(dǎo)體技術(shù)之賜，智慧網(wǎng)路正一步步擴(kuò)大智慧生活的領(lǐng)域。
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