超低功耗技術助臂力 無線感測網(wǎng)路實現(xiàn)自主遠端監(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)進行衡量、計算與溝通等功能，是近期電子領域最具潛力的技術之一。無線感測網(wǎng)路的個別感測器或節(jié)點只耗費極少的電力，且可收集周遭能源再使用，因此安裝時無需昂貴的有線基礎架構，亦可運作多年不須維護。這些系統(tǒng)既小巧又低價，稱為「黏貼式」感測器，以強調安裝相當簡便。
無線感測網(wǎng)路包括數(shù)十、數(shù)百甚至是數(shù)千個節(jié)點，可打造平價多點感測，突破過往高價的障礙，讓低成本、高效能的動態(tài)控制技術得以實現(xiàn)。舉例而言，食品倉庫等大型建筑物可設置眾多無線恒溫器，監(jiān)控溫度與濕度，再回報至中央系統(tǒng)，以便動態(tài)調整氣流與冷卻效果，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，以便更準確地測量狀態(tài)變化。這個案例突顯出無線感測網(wǎng)路應用范圍廣泛，如工業(yè)控制或暖通空調等一向都仰賴感測器的技術。但隨著感測節(jié)點種類增加，新型應用也會誕生，如近身通訊(BAN)可監(jiān)控健康；農業(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、避免山林大火擴散等。
智慧電網(wǎng)為分散式智慧應用先鋒
分散式感測技術的一大應用在于電力產業(yè)，藉由不斷尋找新方式來測量整個電網(wǎng)內的電力流程，并溝通相關資訊，以提高服務效能及可靠性。邁向智慧電網(wǎng)后，不僅能改善服務品質，亦可透過改良基礎架構維護與了解使用模式，降低各項成本。
從電力生產到傳送的階段都能因遠端感測裝置獲益，如發(fā)電機、高壓電傳輸、變電所、路邊電線、變壓器，以及家庭、工廠、辦公大樓等每個使用點(圖1)。這些位置的感測器會偵測使用模式，并回報至中央系統(tǒng)，協(xié)助電網(wǎng)自行微調，既可滿足需求，又避免因過載而斷電與縮短設備壽命。若要整合分散式電力來源，如太陽能、風力、地熱等，電網(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。
為讓不具智慧的設備溝通，相關發(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域為何，這些形式的分散式智慧都將創(chuàng)造新型應用，提高便利性與產能。
在智慧電網(wǎng)內，無線節(jié)點只負責部分分散式智慧，因為許多感測器仍將使用有線資料網(wǎng)路或電線本身，做為實體網(wǎng)路媒介，不過很重要的一點是，電力公司已開始采用無線技術傳遞各項測量數(shù)據(jù)。
建置無線智慧電表系統(tǒng) 無線感測網(wǎng)路擔當重任
這幾年來，公用事業(yè)逐漸汰換傳統(tǒng)機械電表，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)計時間。更復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)估計需求變化，并提高服務效能。
過往為無線公用事業(yè)收費表所開發(fā)的技術，今日已應用于新世代元件，因為耗電更少，故適用于無線網(wǎng)路感測節(jié)點。無線感測網(wǎng)路運用這些解決方案后，有助于推廣智慧技術深入住家、辦公室、工廠、農莊、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)路關鍵
設計遠距無線感測裝置時，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，也得設計相關的支援工具和軟體資料庫。然而對于遠距感測節(jié)點而言，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，遠距無線感測裝置就無法達成平價建置的目標。此外，能夠收集與儲存周遭光源、振動或熱能的技術，也是這些裝置與無線感測網(wǎng)路成敗的關鍵。
任何測量系統(tǒng)的核心均為微控制器，其負責計算與控制功能；無線感測節(jié)點需要超低功耗微處理器(MPU)，在超過99%的時間內維持休眠狀態(tài)，以節(jié)省用電?；顒又芷趧t包括迅速復蘇、有效率地執(zhí)行測量、通訊及控制功能，再進入休眠狀態(tài)。由于感測器可能應用種類眾多，微控制器必須包括足夠的周邊功能，才可以保持彈性，同時關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，必須將運作降至最低，并善用裝置內建的各種節(jié)能措施。
其他系統(tǒng)元件設計時，也必須仿照微控制器，在運作時把功耗降至最低，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，支援短暫的活動周期；但記憶體也必須設計節(jié)能讀寫功能，并在休眠周期保留儲存資料時，避免電力消耗。
資料轉換器速度必須夠快，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，在活動周期內收發(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)設計對無線感測節(jié)點極為重要。電源無論來自太陽能板、熱能、壓電轉換器或其他裝置，都必須有線路支援，即使周遭條件不穩(wěn)定，其設計應仍可達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，都必須謹慎管理，才可達到能源優(yōu)化，并滿足所需。感測溫度、電流、化學物質或其他環(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)點應可自主運作多年無虞。
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另一項重點，在于整合鐵電隨機存取記憶體(FRAM)。FRAM與動態(tài)隨機存取記憶體(DRAM)結構相同，但資料以結晶狀態(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；且因為FRAM為非揮發(fā)性記憶體(Non-volatile)，能在系統(tǒng)電源關閉時繼續(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)點等超低功耗系統(tǒng)的省電功能又邁進一大步。
快閃記憶體的一大問題在于寫入所需電壓相對較高，達10?15V左右，因此必須使用電荷幫浦，每次運作也得耗費大量電力。另一方面，快閃記憶體寫入前必須先清除，這個步驟增加寫入的運作復雜度，干擾系統(tǒng)運作，系統(tǒng)其他區(qū)塊必須空著等，也浪費時間與電力；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)隨機存取記憶體(SRAM)區(qū)塊取代。當系統(tǒng)斷電時，資料須從SRAM寫入快閃記憶體，才能進行非揮發(fā)儲存，待通電時SRAM又得向快閃記憶體讀取資料。
FRAM為每位元均可獨立讀寫的隨機存取記憶體，寫入過程也僅需一個步驟，毋須分別清除。FRAM寫入時所需電力僅1.5V，故不需電荷幫浦，也不會因清除資料而干擾系統(tǒng)，導致結果延遲?；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用所需結合或切割，資料在斷電時仍留存在記憶體內，故設計時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)設計成功。
打造低成本無線感測節(jié)點 奈米電力能源采集扮要角
無線感測節(jié)點設計若要成功，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。
最大功率點追蹤(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，結果可能相當驚人：在小型太陽能系統(tǒng)內，相較于線性穩(wěn)壓器，使用這項裝置能增加可用能源達三成至七成。如此效率能幫助研發(fā)人員自小型太陽能板及其他轉能器采集更多能源，以更低成本建置更小的感測節(jié)點。
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備，而無線感測網(wǎng)路將延伸這些設備及其網(wǎng)絡，監(jiān)控情況并回報至中央系統(tǒng)，大幅擴增管控區(qū)域。
這些無線感測網(wǎng)路必須仰賴平價的超低功耗元件，藉此采集周遭能源、感測當?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。
晶片商運用過往無線公用事業(yè)計費表及其他應用裝置的經(jīng)驗，已開發(fā)出這項技術，更推出各項產品，為諸多應用裝置建置黏貼式感測節(jié)點。拜半導體技術之賜，智慧網(wǎng)路正一步步擴大智慧生活的領域。
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