在物聯(lián)網(wǎng)的感測(cè)層中，負(fù)責(zé)了前端資料搜集與擷取，無(wú)論是RFID、電壓、電流、溫度等環(huán)境傳感器，或是結(jié)合能量采集和電源管理的壓電開(kāi)關(guān)、熱電產(chǎn)生器、熱電堆等環(huán)境傳感器等，物聯(lián)網(wǎng)的物物相連，唯有靠這些感測(cè)組件來(lái)建構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的眼耳鼻口，才能完成大數(shù)據(jù)的云端數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)搜集、擷取、運(yùn)算、分析與數(shù)據(jù)智能化…

無(wú)線傳感器技術(shù)與日俱進(jìn)

環(huán)境傳感器最早可追朔到美軍在越戰(zhàn)時(shí)期，因?yàn)樵侥系拿艿膮擦旨由隙嘤甑牡乩憝h(huán)境，使得衛(wèi)星與偵查機(jī)的情資搜集成效不彰，因此美軍透過(guò)運(yùn)輸機(jī)將許多振動(dòng)感測(cè)裝置空投到戰(zhàn)區(qū)，以偵察裝甲車(chē)與部隊(duì)所造成的地面震動(dòng)，進(jìn)而提早預(yù)警并切斷越共的補(bǔ)給。

前述的軍事應(yīng)用之外，還可以用來(lái)做環(huán)境監(jiān)測(cè)(如天氣、光線、污染等變化)、工程安全(如橋梁、建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè))、都市交通監(jiān)測(cè)，以及各種工作與娛樂(lè)場(chǎng)所的防范監(jiān)控等等。

進(jìn)入21世紀(jì)，拜集成電路(IC)、無(wú)線通信(Wireless Communication)與微機(jī)電(MEMS)等技術(shù)的加持，傳感器(Sensor)技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，不僅傳感器越做越小，從區(qū)域的感測(cè)點(diǎn)布置、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(Sensor Node)到整體布設(shè)成本都能獲得有效的縮減。

唯有低功耗、高整合度，甚至具備環(huán)境擷取能力的傳感器得以勝出。

IP Cam建構(gòu)數(shù)字家庭的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

以眾多無(wú)線傳感器(Wireless Sensor)所建構(gòu)出來(lái)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks;WSN)的WSN，不僅涵蓋了大面積的數(shù)據(jù)搜集、數(shù)據(jù)監(jiān)控、自主運(yùn)算、自主傳輸?shù)痊F(xiàn)代化技術(shù)，其應(yīng)用上也日漸蓬勃發(fā)展。

建構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)感測(cè)層/感知云的感測(cè)組件

傳感器(Sensor)從早期的模擬式到近年的數(shù)字式，對(duì)于光線、熱量、溫度、濕度、壓力、磁力、電場(chǎng)、機(jī)械、化學(xué)等環(huán)境，都能做極細(xì)微且精準(zhǔn)的感測(cè)與數(shù)據(jù)采集;同時(shí)其數(shù)據(jù)傳輸方式，也從原本有線連接進(jìn)展成無(wú)線傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)。

有鑒于近年來(lái)智能裝置的流行，開(kāi)啟了IoT(Internet of Things;物聯(lián)網(wǎng))的全新應(yīng)用，在物聯(lián)網(wǎng)包含應(yīng)用層、云端服務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)層及裝置/平臺(tái)層等4個(gè)層級(jí)中，感測(cè)組件位于網(wǎng)絡(luò)層及裝置層，也被視為隸屬云端物聯(lián)網(wǎng)的一環(huán)-感知云(Sensor Cloud)。

而一個(gè)無(wú)線傳感器，其硬件架構(gòu)可包含：

1. 微控制器(Micro Controller Unit;MCU)，通常這類(lèi)MCU頻率在200MHz以下，CPU內(nèi)嵌小量的SRAM/DRAM/Flash內(nèi)存，并且存放小型的固件OS與軟件，負(fù)責(zé)執(zhí)行感測(cè)數(shù)據(jù)采集與運(yùn)算。

2. 電力供應(yīng)單元(Power Unit)，一般會(huì)使用到像是網(wǎng)絡(luò)電力線(Power Over Ethernet;PoE)、鋰電池，或者是采用太陽(yáng)能、壓電開(kāi)關(guān)(Piezo Switch)，或可借助環(huán)境磁力、無(wú)線電波產(chǎn)生電源的環(huán)境能源采集(Energy Harvesting)的設(shè)計(jì)。

3. 一到多個(gè)感測(cè)單元，像是包含光線、溫度、濕度、壓力、磁力、振動(dòng)、電流等的變化。通常會(huì)采用MEMS微機(jī)電感測(cè)組件。

4. 無(wú)線射頻單元(RF Transceiver)。

通常應(yīng)用到像是RFID，或其它支持低功耗的無(wú)線電傳輸，例如低于1GHz頻段的Z-Wave、Thread，900MHz/2.4GHz頻段的ZigBee，2.4GHz頻段的低功耗藍(lán)牙(Bluetooth Smart)中低速率無(wú)線傳輸技術(shù)的RF芯片，傳送少量量測(cè)數(shù)據(jù)封包后即刻關(guān)閉以節(jié)省電力;傳遞到感測(cè)中繼站(Sensor Hub)匯集后，才轉(zhuǎn)以較高速率的Wi-Fi 802.11a/b/g/n或3G/3.5G方式傳送到中央服務(wù)器。

傳感器成本結(jié)構(gòu)與低功耗設(shè)計(jì)

傳感器(尤其是無(wú)線傳感器)最大成本為CPU/MCU與RF射頻單元，有傳感器業(yè)者借助先進(jìn)半導(dǎo)體與封裝制程MCP甚至SoC方式加整合、密集化。目前無(wú)線傳感器的體積可以做到僅一枚硬幣大小，而具備802.11a/b/g/n Wi-Fi無(wú)線中繼傳輸節(jié)點(diǎn)，差不多跟一支隨身碟、口香糖的大小相當(dāng)。

有些長(zhǎng)被應(yīng)用在像是火山口、酷寒地帶、湖泊或高架道路橋梁等，屬于難以接觸且維護(hù)上比較不容易的區(qū)域的傳感器，為了降低安裝與頻頻更換電池的維護(hù)成本，這類(lèi)傳感器被嚴(yán)格要求到，僅憑電池就能運(yùn)作3～20年，有些還輔以太陽(yáng)能、壓電開(kāi)關(guān)、磁力、振動(dòng)或擷取環(huán)境無(wú)線訊號(hào)的方式就能產(chǎn)生微弱的電力，使整個(gè)無(wú)線傳感器能持續(xù)運(yùn)作。

Research MOS/IDTechEx就預(yù)測(cè)，環(huán)境擷電的感測(cè)裝置在2012年市場(chǎng)總值為1.31億美元。到2019年將達(dá)到42億美元，以及超過(guò)100億組的裝置量。

在居家自動(dòng)化中，從早期煙霧傳感器、瓦斯傳感器、玻璃窗被入侵傳感器等應(yīng)用，到近期像早期的到近期LED燈具的環(huán)境/情景設(shè)定、光源亮度設(shè)定，以及電動(dòng)窗簾自動(dòng)啟閉。像恩智浦(NXP)發(fā)表以壓電原理(Piezo)設(shè)計(jì)的無(wú)線切換開(kāi)關(guān)，按下開(kāi)關(guān)就能產(chǎn)成電力驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的射頻芯片，傳輸訊號(hào)到支持ZigBee的無(wú)線LED燈具上。而也有廠商紛紛開(kāi)發(fā)出以Z-Wave、ZigBee、BluetoothSmart或Wi-Fi無(wú)線遙控的LED燈具、家電、門(mén)鎖等應(yīng)用。

區(qū)域自主運(yùn)算(Local Processing)則是新一代無(wú)線傳感器的設(shè)計(jì)新趨勢(shì)。平時(shí)無(wú)線傳感器MCU與RF處于睡眠節(jié)能模式，一有量測(cè)訊號(hào)出現(xiàn)時(shí)先開(kāi)啟MCU，做好數(shù)據(jù)簡(jiǎn)易判斷確認(rèn)后，快速開(kāi)啟RF單元傳送數(shù)據(jù)后關(guān)閉RF與MCU，重返節(jié)能模式。另外固件空中更新(Over-The Air;OTA)的設(shè)計(jì)，方便日后借助遠(yuǎn)程無(wú)線方式傳送固件數(shù)據(jù)，對(duì)廣大的傳感器的固件進(jìn)行更新作業(yè)。

監(jiān)控產(chǎn)品導(dǎo)入物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

無(wú)論是工廠、公司機(jī)關(guān)或是家庭，安全監(jiān)控系統(tǒng)(Surveillance)產(chǎn)品所涵蓋到的網(wǎng)絡(luò)攝影機(jī)(IP Cam)、影像監(jiān)控軟件、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、影像儲(chǔ)存裝置等四大類(lèi)，正是最早期物聯(lián)網(wǎng)中感知層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層的應(yīng)用(只是無(wú)法透過(guò)網(wǎng)絡(luò)查詢，算是私有云性質(zhì))。

當(dāng)隨著互聯(lián)網(wǎng)、云端運(yùn)算與物聯(lián)網(wǎng)的浪潮下，監(jiān)控市場(chǎng)業(yè)者也紛紛開(kāi)發(fā)安控產(chǎn)品使用的CCD攝影機(jī)、直接一條網(wǎng)絡(luò)線做供電/傳輸數(shù)據(jù)的PoE網(wǎng)絡(luò)攝影機(jī)(IP Cam)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)攝影機(jī)(Wi-Fi Cam)、影像監(jiān)控軟件、網(wǎng)絡(luò)錄像機(jī)(NVR)、網(wǎng)絡(luò)影像服務(wù)器等監(jiān)控設(shè)備與產(chǎn)品。

監(jiān)控?cái)z影機(jī)依內(nèi)部影像傳感器(Image Sensor)技術(shù)，可分為CCD與CMOS兩大類(lèi)。近年來(lái)CMOS影像傳感器(CMOS Image Sensor;CIS)在圖像處理、訊號(hào)降噪、背光寬動(dòng)態(tài)等整體影像表現(xiàn)已追上CCD，且成本更為便宜。

當(dāng)前主打數(shù)字家庭的低照度高清(HD)的IP網(wǎng)絡(luò)攝影機(jī)，畫(huà)素從200～1,000萬(wàn)不等，用戶可借助智能手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)或筆電，隨時(shí)透過(guò)云端來(lái)監(jiān)控居家的影像狀態(tài)。較高階的產(chǎn)品還會(huì)提供IR紅外線補(bǔ)光、動(dòng)作與聲音偵測(cè)自動(dòng)錄像，以及雙向耳機(jī)/麥克風(fēng)錄音、屏幕顯示功能，使得在居家被照顧的老人、病患，或被監(jiān)控的孩童或?qū)櫸铮材苈?tīng)到甚至看到來(lái)自遠(yuǎn)程主人的聲音或影像。

由于Wi-Fi 802.11a/b/g/n與WCDMA/3.5G HSDPA等無(wú)線/移動(dòng)通訊方案的普及，開(kāi)始也有安控業(yè)者，將無(wú)線/移動(dòng)通訊模塊設(shè)計(jì)整合于攝影機(jī)內(nèi)部，或提供可擴(kuò)充的Wi-Fi/3.5G附加模塊設(shè)計(jì)，為IP攝影機(jī)建置無(wú)線傳輸?shù)男枨蟆?/p>

坊間在販賣(mài)的Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)攝影機(jī)支持到2.4GHz 802.11b/g(11/54Mbps)，高階產(chǎn)品還支持到IEEE 802.11n(150～300Mbps)。也有安控業(yè)者跟4G電信營(yíng)運(yùn)商合作，推出專屬于4G LTE的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)攝影機(jī)的產(chǎn)品。

不少官、產(chǎn)、學(xué)界紛紛合作，尤其是體育或醫(yī)療大學(xué)與科技大學(xué)的信息科技跨業(yè)結(jié)合，以各種不同的溫度、濕度、心電圖、脈博等傳感器，結(jié)合穿戴裝置與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓δ?，讓有?lèi)似心臟病、高血壓的患者，借助在家配戴具備無(wú)線感測(cè)傳輸?shù)拇┐魇絺鞲衅鳌⒏袦y(cè)衣，可以隨時(shí)隨時(shí)隨地監(jiān)控記錄心電圖訊號(hào)(ECG)、呼吸、體液、溫度與移動(dòng)加速度等狀態(tài)，不僅使得有限的醫(yī)療院所的資源得以有效運(yùn)用，同時(shí)也使目前醫(yī)療照護(hù)的涵蓋范圍，進(jìn)一步從醫(yī)院延伸到老人機(jī)構(gòu)，再?gòu)臋C(jī)構(gòu)再跨到一般小區(qū)的居家照護(hù)。