應用面向多元 物聯網感測技術持續進化

感測器是物聯網系統啟動的第一步，其效能與穩定性要求非常高。圖片來源:PHYS

物聯網被視為繼PC、網際網路、行動通訊之後，IT產業的第4波典範轉移，雖然經過多年發展，業界預估的爆發性成長一直未出現，不過整體趨勢仍是穩定成長，製造業、農業、交通等部分應用領域也已開始落地，未來商機將十分驚人，根據研究機構MarketsandMarkets的報告，2023年全球感測器出貨量將達225億美元。

感測器是物聯網系統的第一線，整體系統的運作都由感測器的數據擷取與傳送啟動，事實上物聯網的前身是感測網路(Sensor Network)，最初是整合感測器與通訊模組，串連之後形成感測網路架構，將之應用於大範圍場域。

台灣在10年前就有養雞場導入無線感測網路，並結合自動化系統控制環境，提升雞隻的品質與產量，與物聯網架構相較，這類型感測網路少了進行決策的上層雲端平台，僅有感測網路與自動化系統，不過在農業、畜牧等產業，此一架構已然足夠。

製造系統感測器需求大不同

感測技術成熟已久，不過在物聯網的特殊需求下，近年來已開始另一波進化。與過去的感測網路相較，現在的物聯網應用更為多元，即便是同一領域，不同環節對感測器的需求類型也不一樣。

以工業物聯網為例，若是作為機器的預診監測之用，其感測器需求不外乎震動、電流與溫度3種，由於這3種感測器都是設備監診所需，目前已有廠商推出3合1產品，協助廠商簡化系統架構，而要將這不同感測器整合在同一封裝中，對內必須克服感測器之間的干擾問題，對外則是要讓置於嚴苛環境的感測器，擁有強固外裝，將外界傷害降至最低。

設備監診之外，製造現場中的瑕疵檢測與機器手臂安全機制，也會對感測器有不同需求。產品瑕疵檢測主要採用視覺感測器。過去製程的瑕疵檢測主要透過人力親為，不過人類眼力有其限制，除了長時間工作後會導致效率下降外，現在製程快速，人眼難以檢測出細小瑕疵，因此在自動化系統中，機器視覺早已開始取代人力。

機器視覺的運作是透過工業相機擷取產品影像，並經由軟體快速找出瑕疵品。在發展初期，工業相機主要採用當時解析度較佳的CCD，雖然價格昂貴，不過佔整體系統的成本比例仍不高，因此廠商的接受度仍高。後來CMOS技術急起直追，不但解析度直逼CCD，成本與耗電也更低，因此市場佔有率快速提升，2015年Sony停產所有CCD感光元件，從此CMOS成為工業視覺感測器的主流。

至於機器手臂的安全機制感測器則是採用光達(LiDAR)。在製造現場中，都會用圍籬阻隔工作人員與大型機器手臂。不過儘管如此機器手臂傷人的事件仍時有所聞，因此近年來有廠商將LiDAR與機器手臂整合，設定出警示與危險兩塊區域，LiDAR偵測到有人進入警示區時，系統即會發出聲響警告，並讓機器手臂的動作趨緩，若人體持續靠近進入危險區，則讓動作停擺。

此一機制採用LiDAR的原因，除了免去實體圍籬的成本外，其可程式化特色讓管理人員可從軟體設定LiDAR的距離參數，劃出警界與危險範圍，同時達到安全性與便利性。

整合多元感測器  精準偵測環境

除了製造業，環境偵測與控制是近年來物聯網另一主要應用場域，環境偵測包括了戶外國土監測與建築體中的溫溼度、光線感測等。國土偵測會用到氣體與溫溼度感測器。氣體感測器主要是著眼於近年來空氣品質急遽惡化，PM2.5懸浮粒子的濃度成為重要指標，透過氣體感測器建立起空氣品質監測站。

空氣品質感測器的技術包括MOS、紅外線、電化學等3種，MOS是以金屬半導體氧化物材料製成，氣體會在元件表面吸附或產生反應，再以此進行感應量測，是目前常見的氣體感測器類型，紅外線是由不同氣體對紅外線波長的吸收反應、並由氣體中分子的濃度與吸收量進行偵測，電化學則是藉由與監控的氣體反應，並製造出一個與氣體濃度成正比的電流，並加以量測。

透過以上3種空氣感測器，可建立出VOCs(揮發性有機物)感測器陣列，並與多氣體是別演算法結合，偵測空氣中有機物成分。過去的空氣偵測多是空氣中的如二氧化碳或瓦斯等特定氣體，不過近年來NOx氮氧化物、Ox硫氧化物等空氣汙染源漸多，單一氣體偵測已難因應現有狀況，多感測陣列與多氣體是別演算法的軟硬體搭配逐漸成為趨勢，再透過通訊技術的連結，形成大面積空氣環境監測網路，將有助於國家的空汙防制。

國土監測的另一個重點是水土偵測，此一領域目前又以土石流預警為應用大宗，其作法是配合政府的圖資與歷史資料，找出土石流發生機率偏高的地區，在埋設感測器，並定時傳回土壤水分數據，一旦含水量超過設定標準值，即發出警報通知。這類型濕度感測器也會與化學物感測器整合，並應用於農業，用以偵測土壤中的水分與農藥成分，經分析後作為農民撒放農藥的依據。

物聯網的應用面向多元，所需要的感測器也不盡相同，不過低功耗、高強固性與多感測元件的整合是共同趨勢，在通訊方面，除了各種長短距離的無線傳輸技術，針對工業系統專用的感測器通訊標準IO-Link也逐漸成為趨勢。作為物聯網架構的第一層，感測器的進化成為必須，而也唯有因應不同需求設計的感測產品，才能掌握住龐大商機，搶佔物聯網市場。