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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。

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高整合、低功率與強固性是物聯網系統對感測器的重要需求。(圖片來源: Dialog Semiconductor) 

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。

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