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上山下海/登堂入室大不同 環境偵測各具「有感」領域應用

2019-02-12
感測器與感測網路的蓬勃發展,不會是冷冰冰的科技與沒有溫度的數字,從人的需求出發,而終於改善人們的生活,面對不同範疇的感測應用,感測的性質、系統的設計、產業的商機、發展的趨勢,各有不同的需求與重點。

物聯網(IoT)規模預計在不久的將來會正式超越人聯網,而其中最重要的組成就是無所不在的感測網路,這些數以十億計的感測節點,每個都只肩負單純的訊息蒐集任務,但在不同應用領域透過不同的感測網路,最後組成史上最大的一個網路,且這個網路還在發展中。環境感測應用領域廣泛,從與每個人切身相關的生理數據,到大環境中空氣品質讀數,都是環境感測的標的。

舉例而言,在一個家庭裡,感測網路可以「聽到」咖啡機正在運轉、「感應到」衛生紙有沒有被抽取、「感覺到」水龍頭有沒有打開等運作狀況,再更進一步利用這些資訊,讓人們的生活更便利、智慧;面對不同範疇的感測應用,感測的重點、系統的設計、產業的商機、發展的趨勢,各有不同的需求與重點,我們將試圖剖析這些應用的發展概況,深入了解產業樣貌。

生理資訊感測需求成長

環境感測最小的應用範疇就在個人身上,近年來新興穿戴裝置不斷冒出頭,包括較為人熟知的智慧型手機、智慧手表、智慧手環等,共同的趨勢就是增加感測器的使用種類與數量,強化使用者生理資訊的感測,並提升準確性,而2018年新款Apple Watch最大亮點就是跌倒偵測與緊急通知。現代人重視健康,穿戴式裝置的生理資訊通常定位在健康照護與運動訓練層面,台灣愛美科(imec)技術服務處業務企劃開發協理吳相德(圖1)表示,這些資訊除了平時對身體狀況的參考之外,也可以在人們生病的時候,對醫生的診斷與醫療產生輔助的效果。

圖1 台灣愛美科技術服務處業務企劃開發協理吳相德表示,現代人重視健康,穿戴裝置的生理資訊以健康照護與運動訓練為主。

另外,各種新式穿戴裝置如智慧衣、智慧鞋、智慧眼鏡、電子皮膚等也不斷問世,同時搭載更多新興的感測器,吳相德說明,人們對於生理資訊感測的需求不斷提升,過去以量測脈博與心率為主,未來血氧、血糖、腦波都是量測的對象。半導體式的生理資訊感測器透過非侵入的方式,提供簡易、方便的測量,雖然沒有醫療級檢測的準確度,但參考價值也不低,imec已開發腦波儀(EEG Headset)與心電圖(ECG)參考設計(圖2)。

圖2 愛美科智慧穿戴解決方案
資料來源:imec

感測網路助家庭智慧化一臂

室內環境的自動化與智慧化發展多年,物聯網的感測網路有機會協助推動相關進程,網路或無線網路於一般家庭應用已經非常普遍,近年透過白色家電,家中的感測器數量不斷提升,日前就有新創公司發表整合性的家庭環境感測解決方案,宣稱可一次感應多達10種環境因子-包含濕度、溫度、動作、光亮、震動、氣壓等,有了這個感應器,可以24小時全年無休幫消費者蒐集環境資訊,透過整合性的軟體平台,家庭環境智慧化將再往前邁進。

imec同樣看好此一趨勢,開發智慧物聯網感測解決方案(Smart IoT Sensor Hub)(圖3),整合十種感測器在網路閘道器中,此專案負責人台灣愛美科處長梁譽馨(圖4)表示,該參考設計整合包括氣壓計(Barometer)、二氧化碳(CO2)與揮發性有機化合物感測器(VOC Sensor)、麥克風、接近感測器(Proximity Sensor)、光感測器、GPS、陀螺儀與震動感測器、溫濕度感測器等,可以完整感測家中或裝置搭載位置的環境資訊。

圖3 愛美科Smart IoT Sensor Hub解決方案
資料來源:imec
圖4 愛美科處長梁譽馨表示,Smart IoT Sensor Hub整合十種感測功能可以完整感測家中或裝置搭載位置的環境資訊。

而燈光可以說是室內布建數量與密度最高的裝置,透過燈具設置感測網路也是許多業者積極發展的方向,英飛凌(Infineon)電源管理及多元化市場(大中華區)人機互動市場部高級經理廖明頌(圖5)解釋,該公司智慧照明解決方案整合毫米波雷達、控制器IC,並透過低功耗廣域網路(LPWAN)技術NB-IoT或Sigfox與雲端資料庫連結,後端的智慧人流管理系統,可以發展智慧樓宇管理方案,包括大樓進出熱區、每個空間容留人數管理、能源消耗概況、能源節約管理等功能(圖6)。

圖5 英飛凌電源管理及多元化市場人機互動市場部高級經理廖明頌強調,家庭中居住環境的安全、潔淨很重要。
圖6 英飛凌智慧人流管理系統,可以實現智慧樓宇管理
資料來源:Infineon

智慧城市管理將導入更多感測器

而Infineon將室內智慧照明解決方案延伸到室外,可發展為智慧路燈解決方案,廖明頌說,智慧樓宇管理平台也變身成智慧交通監控系統,包括車道使用狀況、車輛方向、車流、車速與紀錄日期/時間等功能。同時整個智慧路燈解決方案還具備燈光控制、充電、通訊、安全監控與其他客製化功能。未來,在雷射影像偵測中結合AI深度學習網路與推論,可以強化影像辨識的準確度,準確分辨人、車與運動方式。

另一方面,目前一般室外的環境感測,則是以空氣檢測為主,工業化與現代化的發展使空氣中瀰漫各種有害物質,如:花粉、PM2.5、細菌、煮飯油煙、揮發性有機化合物、汽車廢氣、菸味等等,而氣象報告在冬天也時常出現空氣燈號紅燈甚至紫爆的警訊,來源包括境內的廢氣排放與境外隨著東北季風南下的霾害,近年已經有許多空氣盒子專案,布建可以偵測空氣品質的裝置,再透過共享的方式於網路上呈現區域空氣品質概況,提供人們戶外活動的參考,未來將持續提升偵測準確度與空氣中有害物質偵測種類。

環境感測專業應用五花八門

在垂直產業應用上,工業製造現場因為有工安需求,所以導入環境感測已行之有年,尤其是像化工廠這種工作環境危險的產業,亞德諾半導體(ADI)亞太區應用工程總監Charles Lee則提出相關應用如機器人、傾角檢測、物品追蹤以及機器設備健康檢測。另外,ADI的Dust Networks解決方案,是結合無線網格網路軟體的晶片和預認證PCB模組,當嵌入客戶的感測器和閘道產品中時,形成的無線連接可實現>99.999%的資料可靠性和低功耗。

其他如農業需要感測基本的溫濕度、日照、降雨量、土壤酸鹼度等;而養殖漁業需要檢測水質、水中含氧量、優養化程度等,幫魚類創造一個可以安心優游的環境;畜牧業則需要檢測溫溼度、水質等。為求提高產能並強調產出的作物為純淨天然,未來需要被感測的訊息越來越多,透過生產過程的詳細記錄,達成提高產品品質的目標。

隨著3D感測在物聯網發展迅速,ADI積極投入飛時測距(Time of Flight, ToF)的設計、開發與應用。Charles Lee強調,ADI的ToF技術具備更高解析度、省電、精準度等優勢,採用脈衝型雷射有效降低功耗,搭配CCD感測器可提供640×480像素VGA等級影像解析度及精準度,可以有效彌補影像感測無法顯示距離的缺點。

應用環境與需求造成差異化

在上述個人穿戴、智慧家庭、智慧城市、垂直產業等應用中,有許多基礎型的感測器其實在各個領域都受到廣泛應用,不過因應情境不同,有不同的需求,Charles Lee認為,在可攜式應用中,操作和待機功耗是關鍵,而對於工業應用,感測器精準度則是主要重點,其次就是可靠性,而ADI MEMS在零偏穩定性、溫度回置特性、長時間穩定性以及震動條件下的性能都超過消費級MEMS產品。

從應用環境的條件來看,半導體晶片驗證通常會以環境耐受度作為標準,羅姆半導體設計中心資深工程師李正寧指出,消費性IC操作溫度-40~85℃,工業用IC操作溫度-40~105℃,車用則最嚴格訂在-40~125℃,另外還有些功能性的驗證規範。為了滿足比較嚴苛的環境應用條件,廠商在工業或汽車應用的產品,可能會透過封裝或模組製程,強化感測器的環境耐受度。

而在主要的應用場景中,感測需求不同的發展趨勢也有各自的重點,廖明頌認為,家庭中居住環境的安全、潔淨、安定感很重要,所以只要與居住或生活品質有關的資訊,都是感測的重點;而AI與機器學習的發展將有助於感測數據的判讀與應用,同時帶動人與機器互動模式出現根本的改變,過去20年行動通訊與智慧型手機為工作與生活都帶來很多改變,未來以感測網路為基礎的物聯網也是如此,而核心目標還是圍繞在「改善生活」。

系統整合深入了解需求

感測器與感測網路的蓬勃發展,不會是冷冰冰的科技與沒有溫度的數字,從人的需求出發,而終於改善人們的生活,艾邁斯半導體台灣區總經理李定翰說,該公司的產品都是以人為本,所以在達到改善生活的目標之前,感測器必須配合良好的系統設計,所以除了感測元件之外,具備系統整合或服務能力的廠商也扮演重要角色,尤其前述不同應用需求差異甚大,感測元件廠商無法對每個領域的應用需求深入了解,系統整合廠商的功能就非常重要。

這類型廠商雖然統稱系統整合商,但與傳統的SI又有不同之處,特別需要深入了解應用需求,若應用領域是垂直產業也會需要領域知識,國內像研華、佐臻及許多OEM/ODM/EMS廠或半導體零組件代理商,都可扮演這種類型的角色,未來這種系統整合廠商需要發展全面又專業的軟硬體整合能力,而且可以深入了解應用需求,也算是物聯網產業發展的重點之一。

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