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物聯網商機,只為「懂門道」的行家而開 —— ADI 感測、監測、控制與訊號鏈連結,現場應用全攻略

時間:2017-06-22 11:12來源:COMPOTECH ASIA 作者:任苙萍 點擊:
正式公告轉型為「System Solution Provider」的亞德諾 (ADI),是少數願意放下身段、紥實耕耘物聯網 (IoT) 應用的半導體業者,產品組合涵蓋感測、訊號處理、電源、微控制器 (MCU) 和通訊連接五大區塊;在成功發展出「番茄互聯網」、「SCiO 近紅外光譜分析」等實用科技後,ADI 對智慧城市/建築、工業物聯網 (IIoT) 和能源採集別有一番獨到見解及因應之道,認為透過製程技術讓線性與轉換更精準,有助於實現高速混合訊號並精簡射頻 (RF) 元件,進而豐富功能以建構「感測、監測、控制與訊號鏈連結」整合能力,而非在處理器的電晶體數目上做競逐。
 

圖1:ADI 認為,「超越摩爾定律」旨在建構整合能力,而非執著於處理器的電晶體數目
資料來源:ADI 提供
 
連網前的「訊號調理」極關鍵,但邊緣運算非必須
ADI 亞太區應用工程總監李財旺直言,IoT 在探討雲端、大數據分析乃至人工智慧 (AI) 之前,最要緊的是資訊連結過程。以氣體 (Gas) 偵測為例,不同溫/濕度環境條件下消耗的結果各異,戶外感測更須先在內部先做訊號調理 (Signal Conditioner) 並給予適當補償機制,才能轉換成可被理解的數據、經有線/無線連結至雲端,後續分析和應用才有意義;與此同時,IoT 多是電池操作,功耗會是一大問題,一般須低至 0.5μA 的水準。
 
值得留意的是,雖然主張將「解譯」(interpret) 動作移至連網之前做「預處理」,但不認同邊緣運算 (Edge Computing) 是必然選項;因為這會增加功耗,未必適用於電池操作、對功耗極為敏感的 IIoT 應用。ADI 近期推出將閘道器 (Gateway) 整合到數位攝影機的創新作法,可直接獲取外部感測資料;用戶只要透過手機/平板遠端登入,就能看到即時視訊並獲知各種感測數據,例如,門窗開啟當下,室內溫/濕度及大氣壓力等數值。由於它是先將資料丟到雲端再撈出,會有大約 10 秒的時間延遲;若是解析度較低的小尺寸顯示,反應時間會較快。


圖2:經過感測、量測及「解譯」(interpret) 的資料,上傳雲端才有意義
資料來源:ADI 提供
 
李財旺指出,平心而論若訊息只是例行關注家人或竉物動態的例行參考或訊息確認,10 秒的延遲尚在可忍受範圍;但如果是一氧化碳 (CO)、有危及生命之虞,一旦超標須立即手機通知示警,就另當別論。他笑稱,ADI 就像負責傳輸資訊流的快遞業者,主要任務是將底層架構完成、把資料丟到閘道器並做好軟體加密的資安;至於後續如何與雲端配對、運用,仍視系統商的服務型態與應用層設置而定。「台灣的 IP Camera 廠商能力甚佳,卻不免要面對低價競爭,這不失為創造附加價值的好方法,對感測節點裝置的銷售也有正面助益」,李財旺認真地說。
 
借道 IEEE 802.15.4,無線 RS 485 是 IIoT 首選方案
無論是工廠自動化或農漁畜牧等 IIoT 部署,有時受限於場域或擔心被鼠蟻啃咬,未必允許隨意挖洞、佈線;加上若傳輸距離大於 100 公尺,訊號會衰減、越高頻衰減越快 (取決於功率與遮蔽),不利長距監控。ADI 提出:借道 IEEE 802.15.4 無線通訊與工規常見的 RS 485 有線傳輸連接感測器與控制器最可行,有效距離可達 1 公里。802.15.4 無線射頻模組,經過嚴謹場域探測,確認可在 2.4GHz (ADF7242 + MCU) 或 433 / 868 / 915 MHz 的 Sub- GHz (ADF7023 + MCU) 等多個頻段運作順暢。為何要如此大費周章分段發展?
 

圖3:ADI IIoT RF 模組,可滿足 2.4GHz (ADF7242 + MCU) 及 433 / 868 / 915 MHz 的 Sub- GHz 頻段需求
資料來源:ADI 提供
 
在 IoT 現場應用紥根頗深的 ADI 做過深入市調,發現 2.4 GHz 是最通用的頻段。雖然 WiFi、Bluetooth 是可選方案,NB- IoT、LoRa 等低功耗廣域網路 (LPWAN) 亦不一而足,但在傳輸距離與節點數上的表現並不理想。「尤其是欲做產業升級、卻礙於既有環境格局的老舊廠房,基於 IEEE 802.15.4 的無線 RS 485 目前仍是首選;在實際應用時,不少通訊協定仍須根據現場景象微調,多頻段將更能滿足用戶需求」,李財旺說明。最簡單就是透過 USB 供電與 RS 485 橋接、連到差分訊號收發器,再經由 UART 介面與 RF 模組相連即可。
 
若距離甚遠、跨度過大,亦可作為中繼部署。除了單純做燈光控制,亦可與門禁系統結合,透過一個整合閘道器的遙控,個別開關、調控亮度。每個遙控器最多有 8 個通道,每個通道可控制 256 個節點,最高可容納 2,048 個裝置;除了達到節電目的,若公共場域的燈具有所損壞,亦可清楚探知所在區域及損壞部位做雙向回報,有利於總務報修。用於智慧家庭,可用來控制不同電器,保全系統也不用繁鎖拉線,既方便又美觀。李財旺指
出,有些系統服務商還祭出硬體免費安裝的策略,意在收取長期服務費。
 

圖4:無線 RS 485 通訊模組,每個遙控器最多有 8 個通道,每個通道可控制 256 個節點,最高可容納 2,048 個裝置
資料來源:筆者攝影
 
能源採集與智慧電表,節電雙寶
無線 RS 485 還有另一個妙用:將屋頂太陽能板與控制器相連,不必另外拉控制線就能自行管理。「將白天蓄積的電力供作晚上照明,既可緩解尖峰用電、又省電費;尤其電力系統到不了的山野郊區,更是黑夜中的一盞明燈」,李財旺微妙牽起 RS 485 與能源採集的另類關係。他指出,欲將採集後的太陽能所產生的 AC 交流電訊號經電池反饋到市電,先決條件是相位須一模一樣;故市電併聯發電與餘電回售需要複雜系統支援才能實現,用電與回售的電表亦須分開。「Wi- SUN 是日、韓無線抄表最廣泛使用的通訊協定,常見的應用是無線抄表」,李財旺分享。
 
他表示,美國、新加坡亦多用來做路燈控制、工廠能源管理及環控系統;在負載點上裝設智慧電表,可讀取交流電的耗電量,包括實功和虛功 (發電機必須同時提供實功及虛功才可正常運作),再把訊號回傳至閘道器。李財旺透露,日本已有把 Wi-SUN 和 SIGFOX 整合在一起的案例,可在同一個電路板上跑兩個協定,但 SIGFOX 需加掛一個功率放大器,才能實現長距離。他進一步介紹,太陽光電 (Photovoltaic)、熱能 (Thermoelectric)、機械能與電能互換的壓差電 (Piezoelectric) 及電磁 (Electromagnetic),是現今能源採集的主要途徑。
 

圖5:太陽光電、熱能、機械能與電能互換的壓差電及電磁,是能源採集的主要途徑
資料來源:ADI 提供
 
ADI 在日前【物聯網應用方案巡展】中,與代理夥伴安馳科技攜手做多項實機演示。只要以 1:100 的線圈數升壓、製造溫差 (例如把手放置在感測處),就能透過電能轉換得到 20 mV 的電力,不須任何電池即可啟動小型風扇 (一般 IC 無法在如此低量的電力下工作)。這種風力發電可用於見不得天日、無法用太陽能發電的大樓管道間,利用風差、壓力差或振動產生電壓,為感測器供電。另一個應用案例是在廚房流理台下方安裝兩個感測器做漏水檢測,如有洩漏即關斷水源;藉由水力帶動渦輪產生電力、並將它蓄積在電池中,可省卻 9V 變壓器電源。
 
與節能議題有關的應用,還有智慧建築;利用電池供電的應用影像感測 (Blackfin Low-power Imaging Platform, BLIP) 做人流分析,企業可據以統計營業/作業時間與人潮的關係、依人數智慧調控賣場/工作場所的空調強度,舉凡電梯、會議室和旅館皆適用。由於需要像素反差,需架設在出入口較高的位置;系統會在顯示人數前綴正、負符號意表進、出方向的不同,用戶可透過演算法依應用場景決定要分別列示或直接反向扣除,只保留人數出入「淨值」。
 
戶外氣體檢測預知空污威脅
曾有產業大老公開發言:未來,乾淨的空氣和水將是最昂貴的東西之一;因此,監測空氣和水的品質一直是智慧城市/建築的重點發展項目。現今的氣體感測器皆是藉內建風扇、將空氣吸入,再以雷射光偵測懸浮粒子反射;然而,這種「主動式」感測較耗電,且 PM 2.5 濃度往往須經過一段時間的累積、不會忽然飆高,其實有更智慧的監測方式可取代——讓感測器定時讀取數值,之後便進入休眠模式,以延長電池壽命。
 

圖6:ADI 戶外氣體感測器及通訊模組,可精準偵測臭氧 (O3)/一氧化碳 (CO)/二氧化氮 (NO2)/二氧化硫 (SO2) 等有害氣體
資料來源:筆者攝影
 
空氣中存在的較大顆粒物質會因重力作用,在短時間內沉降到地面,但顆粒較小者會懸浮在空氣中而造成污染,常用「總懸浮顆粒物」(Total Suspended Particulate, TSP) 作為量測標準:直徑小於或等於 2.5 μm 的「顆粒物」(Particulate Matter, PM) 以 PM 2.5 表示,另有 PM 10 與 PM 1.0 兩種常見指標。李財旺表示,所有氣體的感測值都是溫度和濕度的函數,而硫氧化物 (SOx) 常是 PM 2.5 衍生性細懸浮微粒的「前驅物」;不需 24 小時不斷線 (always- on) 運作,也能有效預知空污前兆,是煉油廠/輕油裂解廠等重工業污染防治的有效輔助工具。
 
如前所述,這種開放式空間偵測難度高,測得數值須經合理補償,才具判讀價值。擅長類比前端 (AFE) 關鍵技術與電源連結的 ADI,可提供現成電路協助用戶開發精準偵測臭氧 (O3)/一氧化碳 (CO)/二氧化氮 (NO2)/二氧化硫 (SO2) 等有害氣體的感測系統,藉以讀取、回報並清楚顯示這些氣體與溫、濕度的相互關係。「這些感測器,將成為產品加值的利器」,李財旺具體點出採用 IoT 的好處。例如,在空氣清淨機上加裝一顆收集外部資料的感測器,一旦數值過高、預示空污威脅將至,可事先自動開啟空氣清淨機。
 
電化學反應,探查室內空品與河道水質
密閉式空間的氣體相對單純。居家熱水器加裝一氧化碳感測器,結合保全服務由遠端監控是否有外洩並示警,或是偵測養雞場的氨氣 (NH3) 濃度以免造成雞隻食慾下降而營養不良、影響下蛋,都是很好的應用;惟此類感測器成本動輒在 100 美元以上,且一經拆封就開始「工作」、屬於耗材,多以五年為使用期限。此外,這種檢測乃奠基於電化學反應,本身零耗電,但作用時間較長;揮發性氣體則須經加熱,才能由電位變化看出端倪。至於二氧化碳 (CO2) 檢測囿於技術,現多以光學質譜儀代勞,植物工廠是典型應用。
 

圖7:ADI 室內氣體感測器及通訊模組
資料來源:筆者攝影
 
同樣是利用電化學原理的「水質檢測」,只要濃度改變、輸出電壓就會改變,可藉以檢測水質的酸鹼值,例如,養雞場的糞便污染、工廠硫酸電鍍廢水排放;「氧化還原電位」(ORP) 則可用來偵測藻類、細菌等生物反應,防止水庫或養殖池優氧化。除了上述兩項,還可整合「導電度」(Conductivity) 檢測是否遭受重金屬離子污染?另「溶氧量」(DO) 被視為是判斷水質好壞的重要指標,濃度愈高代表水質愈好——飽和溶氧量會受水溫及水中雜質影響,水溫愈高、飽和溶氧量濃度愈低,是檢測紡織廠染整/晶圓廠排污是否污染河川或下水道的先行指標。
 
李財旺描繪水污染防治的場景:水處理中心在感測器收集訊號後,透過有線傳輸做訊號調理、ADC 轉換,再經由 802.15.4 協定的晶片天線 RF 傳到閘道器,便可一目了然全境河川和下水道的水質狀況。不過他提醒,此類輸出電阻約 500 MΩ,但一般示波器極限只有 10 MΩ、無法測得,須外加輸入阻抗非常大的功率放大器 (PA) 才能量測,是應用上常見的誤區;另抗生素等化學物污染源,須在實驗室用質譜儀才能檢出。
 

圖8:ADI 水質檢測及通訊模組
資料來源:筆者攝影
 
檢測、測量、電源、連接和解譯,一次到位
類比、數位轉換原本就是 ADI 的強項,收購凌力爾特 (Linear Technology) 不僅補強了電源產品線,更順勢取得 DUST Networks 公司在無線感測網路 (WSN) 的「強固性」(Robustness)。其名為 SmartMesh 的 WSN 套件之所以 Smart,是因為它會隨著返回路徑做狀態調整,且回傳資料不只一次,確保有 99.999% 成功率 (可靠度)——在特定期間內所累積的成千上萬筆資料量,而非單指某項記錄。凡是需有回饋機制的感測網路 (根據指令動作),必須仰賴雙向傳輸,而「精準」與「省電」則是另兩項重點。
 
SmartMesh 可透過管理器 (manager) 做到「時間同步」,精準設置節點裝置動作時間點,決定何時喚醒、傳輸?管理器可指定節點裝置要循序逐次動作,還是同時整齊劃一地演出?每個節點的時間誤差均低於 1μs。由於節點真正在工作的時間不到百分之一,功耗僅有數十 μA,低放電的鈕釦電池理論上可用 5~10 年。SmartMesh 有兩個版本:WirelessHART 是針對工廠常用的 HART 協定就地升級,電氣、煉油廠、輸油管等嚴峻的工業自動化環境監測;IP 版本則是遵照網際網路 IP 協定,戶外距離可達 300 公尺,適用於對干擾、屏蔽敏感的場域。
 
IoT 是個講究接地氣而又破碎化的世界,能與分眾市場感同身受並掌握專業知識 (Domain know-how) 的供應商,方可洞見市場需求、確切解決痛點。對許多企業主來說,成本固然重要,但實際效益及回收時程的合理預期更是他們真正在意的核心!有意在 IoT 分一杯羹的業者,勇敢跨出同溫層、與認定的目標市場攜手同行吧!站在雲端向下俯瞰、遙望,有時容易陷入五里霧而誤判形勢,以致錯失良機或立於危牆之下卻不自知。

圖9:DUST Networks 管理器與節點控制器
資料來源:ADI 提供
 
 
 

 

(責任編輯:jane)
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