超低功耗技术助臂力　无线感测网路实现自主远端监控

拜晶片商为无线电表研发的晶片方案之赐，包含众多小节点的无线感测网路终于得以实现。产业界的相关解决方案提供感测、能源采集及储存管理、测量计算、系统控制、资料转换、无线通讯及其他基本功能。开发人员可运用这些元件，制作多元化的无线感测节点，以低廉价格延伸传统自动控制应用，并开拓新式监测与控制技术领域。

无线感测网路系由数十至数千个小型感测器所组成，透过无线的方式和彼此及中央系统进行衡量、计算与沟通等功能，是近期电子领域最具潜力的技术之一。无线感测网路的个别感测器或节点只耗费极少的电力，且可收集周遭能源再使用，因此安装时无需昂贵的有线基础架构，亦可运作多年不须维护。这些系统既小巧又低价，称为「黏贴式」感测器，以强调安装相当简便。
无线感测网路包括数十、数百甚至是数千个节点，可打造平价多点感测，突破过往高价的障碍，让低成本、高效能的动态控制技术得以实现。举例而言，食品仓库等大型建筑物可设置众多无线恒温器，监控温度与湿度，再回报至中央系统，以便动态调整气流与冷却效果，确保状态一致，将损害降至最低。

感测器可以安装在各种特殊位置，如货架底下、箱柜底部，甚至是食品本身，以便更准确地测量状态变化。这个案例突显出无线感测网路应用范围广泛，如工业控制或暖通空调等一向都仰赖感测器的技术。但随着感测节点种类增加，新型应用也会诞生，如近身通讯(BAN)可监控健康；农业网路协助栽种谷物；环境网路协助降低污染、地震警示、避免山林大火扩散等。

智慧电网为分散式智慧应用先锋

分散式感测技术的一大应用在于电力产业，藉由不断寻找新方式来测量整个电网内的电力流程，并沟通相关资讯，以提高服务效能及可靠性。迈向智慧电网后，不仅能改善服务品质，亦可透过改良基础架构维护与了解使用模式，降低各项成本。

从电力生产到传送的阶段都能因远端感测装置获益，如发电机、高压电传输、变电所、路边电线、变压器，以及家庭、工厂、办公大楼等每个使用点(图1)。这些位置的感测器会侦测使用模式，并回报至中央系统，协助电网自行微调，既可满足需求，又避免因过载而断电与缩短设备寿命。若要整合分散式电力来源，如太阳能、风力、地热等，电网智慧化亦不可或缺。


图1　智慧电网延伸智慧与全方向通讯至整体供电系统，建立更可靠且更高效能的用电环境。
为让不具智慧的设备沟通，相关发展包括智慧家庭、智慧工厂及统称为物联网(IoT)的概念，但无论名称或主要使用领域为何，这些形式的分散式智慧都将创造新型应用，提高便利性与产能。

在智慧电网内，无线节点只负责部分分散式智慧，因为许多感测器仍将使用有线资料网路或电线本身，做为实体网路媒介，不过很重要的一点是，电力公司已开始采用无线技术传递各项测量数据。

建置无线智慧电表系统　无线感测网路担当重任
这几年来，公用事业逐渐汰换传统机械电表，改用可无线读取的数位电表，至少可节省每月派人抄写数据的成本。如今，只须经过读取装置即可取得读数，大大减少统计时间。更复杂的电表能涵盖更广大区域，藉由搜集和传送资料，协助公用事业估计需求变化，并提高服务效能。

过往为无线公用事业收费表所开发的技术，今日已应用于新世代元件，因为耗电更少，故适用于无线网路感测节点。无线感测网路运用这些解决方案后，有助于推广智慧技术深入住家、办公室、工厂、农庄、休憩区、自然区等，任何地区若须要收集资料，协助人们了解与控制情况，都很适合。

超低功耗为无线感测网路关键

设计远距无线感测装置时，必须在多种系统要求之间求取平衡，包括元件的尺寸、成本、货源可靠性，也得设计相关的支援工具和软体资料库。然而对于远距感测节点而言，最根本的要素仍是超低功耗元件，若无超低功耗的微控制器(MCU)、记忆体、感测器、收发器及其他系统功能，远距无线感测装置就无法达成平价建置的目标。此外，能够收集与储存周遭光源、振动或热能的技术，也是这些装置与无线感测网路成败的关键。

任何测量系统的核心均为微控制器，其负责计算与控制功能；无线感测节点需要超低功耗微处理器(MPU)，在超过99%的时间内维持休眠状态，以节省用电。活动周期则包括迅速复苏、有效率地执行测量、通讯及控制功能，再进入休眠状态。由于感测器可能应用种类众多，微控制器必须包括足够的周边功能，才可以保持弹性，同时关闭未使用功能以减少用电量。另一方面，微控制器软体编写时，必须将运作降至最低，并善用装置内建的各种节能措施。

其他系统元件设计时，也必须仿照微控制器，在运作时把功耗降至最低，记忆体大小必须足以储存程式和资料，速度也得够快，才能在微控制器苏醒时，支援短暂的活动周期；但记忆体也必须设计节能读写功能，并在休眠周期保留储存资料时，避免电力消耗。

资料转换器速度必须够快，以支援系统输入及输出，但只能消耗必要能源；超低功耗发送器则须能快速开关，在活动周期内收发短脉冲资料(Short Burst of Data)，发送范围也得够广，符合网路需求，且可能要弹性支援多种传输格式。依据网路需求而异，节点也可能得接收资料，因此在节省用电上的考量也略有不同。

供电子系统设计对无线感测节点极为重要。电源无论来自太阳能板、热能、压电转换器或其他装置，都必须有线路支援，即使周遭条件不稳定，其设计应仍可达到最高的能源采集效果。能源无论储存在充电电池或超级电容器内，都必须谨慎管理，才可达到能源优化，并满足所需。感测温度、电流、化学物质或其他环境条件的元件也得够敏感，才可掌握正确读数，但又不耗费太多电。这些元件若经过慎选，在功能性与低功耗之间求取平衡，感测节点应可自主运作多年无虞。

FRAM襄助　无线感测MCU更节能

无线感测解决方案中的微控制器架构另一项重点，在于整合铁电随机存取记忆体(FRAM)。FRAM与动态随机存取记忆体(DRAM)结构相同，但资料以结晶状态储存，而非电荷，因此FRAM的读写存取和周期次数类似DRAM，可是尺寸更小、体积更为压缩；且因为FRAM为非挥发性记忆体(Non-volatile)，能在系统电源关闭时继续保留资料；再对比非挥发性快闪(Flash)记忆体，FRAM速度较快、所需电力明显较低、写入次数明显较多。微控制器整合FRAM后，代表无线感测节点等超低功耗系统的省电功能又迈进一大步。

快闪记忆体的一大问题在于写入所需电压相对较高，达10 15V左右，因此必须使用电荷帮浦，每次运作也得耗费大量电力。另一方面，快闪记忆体写入前必须先清除，这个步骤增加写入的运作复杂度，干扰系统运作，系统其他区块必须空着等，也浪费时间与电力；再者，快闪记忆体写入上限约万次，对于常常得在一秒或数秒内更新资料数次，又得经年累月反覆操作的系统来说，这项上限绝对不够。

尽管快闪记忆体常用于储存程式，上述因素造成无法储存资料，故得以发挥性静态随机存取记忆体(SRAM)区块取代。当系统断电时，资料须从SRAM写入快闪记忆体，才能进行非挥发储存，待通电时SRAM又得向快闪记忆体读取资料。

FRAM为每位元均可独立读写的随机存取记忆体，写入过程也仅需一个步骤，毋须分别清除。FRAM写入时所需电力仅1.5V，故不需电荷帮浦，也不会因清除资料而干扰系统，导致结果延迟。基于这些理由，FRAM写入速度比快闪记忆体高出百倍，但写入所需电力最高可减少二百五十倍(表1)。此外，FRAM基本上并无写入上限，写入循环达一千零一十五倍以上，故可使用记忆体储存资料，程式与资料记忆体可依应用所需结合或切割，资料在断电时仍留存在记忆体内，故设计时不但毋须外加电荷帮浦，也不需大型电容器。对无线感测节点等能源采集系统而言，FRAM的节能效果有助系统设计成功。


打造低成本无线感测节点　奈米电力能源采集扮要角

无线感测节点设计若要成功，须自环境收集能源，能源子系统须优化来自太阳能、热电、电磁、振动的所有微小电力，再储存于锂离子电池或超级电容器等装置内。

最大功率点追踪(MPPT)能优化直流电采集器取得的能源，如在各种光线下的太阳能板，或是各种热能条件下的热电发电机，结果可能相当惊人：在小型太阳能系统内，相较于线性稳压器，使用这项装置能增加可用能源达三成至七成。如此效率能帮助研发人员自小型太阳能板及其他转能器采集更多能源，以更低成本建置更小的感测节点。

无线感测网路让生活更智慧

如今智慧电网逐步形成，在家庭、办公室、工厂，甚至是户外，皆随处可见智慧通讯设备，而无线感测网路将延伸这些设备及其网络，监控情况并回报至中央系统，大幅扩增管控区域。

这些无线感测网路必须仰赖平价的超低功耗元件，藉此采集周遭能源、感测当地条件、发挥必要测量功能、定期透过无线途径传输资讯。

晶片商运用过往无线公用事业计费表及其他应用装置的经验，已开发出这项技术，更推出各项产品，为诸多应用装置建置黏贴式感测节点。拜半导体技术之赐，智慧网路正一步步扩大智慧生活的领域。