物聯網系統電力供給問題分析

　　2012年，德國在漢諾威自動化展以“第四次工業(yè)革命”為題，啟動“工業(yè)4.0(Industry 4.0)”計劃，提倡物與服務串連(Internet of Things and Services)，認為在M2M的運作架構下，建構生產自動化與IT化，并透過這些技術讓生產模式由批次量產轉向接單后生產，落實智能生產(Smart Production)、綠色生產(Green Production)、都市生產(Urban Production)。這些完全不同的思維，可以說是物聯網落實的基本想象。

　　同樣的M2M系統進入其他領域，也同時改變了各種產業(yè)的不同發(fā)展。進入交通系統，物聯網影響了智能交通的思維，建構了更完整的ITS系統；而進入居家領域，物與物的通聯也造就了智能建筑乃至于智能家居的想象。簡單來說，因為物與物通聯，生活的所有層面都跟著智能化了。

　　MWC展會也可以見到物聯網的發(fā)展。MWC 展會可以看到不少關于物聯網的應用展示，可見大家對于物聯網的確產生不少想象；不過雖然物聯網的概念早已提出，但目前仍處于初期發(fā)展階段，主要基于目前各個廠商對于物聯網應用仍處于試水溫階段，加上包括數據或裝置互動所采用連接規(guī)范也尚未全面標準化，以及對應海量數據的網絡帶寬與背后數據分析應用都還在發(fā)展調整。此外，消費者對于此類應用也尚未全面適應，因此許多現行多只是概念性應用的提出，或是較為淺層的使用模式。

　　“通”“電”大問題

　　但深究物聯網的特性，你會發(fā)現物聯網要有效地推動，有兩個最基礎的元素必須克服。

　　首先，是通訊的充分被利用。因為物物如果需要相連，通訊系統的完整性必須建構，尤其是涉及安全的實時監(jiān)控系統，對于通訊的要求必須非常重視。隨著網絡普及化發(fā)展，傳統應用在現場的設備，漸漸產生串連網絡的需求，連帶促成工業(yè)級通訊市場的高成長，也由于現代設備整合需求日益龐大，“通訊”成為系統自動化及智能化的重要項目。

　　另一部分，則是供電的需求。各類設備、裝置散布在應用場域里，如何維持穩(wěn)定的供電是一件難事，除了透過再生能源讓裝置或設備“自給自足”外，透過整合工業(yè)通訊架構進行供電，也是另一種選擇。傳統工業(yè)級網絡多為封閉架構，在1990年代，透過控制技術功能性提升，以及滿足分布式控制的需求，工業(yè)通訊因而快速發(fā)展，各種通訊技術如雨后春筍般冒出，像是Profibus、DeviceNet、CANopen、FieldbusFundation或HSE等接口，技術相互競逐的態(tài)勢也愈發(fā)明顯。

　　但這些接口彼此間無法兼容也提升了整合難度，因此原本用于商業(yè)環(huán)境中的以太網絡，在解決設備對設備間通訊問題后，挾開放、兼容優(yōu)勢進軍工用市場，同時帶動了相關連網設備的需求興起，包括主動式I/O服務器、嵌入式工業(yè)通訊計算機、交換器、串行設備連網服務器等，都是工業(yè)用以太網絡通訊里的熱門產品；而這些設備，透過以太網絡進行系統的供電，當然是最佳的選擇。

　　PoE方案崛起 整合信息與電力傳輸

　　由于透過以太網獲得供電的電子設備無需額外電源插座就能直接使用，且系統整體成本較低，因此PoE(Power over Ethernet)解決方案在市場上迅速崛起，受歡迎程度與日俱增。嚴謹來說，PoE是使用者可根據IEEE802.3af協議，利用標準的以太網絡纜線來傳送電力。意思就是同時使用一條以太網絡連接線，來傳送數據以及直流電源。所以可以說，PoE技術就是針對具有10Mbps至1Gbps傳輸能力的以太網絡對絞線，賦予電力供給機能的一門技術。

　　依據IEEE 802.3af協議，能夠送電的最長距離可以達100米之遙，完全可以不受限于AC電源的設置場所，所以包括網絡照相機、遠程感應的移動探測器，都是可以使用的設備。另外，采用PoE技術的電子設備不但易于管理，且具備了遠程通電／斷電能力，這讓物聯網技術的發(fā)展，更是如虎添翼。此外，系統規(guī)劃者也可使用PoE交換器搭配UPS，來集中管理多臺遠程設備的電源供應，即使遇到大風、下大雨或人為因素以及遭遇停電的時候，也犯不著去擔心遠程設備電力、通訊的中斷等問題。

?　微型電力采集 邁向自給自足

　　除了PoE技術外，微型電力采集技術也是不可忽視的方向。近幾年來，能量采集的技術研發(fā)方向，大都是向裝置微型化靠攏，尤其隨著物聯網概念的興起，穿戴式及隨身保健醫(yī)療的商品都急欲擺脫電池供電的束縛，已促使有越來越多的研究單位與公司，有興趣和動力去開發(fā)更有效率、更微型的能量采集芯片。

　　其實人類很早就在發(fā)展“能量采集”的相關技術。在古早時代，人們就知道利用自然環(huán)境中最易取得的風力及水力來帶動器械的運轉，現在我們仍在沿用這些能量采集及能量轉換的技術，差別只在于是以更有效率的方式，更大規(guī)模地將水力、風力、太陽能等轉換成可供人們方便使用的電能。

　　簡單來說，能量采集有一個基本的觀點，它隱含有二個重要的優(yōu)點，一是“本質上不會消耗能源”，二是“對環(huán)境不會造成負面影響”。因此，在最佳狀態(tài)向，透過這種方式，物聯網系統可以形成一個類似于“永動機“的狀態(tài)。

　　簡單來說，根據德州儀器的統計數據，一般可以采集的微量能量來源，包括振動能(Vibration/Motion)、溫差能(Temperature Difference)、光能(Light)，以及功率只達光能百分之一的射頻(Radio Frequency；RF)。其中又以振動能較不受環(huán)境溫度及光照因素的影響而受到矚目。

　　振動能轉換成電能，依其發(fā)電原理又可分為：電磁感應型(Electromagnetic)、靜電型(Electrostatic)、磁致伸縮型(Magnetostrictive)及壓電型(Piezoelectric)；而因為壓電型發(fā)電是利用外在環(huán)境的振動力使壓電材料變形，因此改變了壓電材料的電場，進而產生電流，因此具有較高的力電耦合效應，再加上可以用微機電(MEMS)制程達到裝置微型化的目的，符合輕薄短小的需求趨勢，因此壓電型已成為振動型能量采集技術研發(fā)的主流之一。

　　在實例應用方面，如移動中的車輛必定產生振動能，利用能量采集技術從輪胎的震動中提取電能，再直接供電給輪胎上的胎壓監(jiān)測系統芯片，即可大幅減少更換電池的次數；或者又如發(fā)電鞋，邊走邊發(fā)電，雖然目前的設計所產生的電量，仍不足以充飽一支手機，但做為緊急或臨時電源之用，算是蠻實用的應用，類似裝置應用在工業(yè)或居家系統領域，可能可以產生更多不同的想象。

　　當然能量會損耗的，但整合了電力采集技術與PoE架構，物聯網處于“隨時可動”的狀態(tài)，其實并不困難。