超低功耗技術助臂力 無線感測網路實現自主遠端監控
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無線感測網路系由數十至數千個小型感測器所組成，透過無線的方式和彼此及中央系統進行衡量、計算與溝通等功能，是近期電子領域最具潛力的技術之一。無線感測網路的個別感測器或節點只耗費極少的電力，且可收集周遭能源再使用，因此安裝時無需昂貴的有線基礎架構，亦可運作多年不須維護。這些系統既小巧又低價，稱為「黏貼式」感測器，以強調安裝相當簡便。
無線感測網路包括數十、數百甚至是數千個節點，可打造平價多點感測，突破過往高價的障礙，讓低成本、高效能的動態控制技術得以實現。舉例而言，食品倉庫等大型建筑物可設置眾多無線恒溫器，監控溫度與濕度，再回報至中央系統，以便動態調整氣流與冷卻效果，確保狀態一致，將損害降至最低。
感測器可以安裝在各種特殊位置，如貨架底下、箱柜底部，甚至是食品本身，以便更準確地測量狀態變化。這個案例突顯出無線感測網路應用范圍廣泛，如工業控制或暖通空調等一向都仰賴感測器的技術。但隨著感測節點種類增加，新型應用也會誕生，如近身通訊(BAN)可監控健康；農業網路協助栽種谷物；環境網路協助降低污染、地震警示、避免山林大火擴散等。
智慧電網為分散式智慧應用先鋒
分散式感測技術的一大應用在于電力產業，藉由不斷尋找新方式來測量整個電網內的電力流程，并溝通相關資訊，以提高服務效能及可靠性。邁向智慧電網后，不僅能改善服務品質，亦可透過改良基礎架構維護與了解使用模式，降低各項成本。
從電力生產到傳送的階段都能因遠端感測裝置獲益，如發電機、高壓電傳輸、變電所、路邊電線、變壓器，以及家庭、工廠、辦公大樓等每個使用點(圖1)。這些位置的感測器會偵測使用模式，并回報至中央系統，協助電網自行微調，既可滿足需求，又避免因過載而斷電與縮短設備壽命。若要整合分散式電力來源，如太陽能、風力、地熱等，電網智慧化亦不可或缺。
圖1 智慧電網延伸智慧與全方向通訊至整體供電系統，建立更可靠且更高效能的用電環境。
為讓不具智慧的設備溝通，相關發展包括智慧家庭、智慧工廠及統稱為物聯網(IoT)的概念，但無論名稱或主要使用領域為何，這些形式的分散式智慧都將創造新型應用，提高便利性與產能。
在智慧電網內，無線節點只負責部分分散式智慧，因為許多感測器仍將使用有線資料網路或電線本身，做為實體網路媒介，不過很重要的一點是，電力公司已開始采用無線技術傳遞各項測量數據。
建置無線智慧電表系統 無線感測網路擔當重任
這幾年來，公用事業逐漸汰換傳統機械電表，改用可無線讀取的數位電表，至少可節省每月派人抄寫數據的成本。如今，只須經過讀取裝置即可取得讀數，大大減少統計時間。更復雜的電表能涵蓋更廣大區域，藉由搜集和傳送資料，協助公用事業估計需求變化，并提高服務效能。
過往為無線公用事業收費表所開發的技術，今日已應用于新世代元件，因為耗電更少，故適用于無線網路感測節點。無線感測網路運用這些解決方案后，有助于推廣智慧技術深入住家、辦公室、工廠、農莊、休憩區、自然區等，任何地區若須要收集資料，協助人們了解與控制情況，都很適合。
超低功耗為無線感測網路關鍵
設計遠距無線感測裝置時，必須在多種系統要求之間求取平衡，包括元件的尺寸、成本、貨源可靠性，也得設計相關的支援工具和軟體資料庫。然而對于遠距感測節點而言，最根本的要素仍是超低功耗元件，若無超低功耗的微控制器(MCU)、記憶體、感測器、收發器及其他系統功能，遠距無線感測裝置就無法達成平價建置的目標。此外，能夠收集與儲存周遭光源、振動或熱能的技術，也是這些裝置與無線感測網路成敗的關鍵。
任何測量系統的核心均為微控制器，其負責計算與控制功能；無線感測節點需要超低功耗微處理器(MPU)，在超過99%的時間內維持休眠狀態，以節省用電。活動周期則包括迅速復蘇、有效率地執行測量、通訊及控制功能，再進入休眠狀態。由于感測器可能應用種類眾多，微控制器必須包括足夠的周邊功能，才可以保持彈性，同時關閉未使用功能以減少用電量。另一方面，微控制器軟體編寫時，必須將運作降至最低，并善用裝置內建的各種節能措施。
其他系統元件設計時，也必須仿照微控制器，在運作時把功耗降至最低，記憶體大小必須足以儲存程式和資料，速度也得夠快，才能在微控制器蘇醒時，支援短暫的活動周期；但記憶體也必須設計節能讀寫功能，并在休眠周期保留儲存資料時，避免電力消耗。
資料轉換器速度必須夠快，以支援系統輸入及輸出，但只能消耗必要能源；超低功耗發送器則須能快速開關，在活動周期內收發短脈沖資料(Short Burst of Data)，發送范圍也得夠廣，符合網路需求，且可能要彈性支援多種傳輸格式。依據網路需求而異，節點也可能得接收資料，因此在節省用電上的考量也略有不同。
供電子系統設計對無線感測節點極為重要。電源無論來自太陽能板、熱能、壓電轉換器或其他裝置，都必須有線路支援，即使周遭條件不穩定，其設計應仍可達到最高的能源采集效果。能源無論儲存在充電電池或超級電容器內，都必須謹慎管理，才可達到能源優化，并滿足所需。感測溫度、電流、化學物質或其他環境條件的元件也得夠敏感，才可掌握正確讀數，但又不耗費太多電。這些元件若經過慎選，在功能性與低功耗之間求取平衡，感測節點應可自主運作多年無虞。
FRAM襄助 無線感測MCU更節能
無線感測解決方案中的微控制器架構另一項重點，在于整合鐵電隨機存取記憶體(FRAM)。FRAM與動態隨機存取記憶體(DRAM)結構相同，但資料以結晶狀態儲存，而非電荷，因此FRAM的讀寫存取和周期次數類似DRAM，可是尺寸更小、體積更為壓縮；且因為FRAM為非揮發性記憶體(Non-volatile)，能在系統電源關閉時繼續保留資料；再對比非揮發性快閃(Flash)記憶體，FRAM速度較快、所需電力明顯較低、寫入次數明顯較多。微控制器整合FRAM后，代表無線感測節點等超低功耗系統的省電功能又邁進一大步。
快閃記憶體的一大問題在于寫入所需電壓相對較高，達10?15V左右，因此必須使用電荷幫浦，每次運作也得耗費大量電力。另一方面，快閃記憶體寫入前必須先清除，這個步驟增加寫入的運作復雜度，干擾系統運作，系統其他區塊必須空著等，也浪費時間與電力；再者，快閃記憶體寫入上限約萬次，對于常常得在一秒或數秒內更新資料數次，又得經年累月反覆操作的系統來說，這項上限絕對不夠。
盡管快閃記憶體常用于儲存程式，上述因素造成無法儲存資料，故得以發揮性靜態隨機存取記憶體(SRAM)區塊取代。當系統斷電時，資料須從SRAM寫入快閃記憶體，才能進行非揮發儲存，待通電時SRAM又得向快閃記憶體讀取資料。
FRAM為每位元均可獨立讀寫的隨機存取記憶體，寫入過程也僅需一個步驟，毋須分別清除。FRAM寫入時所需電力僅1.5V，故不需電荷幫浦，也不會因清除資料而干擾系統，導致結果延遲。基于這些理由，FRAM寫入速度比快閃記憶體高出百倍，但寫入所需電力最高可減少二百五十倍(表1)。此外，FRAM基本上并無寫入上限，寫入循環達一千零一十五倍以上，故可使用記憶體儲存資料，程式與資料記憶體可依應用所需結合或切割，資料在斷電時仍留存在記憶體內，故設計時不但毋須外加電荷幫浦，也不需大型電容器。對無線感測節點等能源采集系統而言，FRAM的節能效果有助系統設計成功。
打造低成本無線感測節點 奈米電力能源采集扮要角
無線感測節點設計若要成功，須自環境收集能源，能源子系統須優化來自太陽能、熱電、電磁、振動的所有微小電力，再儲存于鋰離子電池或超級電容器等裝置內。
最大功率點追蹤(MPPT)能優化直流電采集器取得的能源，如在各種光線下的太陽能板，或是各種熱能條件下的熱電發電機，結果可能相當驚人：在小型太陽能系統內，相較于線性穩壓器，使用這項裝置能增加可用能源達三成至七成。如此效率能幫助研發人員自小型太陽能板及其他轉能器采集更多能源，以更低成本建置更小的感測節點。
無線感測網路讓生活更智慧
如今智慧電網逐步形成，在家庭、辦公室、工廠，甚至是戶外，皆隨處可見智慧通訊設備，而無線感測網路將延伸這些設備及其網絡，監控情況并回報至中央系統，大幅擴增管控區域。
這些無線感測網路必須仰賴平價的超低功耗元件，藉此采集周遭能源、感測當地條件、發揮必要測量功能、定期透過無線途徑傳輸資訊。
晶片商運用過往無線公用事業計費表及其他應用裝置的經驗，已開發出這項技術，更推出各項產品，為諸多應用裝置建置黏貼式感測節點。拜半導體技術之賜，智慧網路正一步步擴大智慧生活的領域。
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