WSN-HEAP無線感測網路的發展趨勢
WSN-HEAP無線感測網路的發展趨勢
2014/02/11-莊永莉 工業感測網路(Industrial Wireless Sensor Network；IWSN)具有自我組織(Self-Organization)、快速佈建(Rapid Deployment)、彈性化(Flexibility)、以及智能化(Intelligent)的優點；逐漸取代傳統有線佈置方法，強化具有自我診測(Self-Diagnosis)、自我修復(Self-Healing)、無人化監控的優點。
IWSN整體性架構，包含第一個階層的Environmental Sensing，依屬性區分為第二階層的Pollution、Hazard與Security的資料需求，再分為第三個階層的Condition Monitoring & Process Automation。
推展製程自動化(Process Automation)與環境監測(Condition Monitoring)最大的差異，在於環境監測通常處於基礎設施不足，缺乏穩定電力與通訊設施，無法經常性的資料蒐集，需特別因應例如極地氣候變化的監測需求。因此在感測器的設計基礎，就必須考量必要的Power-Saving技術，Low Duty Cycle控制，低功耗(Low Power Consumption)元件採用，環境能源採集(Energy Harvesting)技術，使得感測器的整體耗能控制在數十mW以下，在惡劣的環境氣候與缺乏基礎設施的條件下，達成Self-Sustain。
根據W. K. G. Seah, Z. A. Eu和H. P. Tan在2009年「Wireless Sensor Networks Powered by Ambient Energy Harvesting (WSN-HEAP) – Survey and Challenges」的文中指出，Wireless Sensor Networks Powered by Ambient Energy Harvesting，通常簡稱為WSN-HEAP。另外，R. R. Muntz和M. Potkonjak在「Smart kindergarten: sensor-based wireless networks for smart developmental problem-solving environments」文中指出：無線化智能感測器的能源採集在應用上，可以區分為兩種型態，第一種是Bursters Mode，產生一個短時強電壓峰值(Spike)能量，典型的壓電材料屬於這一類的AC交變能源採集。第二種是所謂的Tricklers Mode，Power Source有微弱但持續性的能量提供(Weak but Steadily)，例如太陽能光電效應的轉換。
佈建一個Energy Harvesting Sensor Network, Busters Mode，意即所採取的能源直接供應電力到Sensor Network；通常這樣的設計必須有常態性的能源採集環境，例如機具震動(磁電交換)或持續運轉熱交換(熱電交換、地熱)的環境。Trickers Mode則是所採集的能源經過儲能裝置，在尖峰／離峰時段做區隔處理，例如太陽能裝置為此類典型的代表。
IEEE制定了幾個Low-Data Rate, Low-Power Wireless Network Protocols，例如IEEE 802.15.4、ISA 100.11a、Wireless HART、以及ZigBee等。這些裝置在不同的功能需求與系統通訊觀點會有所差異，通常期望可以Self-Susdtain超過2~3年，Duty Cycle 5%~10%的運轉達成。Table. 1是依Costis Kompis, Simon Aliwell在2008年的文章整理所有的Energy Harvesting關鍵元件，在能源採集過程中，影響的變因。
熱電裝置(Thermophotovoltaic Devices；TPV)由熱能梯度變化產生電能，需要比較大的持續性溫差環境，一般只能應用在製程自動化的工廠，對於環境監控的應用上，較無法及時的回收能源。震動回收能源，通常利用壓電(Piezoelectronic)或磁電(Magnetostrictive)裝置的原理，在具有實質的震動環境(1~10 m/s2)，將機械能轉換成為電能。
所有利用震動方式回收的方法(不論是Magnetostrictive、Electromagnetic、Electrostatic或Piezoelectric)，基本上都可以以一個Damped Mass-Spring Resonant Systems來予以特徵因次化說明，大多數的設計具有特徵頻率，以和環境震動源產生共振，形成最大的響應。
許多的應用是在Power Line Frequency的2次偕振(2nd Harmionic)範圍為設計點(60/120Hz or 50/100 Hz)。這類的機械能轉換方法，以壓電材料為例(Farday’s Law，法拉第定律)，通常其響應為Broad Band的頻率範圍，可以將DC-DC or AC-DC轉換為感測器元件的電力。
實務上，尚有一種利用靜電轉換成電力的裝置(Electrostatic Transducers)，基於庫倫定律(Coulomb’s Law of Electrostatics)，利用兩個電荷集電版間，電荷和集電板間距離呈現反比的現象，電壓在兩個集電板間的差異，製造成為能源回收採裝置。
目前已發表的WSN-HEAP方法，如Fig.1所示。另外有一種最新的Magnetostrictive Effect效應的能源採集方法，將振動機械能(Vibration)轉換成磁場能量，再經由線圈(Coil)感應取出電能，目前最新的研究發展，其產生1W的電力，裝置大小已與太陽能板相近，為非常可靠卓越的能源提供裝置，未來發展可期。
全世界目前具有Magnetostrictive Device應用技術與材料掌握的業者屈指可數，亞洲目前以桓達科技為翹楚，其具有ZigBee、wirelessHART基礎協定技術與認證，並將Magnetostrictive Device應用於Level量測應用，未來將持續將此技術導入成為Wireless Energy Harvesting關鍵元件技術，成為物聯網應用下，WSN-HEAP的發展尖兵。
WSN-HEAP的未來發展趨勢，將朝向：(1)降地對Battery Power的儲能相依性，能源採集可以達到Sensor Self-Sustain為終極目標，並降低對環境的衝擊；(2)降低安裝成本，避免wiring；(3)Maintenance Free，robustdr1sensor與可長期持續運用的能源回收裝置；(4)Self-Learning Fault-Detection，自我偵測／修復管理；(5)Senslets – Applets，佈建動態的網路環境，將小型化的程式內嵌在Sensor，使得Sensor智能化並以冬眠模式潛伏省電，具有小型記憶裝置將資訊儲存於Sensor Nodes。當外部手持式無線裝置喚醒時，可以即時的感測環境資訊並將資料藉由手機傳回監控中心。
DIGITIMES中文網 原文網址: WSN-HEAP無線感測網路的發展趨勢 http://www.digitimes.com.tw/tw/dt/n/shwnws.asp?cnlid=13&cat=10&id=0000366291_TP43IQD186KFI324811ZS#ixzz2syCdVW9g
