物聯網時時刻刻都連線 電力如何供給？

物物聯網，電力如何供給成為技術上必須解決的重大問題。經濟部工業局

2012年，德國在漢諾威自動化展以「第四次工業革命」為題，啟動「工業4.0(Industry 4.0)」計畫，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，並透過這些技術讓生產模式由批次量產轉向接單後生產，落實智慧生產(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像。

同樣的M2M系統進入其他領域，也同時改變了各種產業的不同發展。進入交通系統，物聯網影響了智慧交通的思維，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慧建築乃至於智慧居家的想像。簡單來說，因為物與物通聯，生活的所有層面都跟著智慧化了。

從今年的MWC也可以見到物聯網的發展。MWC 2015可以看到不少關於物聯網的應用展示，可見大家對於物聯網的確產生不少想像；不過雖然物聯網的概念早已提出，但目前仍處於初期發展階段，主要基於目前各個廠商對於物聯網應用仍處於試水溫階段，加上包括資料或裝置互動所採用連接規範也尚未全面標準化，以及對應巨量資料的網路頻寬與背後數據分析應用都還在發展調整。此外，消費者對於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」大哉問

但深究物聯網的特性，你會發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，尤其是涉及安全的即時監控系統，對於通訊的要求必須非常重視。隨著網路普及化發展，傳統應用在現場的設備，漸漸產生串連網路的需求，連帶促成工業級通訊市場的高成長，也由於現代設備整合需求日益龐大，「通訊」成為系統自動化及智慧化的重要項目。

另一部分，則是供電的需求。各類設備、裝置散佈在應用場域裡，如何維持穩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，透過整合工業通訊架構進行供電，也是另一種選擇。傳統工業級網路多為封閉架構，在1990年代，透過控制技術功能性提升，以及滿足分散式控制的需求，工業通訊因而快速發展，各種通訊技術如雨後春筍般冒出，像是Profibus、DeviceNet、CANopen、FieldbusFundation或HSE等介面，技術相互競逐的態勢也愈發明顯。

但這些介面彼此間無法相容也提升了整合難度，因此原本用於商業環境中的乙太網路，在解決設備對設備間通訊問題後，挾開放、相容優勢進軍工用市場，同時帶動了相關連網設備的需求興起，包括主動式I/O伺服器、嵌入式工業通訊電腦、交換器、串列設備連網伺服器等，都是工業用乙太網路通訊裡的熱門產品；而這些設備，透過乙太網路進行系統的供電，當然是最佳的選擇。

PoE方案崛起  整合資訊與電力傳輸

由於透過乙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協定，利用標準的乙太網路纜線來傳送電力。意思就是同時使用一條乙太網路連接線，來傳送資料以及直流電源。所以可以說，PoE技術就是針對具有10Mbps至1Gbps傳輸能力的乙太網路對絞線，賦予電力供給機能的一門技術。

依據IEEE 802.3af協定，能夠送電的最長距離可以達100公尺之遙，完全可以不受限於AC電源的設置場所，所以包括網路照相機、遠端感應的行動探測器，都是可以使用的設備。另外，採用PoE技術的電子設備不但易於管理，且具備了遠程通電？斷電能力，這讓物聯網技術的發展，更是如虎添翼。此外，系統規劃者也可使用PoE交換器搭配UPS，來集中管理多台遠端設備的電源供應，即使遇到大風、下大雨或人為因素以及遭遇停電的時候，也犯不著去擔心遠端設備電力、通訊的中斷等問題。

微型電力採集  邁向自給自足

除了PoE技術外，微型電力採集技術也是不可忽視的方向。近幾年來，能量採集的技術研發方向，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更有效率、更微型的能量採集晶片。

其實人類很早就在發展「能量採集」的相關技術。在古早時代，人們就知道利用自然環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採集及能量轉換的技術，差別只在於是以更有效率的方式，更大規模地將水力、風力、太陽能等轉換成可供人們方便使用的電能。

簡單來說，能量採集有一個基本的觀點，它隱含有二個重要的優點，一是「本質上不會消耗能源」，二是「對環境不會造成負面影響」。因此，在最佳狀態向，透過這種方式，物聯網系統可以形成一個類似於「永動機」的狀態。

簡單來說，根據德州儀器的統計資料，一般可以採集的微量能量來源，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)；而因為壓電型發電是利用外在環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)製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採集技術研發的主流之一。

在實例應用方面，如行動中的車輛必定產生振動能，利用能量採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測系統(TPMS)晶片，即可大幅減少更換電池的次數；或者又如發電鞋，邊走邊發電，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或居家系統領域，可能可以產生更多不同的想像。

當然能量會損耗的，但整合了電力採集技術與PoE架構，物聯網處於「隨時可動」的狀態，其實並不困難。