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技術成熟 市場多元 資料擷取規格快速演進
 

【作者: 王明德】   2014年08月18日 星期一

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資料擷取技術(Data Acquisition;DAQ)成熟已久,在各種產業自動化中,扮演重要角色,資料擷取的硬體系統架構從前端到後端,依序為感測器、訊號處理、PC,再加上處理軟體,即為一套完整架構,主要運作流程是感測器將取得之訊號,經過訊號處理後,傳送到PC,再由PC進行儲存、分析等動作,資料擷取應用相當多元,從各大型資源處理如自來水廠、煉油廠、環境監控的多點擷取,到單一物品的各種物理現象如力度、壓力等少點或單點等,都有廣泛應用。


圖一
圖一

先從應用狀況來看,多點資料擷取也就是感測網路(Sensor Network),而感測網路又分為有線與無線兩種,兩種方式各有長短,有線感測網路傳輸品質佳穩定性也高,不過會有佈線上的成本與施工難度,無線感測網路則優缺點剛好相反,兩種佈建方式的選擇,多取決於對訊息穩定需求與佈線難易度,成本方面由於感測網路不屬於消費性產品,因此價格敏感度較低。


在應用部分,目前以工業控制與醫療應用較成熟,首先,在石油、瓦斯、電力廠等嚴峻的工業環境下,職災、工安事件時有所聞,多點資料擷取可用於油槽、鍋爐、發電機環境,監測溫度、氣體指數,並將資訊傳送到遠端主機,當出現溫度、有毒氣體濃度過高等異狀時,會自動發警訊通知現場員工及技術後台,避免事故發生。


例如石油公司員工在清洗油槽時,容易吸入過多有毒氣體,造成意外,這時可採用多點資料擷取的感測網路,偵測有毒氣體及溫度,並讓員工配戴感測裝備,後端主機就可了解員工在環境中的動態,當員工超過數十秒沒有動作,如昏倒,就能立即察覺,進行救援,目前中油有意導入類似方案。


在美國已有原物料公司建置無線感測網路(Wireless Sensor Network;WSN)的實際應用案例,將感測器置於大型、遠距的儲存槽中,檢測液體容量。以前傳統做法是工人將探棒浸入儲存槽中,但因部分液體對人體有害,若不慎接觸恐危及生命;在使用感測網路後,可自動擷取液體容量讀數,並將資料傳回基地台。或是當液體減少總量超過預期值時,就可合理懷疑儲存槽產生裂縫,應盡快修復。


醫療與農業的應用案例


此外與無線網路整合的資料擷取系統,亦可協助產品運送,偵測震動幅度,確保易損及昂貴產品,例如晶圓製造業者可確保運送過程的產品品質,在環境應用上,資料擷取網路也與消防結合,用於廠區防災,工研院就在其光電所晶圓廠務區利用溫度、煙霧感測器偵測工廠環境。當災難發生時,後端伺服器將自動通知管理人員及消防隊,另可作為逃難指示板引導逃生方向。


在醫療應用方面,由於醫療場所的e化與M化已相當成熟,多將資料擷取網路與RFID整合應用,現階段台灣推動無線感測網路於醫療應用,包含北醫、萬芳、秀傳與新光醫院,這類應用可分為兩個部分:可攜式體能監控系統,如透過感測器量測病人生理資料,如體溫、心跳、血壓,當上述資訊超過正常範圍,再將擷取數據透過無線方式,自動通報醫護人員;其二為即時醫療決策輔助系統。


至於農業方面,有鑑於日本推行精緻農業成功,台灣政府也鼓勵農民種植高附加價值之農產品,培育精緻植物多需要投注較多心力,而智慧化的無線感測網路可提升農業e化程度。藉由感測器擷取溫、溼度、光照等數據,協助農民了解農作物生長狀態,目前台南後壁蘭花生技園區牛記蘭花農場,在其溫室佈建資料擷取網路,以監測花朵與異常警訊回報系統;同樣位於台南的大山雞場,則使用無線感測網路與RFID來作為雞隻養育,透過資料擷取與監控系統,來控管雞蛋品質的變因,如二氧化碳濃度、溫/溼度及風力等,將環境維持在最佳狀態,並結合RFID,改善上由飼料廠、雞舍及下游蛋品運輸等作業流程,是應用完善的農業e化案例。


在環境監控與公安維護部份,自從美國911事件後,喚起全球對於公共、環境安全議題的重視,除影像監控外,無線感測網路可提供更積極、雙向互動的防禦模式。之前的后豐大橋發生斷裂,造成人員傷亡的案例,此種危機各國皆有,政府部門應正視此問題,美國柏克萊大學則將其研發的感測網路技術,應用於橋樑安全監控,透過震動幅度觀測橋樑穩定度,以及橋樑結構是否損傷,當橋樑出現不正常晃動時,將即時通報管理單位,進行交通管制,保障人民安全。


以資料擷取防止斷橋事件發生


以往橋樑監控多採用有線技術,施工困難且成本昂貴,以台北大直橋為例,傳統佈建檢測成本約為新台幣100萬元,若改採無線方式,不僅佈建方式較具彈性、成本較低,並可透過無線訊號將資訊傳至遠端,有利後端維護工作進行。


在環境監控部分,除進行生物研究外,還能保育環境生態,相當符合環保意識。南投溪頭奧萬大楓葉林區也佈建無線資料擷取網路,藉由監控森林防範火災,還帶來附加效應,透過擷取資料,林務局工作人員便可提前知曉楓葉轉紅的時間,並將此訊息告知各界,利用楓葉美景吸引遊客前往,帶動觀光產業發展。另外,日本每年春季,受花粉熱所苦的民眾日益增多,政府機關則利用也以此感測空氣變化,提醒民眾注意、預防過敏。


應用日廣 規格快速演進


從上述案例可以看出,利用資料擷取所構建的感測網路,已快速拓展到生活四周,而在應用日廣的另一面,資料擷取的硬體技術也與時俱進,規格不斷往上提昇。


目前高規格的資料擷取需求可分為兩類,一是單筆資料量龐大,例如凌華科技在CMOS Sensor領域的應用產品,這兩年CMOS Sensor的畫素不斷提昇,主流規格已從200萬畫素演變到800萬,整整增加了4倍,在資料擷取卡上,所需要的規格就大不相同,另一種則是單筆傳輸量不大,但擷取點多,彙整起來整體資料量仍然可觀,例如在哥斯大黎加的熱帶雨林中,加州大學洛杉磯分校(UCLA)的研究團隊,為了在3,900平方公尺的雨林中紀錄二氧化碳資料,設置了大量的感測器,24小時不間斷的進行資料擷取,所累積的資料量相當龐大,因此UCLA之所以採用美國國家儀器(NI)的LabVIEW 與CompactRIO,也是著眼於穩定性與友善介面。


從凌華與NI的案例可以看出資料擷取技術演進的幾個趨勢,首先是傳輸頻寬的增加,從過去的PCI、PXI乃至於現在的PCI Express,傳輸資料量快速提昇,直接刺激出介面規格的改變,除了PCI Express/PCI外,PXI/CompactPCI、IEEE 1394、USB等,都是資料擷取常用的規格。


另外則是數位與類比訊號的轉換能力,感測器所接收的訊號類型不一,一般環境與材料擷取訊號多為類比,而前述的CMOS Sensor則是數位,如何高速處理類比與數位訊號,對資料擷取系統來說相當重要,他並表示,凌華在這部份投注了大量資源,在台灣廠商中,技術已居於領先地位。


至於在整合方面,在企業e化速度加快的今天,與異系統鏈接已成為企業採購IT與自動化設備的規格重點,例如運動控制就是其一,而要設計出高整合能力的資料擷取卡,初期的彈性設計能力十分重要,現在的趨勢是利用可程式邏輯化陣列(FPGA)的彈性編寫能力,讓板卡設計工作更簡單。


應用與技術 互成良性循環


最後則是更多技術的導入,由於目前的資料擷取系統都是所謂的『Wintel』架構,具有極佳的開放性特質,要整合市面上已有的技術並不難,因此過去因技術不成熟而難以企及的應用,如今都可完成,姜長青以NI在鍋爐的應用為例指出,由於溫度過高,過去鍋爐中心的溫度數據完全無法擷取,在技術不斷突破後,NI在鍋爐四周放置感測器,再將擷取獲得的數據,以3D模擬技術,計算出中心溫度,完成過去不可能的目標。


在新技術不斷的開發出來後,資料採擷的應用日趨多元,而應用的拓展又刺激出更多技術的導入,從而形成兩者的良性循環,擴大市場規模,光以無線感測網路來說,根據調查機構On World的估計,2013年全球的WSN節點(node)數量將達1.27~1.85億個,產值高達53億美元。再加上,日本U-Japan、韓國IT 839、韓國三星(Samsung)集團U-City計畫,與美國DARPA皆將感測網路列為重要發展項目,更大幅提高WSN重要性。目前投入WSN市場者包含Dust Networks、Crossbow Technology、Digital Sun,未來應用層面廣大,可與醫療、物流、營建、監控、工業控制等不同領域業者合作,帶動產業鏈發展。


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