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技术成熟 市场多元 资料撷取规格快速演进
 

【作者: 王明德】2014年08月18日 星期一

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资料撷取技术(Data Acquisition;DAQ)成熟已久,在各种产业自动化中,扮演重要角色,资料撷取的硬体系统架构从前端到后端,依序为感测器、讯号处理、PC,再加上处理软体,即为一套完整架构,主要运作流程是感测器将取得之讯号,经过讯号处理后,传送到PC,再由PC进行储存、分析等动作,资料撷取应用相当多元,从各大型资源处理如自来水厂、炼油厂、环境监控的多点撷取,到单一物品的各种物理现象如力度、压力等少点或单点等,都有广泛应用。


图一
图一

先从应用状况来看,多点资料撷取也就是感测网路(Sensor Network),而感测网路又分为有线与无线两种,两种方式各有长短,有线感测网路传输品质佳稳定性也高,不过会有布线上的成本与施工难度,无线感测网路则优缺点刚好相反,两种布建方式的选择,多取决于对讯息稳定需求与布线难易度,成本方面由于感测网路不属于消费性产品,因此价格敏感度较低。


在应用部分,目前以工业控制与医疗应用较成熟,首先,在石油、瓦斯、电力厂等严峻的工业环境下,职灾、工安事件时有所闻,多点资料撷取可用于油槽、锅炉、发电机环境,监测温度、气体指数,并将资讯传送到远端主机,当出现温度、有毒气体浓度过高等异状时,会自动发警讯通知现场员工及技术后台,避免事故发生。


例如石油公司员工在清洗油槽时,容易吸入过多有毒气体,造成意外,这时可采用多点资料撷取的感测网路,侦测有毒气体及温度,并让员工配戴感测装备,后端主机就可了解员工在环境中的动态,当员工超过数十秒没有动作,如昏倒,就能立即察觉,进行救援,目前中油有意导入类似方案。


在美国已有原物料公司建置无线感测网路(Wireless Sensor Network;WSN)的实际应用案例,将感测器置于大型、远距的储存槽中,检测液体容量。以前传统做法是工人将探棒浸入储存槽中,但因部分液体对人体有害,若不慎接触恐危及生命;在使用感测网路后,可自动撷取液体容量读数,并将资料传回基地台。或是当液体减少总量超过预期值时,就可合理怀疑储存槽产生裂缝,应尽快修复。


医疗与农业的应用案例


此外与无线网路整合的资料撷取系统,亦可协助产品运送,侦测震动幅度,确保易损及昂贵产品,例如晶圆制造业者可确保运送过程的产品品质,在环境应用上,资料撷取网路也与消防结合,用于厂区防灾,工研院就在其光电所晶圆厂务区利用温度、烟雾感测器侦测工厂环境。当灾难发生时,后端伺服器将自动通知管理人员及消防队,另可作为逃难指示板引导逃生方向。


在医疗应用方面,由于医疗场所的e化与M化已相当成熟,多将资料撷取网路与RFID整合应用,现阶段台湾推动无线感测网路于医疗应用,包含北医、万芳、秀传与新光医院,这类应用可分为两个部分:可携式体能监控系统,如透过感测器量测病人生理资料,如体温、心跳、血压,当上述资讯超过正常范围,再将撷取数据透过无线方式,自动通报医护人员;其二为即时医疗决策辅助系统。


至于农业方面,有鉴于日本推行精致农业成功,台湾政府也鼓励农民种植高附加价值之农产品,培育精致植物多需要投注较多心力,而智慧化的无线感测网路可提升农业e化程度。藉由感测器撷取温、湿度、光照等数据,协助农民了解农作物生长状态,目前台南后壁兰花生技园区牛记兰花农场,在其温室布建资料撷取网路,以监测花朵与异常警讯回报系统;同样位于台南的大山鸡场,则使用无线感测网路与RFID来作为鸡只养育,透过资料撷取与监控系统,来控管鸡蛋品质的变因,如二氧化碳浓度、温/湿度及风力等,将环境维持在最佳状态,并结合RFID,改善上由饲料厂、鸡舍及下游蛋品运输等作业流程,是应用完善的农业e化案例。


在环境监控与公安维护部份,自从美国911事件后,唤起全球对于公共、环境安全议题的重视,除影像监控外,无线感测网路可提供更积极、双向互动的防御模式。之前的后丰大桥发生断裂,造成人员伤亡的案例,此种危机各国皆有,政府部门应正视此问题,美国柏克莱大学则将其研发的感测网路技术,应用于桥梁安全监控,透过震动幅度观测桥梁稳定度,以及桥梁结构是否损伤,当桥梁出现不正常晃动时,将即时通报管理单位,进行交通管制,保障人民安全。


以资料撷取防止断桥事件发生


以往桥梁监控多采用有线技术,施工困难且成本昂贵,以台北大直桥为例,传统布建检测成本约为新台币100万元,若改采无线方式,不仅布建方式较具弹性、成本较低,并可透过无线讯号将资讯传至远端,有利后端维护工作进行。


在环境监控部分,除进行生物研究外,还能保育环境生态,相当符合环保意识。南投溪头奥万大枫叶林区也布建无线资料撷取网路,藉由监控森林防范火灾,还带来附加效应,透过撷取资料,林务局工作人员便可提前知晓枫叶转红的时间,并将此讯息告知各界,利用枫叶美景吸引游客前往,带动观光产业发展。另外,日本每年春季,受花粉热所苦的民众日益增多,政府机关则利用也以此感测空气变化,提醒民众注意、预防过敏。


应用日广 规格快速演进


从上述案例可以看出,利用资料撷取所构建的感测网路,已快速拓展到生活四周,而在应用日广的另一面,资料撷取的硬体技术也与时俱进,规格不断往上提升。


目前高规格的资料撷取需求可分为两类,一是单笔资料量庞大,例如凌华科技在CMOS Sensor领域的应用产品,这两年CMOS Sensor的画素不断提升,主流规格已从200万画素演变到800万,整整增加了4倍,在资料撷取卡上,所需要的规格就大不相同,另一种则是单笔传输量不大,但撷取点多,汇整起来整体资料量仍然可观,例如在哥斯大黎加的热带雨林中,加州大学洛杉矶分校(UCLA)的研究团队,为了在3,900平方公尺的雨林中纪录二氧化碳资料,设置了大量的感测器,24小时不间断的进行资料撷取,所累积的资料量相当庞大,因此UCLA之所以采用美国国家仪器(NI)的LabVIEW 与CompactRIO,也是著眼于稳定性与友善介面。


从凌华与NI的案例可以看出资料撷取技术演进的几个趋势,首先是传输频宽的增加,从过去的PCI、PXI乃至于现在的PCI Express,传输资料量快速提升,直接刺激出介面规格的改变,除了PCI Express/PCI外,PXI/CompactPCI、IEEE 1394、USB等,都是资料撷取常用的规格。


另外则是数位与类比讯号的转换能力,感测器所接收的讯号类型不一,一般环境与材料撷取讯号多为类比,而前述的CMOS Sensor则是数位,如何高速处理类比与数位讯号,对资料撷取系统来说相当重要,他并表示,凌华在这部份投注了大量资源,在台湾厂商中,技术已居于领先地位。


至于在整合方面,在企业e化速度加快的今天,与异系统链接已成为企业采购IT与自动化设备的规格重点,例如运动控制就是其一,而要设计出高整合能力的资料撷取卡,初期的弹性设计能力十分重要,现在的趋势是利用可程式逻辑化阵列(FPGA)的弹性编写能力,让板卡设计工作更简单。


应用与技术 互成良性循环


最后则是更多技术的导入,由于目前的资料撷取系统都是所谓的『Wintel』架构,具有极佳的开放性特质,要整合市面上已有的技术并不难,因此过去因技术不成熟而难以企及的应用,如今都可完成,姜长青以NI在锅炉的应用为例指出,由于温度过高,过去锅炉中心的温度数据完全无法撷取,在技术不断突破后,NI在锅炉四周放置感测器,再将撷取获得的数据,以3D模拟技术,计算出中心温度,完成过去不可能的目标。


在新技术不断的开发出来后,资料采撷的应用日趋多元,而应用的拓展又刺激出更多技术的导入,从而形成两者的良性循环,扩大市场规模,光以无线感测网路来说,根据调查机构On World的估计,2013年全球的WSN节点(node)数量将达1.27~1.85亿个,产值高达53亿美元。再加上,日本U-Japan、韩国IT 839、韩国三星(Samsung)集团U-City计画,与美国DARPA皆将感测网路列为重要发展项目,更大幅提高WSN重要性。目前投入WSN市场者包含Dust Networks、Crossbow Technology、Digital Sun,未来应用层面广大,可与医疗、物流、营建、监控、工业控制等不同领域业者合作,带动产业链发展。


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