物聯網走向碎片化，市場對客製化量測的需求漸高，「什麼是客製化量測？為何需要客製化設計？」一文中我們提到，在產品尺寸與形狀特殊、高運算、連網能力、感測器介面整合等四種狀況下，量測和物聯網業者會需要客製化設計，接下來本文將聚焦在一個客製化量測的重點應用：智慧型感測器 (smart sensor)。

什麼是智慧型感測器？

在開始探討智慧型感測器之前，我們先來回顧一般感測器的原理和應用範圍。

一般的感測器，都是透過材料、光學、機械、或化學的反應把物理現象轉換為電壓或電流。這些物理現象包含了溫度、聲音、振動、位移等類型的變化量。在量測應用中，工程師和科學家可以利用儀器或資料擷取系統，將感測器的類比電壓和電流訊號轉為電腦可以計算的數位訊號，以便後續分析和呈現。以下為常見的感測器種類：

圖 1. 常見感測器種類

那麼，什麼是智慧型感測器？

由於嵌入式系統的普及與小型化，現在已經有感測器業者將嵌入式系統與感測器整合在一起，並利用嵌入式系統所具有的處理能力，進行即時訊號處理、判斷、或控制的功能。

在歐美地區和全球，智慧型感測器的英文名稱常見為 smart sensor、intelligent sensor 或 edge sensor，在中國大陸則稱為「智能傳感器」。

智慧型感測器和一般的感測器有什麼不同？

因為具有了嵌入式系統的融合，一個智慧型感測器也整合了多項以下元件：

• 微控制器 (microcontroller) 或CPU
• 記憶體或 SD卡
• 無線通訊 (如 Wi-Fi 、藍牙)
• 電源供應器或電池

圖 2. 智慧型感測器的基本組件

因此，當嵌入式系統和感測器整合為一，成為智慧型感測器，它的好處是：

• 可提供即時反應，如安全或防災用途
• 進行自我診斷，立刻偵測感測器異常與否，並提出警告
• 直接在前端分析資料，無需等到回傳到電腦才計算
• 進行資料壓縮，降低後續資料傳輸資料量（這可節省後續網路頻寬以及儲存費用）
• 進行機器學習或 AI 算法，直接進行參數優化

智慧型感測器與一般感測器比較，有什麼優缺點？

智慧型感測器是一個以微處理器為核心來擴展外圍元件的機電系統。當然，相較於一般感測器來說，智慧型感測器帶來了很多好處，但因為系統比較複雜，所以也需要投入比較多開發時間。以下為智慧型感測器的優缺點比較表：

智慧型感測器未來的趨勢？

呈上，智慧型感測器的優點來自於它能夠直接進行訊號處理和分析，因此，當嵌入式系統技術隨著摩爾定律演進，嵌入式系統的處理能力也將會越來越強大。

摩爾定律 (Moore's Law)：每隔兩年電腦的運算速度會變成兩倍，或是說，同樣運算速度的晶片會變成二分之一的價格。

 

source: Wikipedia

在過去若要進行複雜運算，只能將原始感測器訊號再傳給後面的電腦，才能夠得到分析結果。而當前端嵌入式系統的處理能力越強大時，很多計算是可以直接在訊號端進行，這便省去了傳輸資料所需的頻寬，並讓在現場的使用者立即得到計算結果。

另外，也因為嵌入式系統的處理能力提升，最近幾年的機器學習和人工智慧的應用，如 IoT 和 AIoT 的資料運算和模型訓練，也都能夠藉由智慧型感測器來發揮到更多領域。

智慧型感測器有什麼設計上的挑戰？

智慧型感測器的開發可以說是高度機械、電機、軟體/韌體、電路和感測器知識的整合。在設計這些智慧型感測器，會遇到的困難則包含了：

省電，低功耗的設計考量

「要馬兒好，又要馬兒不吃草」是個常見的難題。智慧型感測器若需要進行越複雜的運算，那麼勢必它的耗電量也會提升。因此，如何在效能與耗電量之間取得平衡，是個非常重要的設計關鍵。

感測器整合與訊號處理

智慧型感測器和一般的嵌入式系統的最不同點是在不一樣，因為需要整合感測器訊號。嵌入式系統上面所設計的 A/D 轉換電路也是一個關鍵，在小型的應用，電子元件的擺放是非常的密集，因此訊號穩定度和雜訊也是必須要注意的。

如何維持可靠度的設計問題

無論是室內或戶外的應用，智慧型感測器都需要以可靠度為設計前提。若它時常故障或需要維修，這會造成維護上非常大的負擔！

智慧型感測器有哪些應用案例？

智慧型感測器的案例非常多，我們就先舉幾個來給各位參考。

胎壓偵測器 (TPMS)：

胎壓偵測器現在已是車輛的標準配備之一，此類感測器必須安裝在輪胎氣嘴上並擷取胎壓數據，而在空間有限、且有高速旋轉的輪胎，傳統的感測架構顯然無法置入，但如今電源、感測、通訊等技術相繼成熟，此類應用已然可行。這種智慧型感測器追求的是穩定和準確的無線量測，而這些項目在 TPMS 胎壓檢測的應用上被實現了。

圖 3. TPMS 胎壓檢測系統

刀具壽命偵測：

另一個近幾年常見的應用是工具機的刀具壽命偵測，在工具機運作中，負責切削物件的刀具極易損壞，而有損傷的刀具將直接影響產品品質，過去製造業者對刀具的狀態資訊，都是透過機台運作時的聲響、震動等訊息掌握。與胎壓偵測器相同，刀具感測器的空間狹小且形狀特異，傳統量測架構難以導入。有關此類型應用案例，請參考馬森科技的智慧刀具方案：馬森科技 - 智慧刀把。

圖 4. 智慧刀具量測系統 （圖片由馬森科技提供）

機械狀態監控：

隨著使用時間增加，旋轉機械設備勢必會有摩耗和損傷的問題。但是在工業應用或者廠域，往往這些設備都是在非常難以安裝儀器的地方，如高溫的鋼鐵廠，或者甚至像移動中的貨車。智慧型感測器能夠將振動量測和分析整合於一個小型無線的裝置，而這讓使用者不用再搭配體積大的儀器，就可直接將設備狀態數據傳至手機或電腦。若想了解更多有關此應用，請參考凌群科技的智慧振動感測節點方案：凌群科技 - 智慧振動感測節點。

圖 5. AURORA 智慧振動感測節點 （圖片由凌群科技提供）

除了以上案例，智慧型感測器還有許多其他應用，如：

由此可見，智慧型感測器可以說是一個「藍海」的應用空間，利用量測以及嵌入式系統的優勢，業者能夠發展出具有更高價值的資訊或服務系統。

要投入智慧型感測器的研發，需具備哪些能力？

智慧型感測器的開發可以說是高度機械、電機、軟體/韌體、電路和感測器知識的整合。無論是新創公司或是大型企業，在進行智慧型感測器的開發時，都必須具備以下能力：

• 電路設計
• 佈線設計
• 韌體/軟體開發
• 機構設計
• 測試驗證
• 量產製造
• 專業管理

對執行這種專案來說，大公司或許可以在集團內調度適合的人力來支援，甚至部門之間彼此「外包」，但是對小公司而言，要備齊所有類型人才是一種沉重的負擔。不過，經由多年民間和政府的投入，國內資源越來越齊全，各大縣市都成立了育成中心，可協助嵌入式系統或智慧型感測器的開發。（列表請參考：全台獨有112間【育成中心】及育成中心進駐辦法。）除此之外，也有其他業者提供一站式嵌入式系統設計服務，能夠幫忙解決從開發到量產的種種難題。

我們公司有個智慧型感測器的想法，該如何來實現？

在智慧化趨勢下，特殊形狀和功能的智慧型感測器需求正快速浮現，不過由於這類需求需要高度客製化，並且數量不多，以標準品銷售為主的大型感測器或儀器廠商，往往不願意投入人員、時間與經費發展此業務。另外，若是規模較小的科技公司，如果缺乏相關開發經驗，也難以在此領域立足，主原因在於一切從零開始研發的產品，開發期會過長，而失去市場商機。

另外，近幾年由於開源硬體的普及 (如 Arduino、Raspberry Pi、ESP32 等開發工具) 降低了嵌入式系統的開發門檻，研發或研究團隊也是可以用這些開發平台來快速建立一個概念驗證（Proof of Concept，簡稱 POC），以證明一個智慧型感測器在技術上是可行的。但是，必須要注意的是，這些平台在工業或戶外環境的運作穩定性，是否能成為一個商用產品所可以依賴的核心？這是必須要經過長期的測試和驗證流程，業者才能有信心的將此產品正式的量產並販售。

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