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種下感測種子.扎根智慧城市
 
撰編:周滋靜 最後更新時間:7月 | 30日 , 2022
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專家
 
柏昇企業股份有限公司產品應用部 劉承榮經理
透過空污測站檢測數據中發現,空污PM2.5其實不如我們所想像,是隨風從中國大陸飄散過來的,近七成的污染竟是來自台灣中南部地區,而產生PM2.5懸浮微粒的主要原因為稻穗收割後焚燒農地所致。
 
感測技術的聰明應用
透過氣體感測,我們能夠監控水果在運輸過程中的熟成度,或是腐爛的狀況;能夠分辨來自不同人身上的香水味;還可分析食物的營養成份,或是有沒有農藥殘留;藉由人體呼出的氣體,還能推測身體脂肪燃燒的多寡;在牧場,若是環境中「氨」的濃度過高,牛的泌乳量會減少,或是肉質也會較硬;教室內「二氧化碳」的濃度高低,也會影響學生的學習效果……。柏昇企業股份有限公司產品應用部劉承榮經理表示,感測技術在工控產業的應用已行之有年,但氣體感測已不再如過去傳統工業控制,只針對某些特定的氣體做監測,而是在感測器中小小的IC裡加載不同的感測元件,當某一氣味經過感測器,便能分析有哪幾種不同成份的氣體摻雜其中,進而分辨不同的氣味。

農業監控方面,台灣在精緻農業這塊發展得相當優異,因此也有跨領域的業者,致力將ICT技術與農業結合,如開發專屬的感測器,測量土壤的酸鹼度、保水度、溫度、濕度並與作物生長狀況結合,透過科技讓作物生長得更好。前陣子突如其來的霸王寒流,也造成許多養殖業的損失。劉承榮說明,養殖業雖然也可以透過感測器的應用去改善,減少因氣候急遽變化而產生的損失,例如,利用感測器與設備連動可以將池水加熱,但加熱的範圍太大,耗能支出成本與初期建置成本,可能無法符合其經濟效益。

城市佈建,空污監測的需求與應用
單單透過氣體感測就可以發展出如此多元的應用,更何況大環境的空氣污染,一直以來都是全球相當關注的問題。也因此,台灣在環境監控這一塊,做了相當大的努力。行政院環保署對於設置「空氣污染監測站」的理念是,各地除既有的監測站,與特定工業區設立的第二級監測站外,還要打造第三層的監測,因為光是透過既有的監測站所取得的數據,還不足以精確地找出污染源,而每一座監測站所要花費的金額動輒高達百萬、千萬。但如果採用物聯網,物物相聯的概念,就可以低成本、大量佈建的方式,達到更全方面的監測。另外,既有與新建的測站間,也要做相對的偵測數據比較,才能找出污染源。如某工廠偷排廢氣,該區域附近的測站依照距離的遠近、時間,濃度會呈現合理的數據變化,例如最接近污染源的測站,會優先測到濃度最大的數據,隨著空氣的擴散,愈遠的測站所測到濃度愈低,時間也較遲。此外,透過空污測站檢測也發現,空污PM2.5其實不如我們所想像,是隨風從中國大陸飄散過來的,近七成的污染竟是來自台灣中南部地區,透過監測器便可清楚地從時間、地點、濃度來判斷污染是來自境內或境外。

「監測最大的目的在於提供感測數值作為應用之參考」,依污染源的監測數據資料,政府可做為相關政策研擬的依據,如應用於交通上,當監測站經過數據蒐集、分析,發現某一路段,或是某個時期空氣品質較差,可以再進一步針對行駛的車輛做分析、了解不同車種排放的廢氣量…等。再透過其它的方法、手段來降低廢氣的排放,或是將空氣品質的資料開放讓民眾自行主查詢,作為戶外活動安排的參考。劉承榮補充,目前國內外的作法,都是朝「開放監測數據」讓民眾或業者自行開發新的應用;另外,也有針對空污和疾病相關的研究,可供保險公司參考調整保費,或是公共衛生單位也可以運用數據,證明空污與一些流行性感冒是否相關的查證。

劉承榮分享,以智慧城市展空污監測這一塊的發展來看,芝加哥是標竿城市,芝加哥除了在大環境的監測應用、交通監測技術都相當地純熟,甚至已經開始在監測設施的外觀上下功夫,以期與城市裝置藝術融為一體。

抗干擾、低耗電、高敏感、高穩定的感測需求
除上述提及行政院環保署對於空污監測站的設計理念,其實智慧城市的發展趨勢是朝「長距離傳輸、低耗電的無線通訊」,劉承榮表示,柏昇在智慧城市傳輸這一塊的發展以LoRa傳輸技術為主,LoRa的傳輸距離長達15到20公里,早期智慧城市所用的無線傳輸技術為Zigbee,但傳輸距離不長,且需佈建眾多的傳輸節點,而LoRa屬於星狀網路,只要透過一個Gateway就可以直接連結。另外,無線傳輸要避免受到干擾,在設計上要有一些跳頻的機制,LoRa有一個標準機制,能夠自行控制每一個傳輸點的傳輸時間,因此不受其它訊號干擾。目前台北市僅透過10幾個基地台,就可以涵蓋全台北市的網路傳輸;荷蘭、比利時等也將LoRa這個傳輸技術納為國家重點發展的無線網路技術。

「目前設計感測器最大的挑戰在於解析度、穩定度和耗電量。一般二氧化碳感測元件的解析度最低只能測到濃度1PPM,無法測到1 PPM以下的濃度,以這樣的技術,放置在室外環境只能測到背景值,無法突顯濃度的變化。另外,為了長時間適應環境變化,感測器也要具備高穩定度。再來是耗電量的問題,劉承榮表示,一般氣體感測器可有2至3年的壽命,但採用不同感測技術的耗電量不同,像偵測PM2.5粉塵類的感測元件耗電量很高,需以市電供應電力;一般偵測氣體採用的電化學式感測元件,耗電量則很低,只需電池供電即可。另外,感測器最主要的耗電量是用於無線傳輸,如果無線傳輸速率、頻率不高的話,感測器可用到3年以上不是問題。

傳統電化學式的感測器費用昂貴,而半導體則易受環境影響,只能測出相對變化,後來隨著感測技術的進步,市場需求的增加,現在應用於居家的VOC揮發性有機化合物、CO2二氧化碳、甲醛HCHO、溫度、濕度感測器都相當便宜;而應用在室外環境污染監測的感測器也相當的多元,如PM2.5、二氧化碳、二氧化氮、臭氧、二氧化硫、溫度、濕度、噪音、大氣壓力、UV等,都已有成熟的技術,進行偵測。

未來將著手於水質監測的應用、第一手資訊優勢
未來,柏昇會朝水質監測這一塊發展,劉承榮表示,台灣之前發生鉛管汙染水的疑慮,連美國都有類似的問題。一般水質監測會針對酸鹼度和混濁度,來判斷是否含有重金屬,或是懸浮物含量過高,但水質監測應用的感測器現階段價值不斐,從數萬元到幾十萬元不等,為此,柏昇也希望能夠發展出較經濟,並可以大範圍佈建的感測器。

柏昇不僅是感測元件的代理商,也是感測設備製造商。代理商的優勢使柏昇可以直接與原廠聯繫,獲得到第一手的資訊,並早一步熟悉新的感測技術、了解感測器的特性、掌握knowhow、學習如何校正、確保品質、以及觀察元件長期使用狀況…等。另外,劉承榮表示,柏昇對於無線傳輸技術的涉獵非常廣,雖傳統工控領域對於無線傳輸的穩定度,仍有十分大的疑慮,但近年來市場上無線傳輸的解決方案不斷推陳出新,有愈來愈多使用者紛紛表示關注,因此,柏昇相信無線傳輸目前所面臨的瓶頸,必定能夠一一克服。

在智慧城市這一塊,台灣的廠商也漸漸看到了趨勢,很多有規模的ODM廠商也開始投入,未來台灣可以朝比較不一樣的氣體監測、氣體分析發展,做出獨特性,而不是只侷限於常見的感測技術,劉承榮表示,台灣的研發及生產基礎很好,再加上對成本的有效管控,我們工控的產品,在國際市場上,仍具有相當的競爭力。
 
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