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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

299期2016年09月號

出版日期:2016/09/15

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掌握與大自然 「來電」新契機

記者/賴宛靖 攝影/李庭歡 圖片提供/法新社

在發展戶外環境監測系統時,如何取得穩定的電力供給系統運作,向來是最艱難的挑戰。工研院研發的「土壤驅動監測系統」,突破能源供給與系統耗能的限制,設計出利用土壤能源,讓低耗能無線監測系統達到能量自主化的技術,讓臺灣的無線監測發展技術更上一層樓。

全球科學家致力於新能源開發,舉凡土壤發電、植物發電、微生物發電甚至海洋底泥發電的研究等都有人涉獵,但產出電力多半十分有限,不足以供應或支持所需。

而工研院有了令人雀躍的發展,不僅能取得由土壤發出的電能,更成功研發出極低耗能的「土壤驅動監測系統」,未來能進一步應用在國土監測、無線監測甚至跨足智慧農業等領域。

工研院資訊與通訊研究所技術副組長廖育德表示,「計畫初期是想找尋能量來源,畢竟在無線網路系統中常用的電池,不僅具污染性,時效也短,汰換需耗費大量人力物力,因此找出環境中能應用的能源刻不容緩。團隊研究相關論文設定方向,確知土壤存在著可運用的能量,經戶外實驗後得到印證。」

不僅低耗能 更能聰明傳輸數據

一般無線監測網路會分為感知終端 (end device)、路由 (router)與閘道 (gateway),資料會藉由無線方式一路往上傳遞,為了確保網路暢通無阻,因此上層的無線接收模組要永遠開啟,造成耗能居高不下,「本計畫另一特色,是加入自主開發的超低功耗喚醒接收晶片,無事件發生時,系統中僅有此晶片醒著,利用極微量的能量去聆聽各終端是否有訊息回報;當有事件回報,便會喚醒高資料量/高功率標準通訊平台,進行資料傳輸或警示。」

未來這套技術實際系統操作時採用兩階段喚醒技術,物理量中斷與無線喚醒,具有智慧型能源分配,達成低維護成本、長時監測之目的,李瑜說,「換言之,監測系統不會不停傳輸大量數據,導致後端得花龐大人力物力分析,這套技術能在土壤含水量出現波動時啟動監測並傳輸資料,不僅過濾掉龐雜資料,更能做到節能。」

電機專家 跨領域搞懂自然科學

做研究一定會遭遇關卡,不僅是發電量這個難題;該計畫跨了材料、自然科學甚至電化學,比方說研究土壤發電需了解地質結構、含水量多少會造成崩塌,便請土木系教授提供協助;加上技術用到電極,又需跟工研院的專家交換意見,討論電極的反應。由於研究層面跨足不同領域,讓這群電機專家必須對外尋求支援,卻讓研究團隊更堅實,累積出更豐厚的研發能量。

這套技術的優勢不僅只是延伸至土壤監測外,也即將走入智慧農業。工研院資通所工程師蔡昆儒進一步說明,「智慧農業也需多節點感測,有了這套技術,將來不用接電源線,也能做多點建置。例如像是一些大型菇類培植場或大範圍溫室,其環境密閉悶熱溼度高,且多感知節點時電源佈件複雜,此時土壤發電就是最佳的使用場域。」

應用層面廣 為地球解難題

近幾年全球因極端氣候變化等問題,許多國家遭受大規模的環境災害,土石流、屢破百年紀錄的時雨量等,不僅造成嚴重災情,甚至讓國土產生無法復原的改變。為了預防此類問題,各國目前大多採用無線感測網路(Wireless Sensor Networks;WSNs)技術進行環境監控與融合處理,藉此達到預警,能及早疏散民眾減少災害發生。在工研院的努力下,克服無數瓶頸與考驗,由臺灣人自行研發的「土壤驅動監測系統」已漸趨成熟,其自給自足的能源、低耗能感測器的誕生及其多元應用的特性,堪稱無線感測網路技術的一大突破。

以往,人類總認為「宇宙萬物為我所用」,長期漠視對自然界造成的衝擊,修補與環境的關係已是刻不容緩的議題。未來以順應自然的方式進行科技研發,相信才是人類需努力的目標,也才能真正做到與自然和諧共榮、環境永續。

工研院研發團隊克服無數瓶頸與考驗,成功研發出極低耗能的「土壤驅動監測系統」,未來能進一步應用在國土監測、無線監測,甚至跨足智慧農業等領域。
工研院研發團隊克服無數瓶頸與考驗,成功研發出極低耗能的「土壤驅動監測系統」,未來能進一步應用在國土監測、無線監測,甚至跨足智慧農業等領域。

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