嵌入式系統目前應用相當廣泛，智慧型手機即是最佳例子，包含各種行動通訊技術和應用程式，使嵌入式系統融入生活當中。
嵌入式系統擁有特定且特殊的設計，且較不易被複製而可提高安全性等特點，在早期多應用於高精密控制系統，且朝向自動化設計目標邁進，在工業控制的領域中。嵌入式系統更是絕佳的工具，使用自動化設計的設備可以有效的節省人力的負擔，也解決一些人為疏忽的問題。
所謂的自動化控制系統是整合電機、電子、資訊、控制、機械等各項專業領域的知識與技術。在探討自動化控制系統的設計中，感測器(Sensor)扮演著非常重要的角色，是自動化控制系統的耳目；而輸出入裝置則為自動化控制系統的手腳，可有效整合自動化控制系統，並延伸成為智慧型控制系統。
本文主要探討的是嵌入式監控(Surveillance)系統，以及感測(Sensing)之間的整合應用，兩者實際上息息相關，因為控制系統若無感測系統，便無法得知外界資訊；同時，若只有感測系統無控制系統，所得到的外界資訊則無用武之地。簡單來說，感測器好比人類感觀，而控制器好比頭腦，兩者須合作無間，才能發揮到淋漓盡致。
嵌入式系統開發第一步 慎選感測器與通訊機制
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| 圖1 感測系統架構 |
在感測系統中，首重感測器考量，其主要功能是偵測待測物的即時物理量或化學量，替代人類五感官及無法檢測的資訊如電磁輻射、無味氣體等。其次要介紹的是感測器的控制電路；目前許多感測器已可被搭配控制電路使用，因為僅有感測器並無法直接將訊息回傳至系統，須透過控制電路和輸出裝置。系統架構如圖1所示。
感測裝置依功能可區分為偵測光度、聲音、溫度、濕度、振動、風速等方案，而電子式感測器的偵測方法有電容值、電阻值、電感值、電壓值、電流值等，因為其數值為類比訊號，較不利於遠端處理器系統判讀，故須將此類比訊號轉換成數位訊號，增加導入類比數位轉換器(ADC)的需求，元件架構如圖2所示。為使得其測試值較容易被判斷，工程師須將其類比偵測值經過控制電路轉換，如圖2中的Vin為所偵測的輸入數值，Vreference為參考值，其用意為和偵測的輸入數值做比較，而Vout為輸出值，在系統設計上則可選擇4、8位元或更高解析度的ADC，將偵測數值轉換成數位訊號。
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| 圖2 感測系統應用ADC示意圖 |
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| 圖3 4位元ADC理想轉換曲線 |
其解析度計算方式為V/(2n-1)，n代表n個位元，此控制電路的設計通常為運算放大器(Operational Amplifier)搭配閂鎖器(Latch)的功能，另一個常見的說法是比較器(Comparator)搭配編碼器(Encoder)的結合。在圖3可觀察4位元ADC的理想轉換曲線。
另外討論輸出裝置。設計人員可運用有線或無線通訊方案，目的是將經過控制電路轉換的訊號傳輸到控制端，兩者都須考慮傳輸距離。若使用短距有線的設計，其設計較為簡單，只要考量線材和連接器之間的傳輸效應；而短距無線傳輸，可使用目前較熱門ZigBee無線感測器網路，其具備碰撞避免機制，可大幅提高傳輸的可靠度，距離亦可達到10～100公尺以上。至於遠距有線可使用由電子工業協會(EIA)訂定的RS-485標準傳輸線，最大傳輸距離達1.2公里；此外，遠距無線傳輸則可透過無線區域網路(Wi-Fi)或3G方案。
綜合以上需求，表1為各種通訊技術支援距離的整理，表2則為有線及無線架構的優缺點比較。須注意的設計問題是，若輸入為並行(Parallel)方式，如通用輸入輸出(GPIO)、LPT(Line Printer Terminal)適用於短距離的傳輸；若須遠距傳輸，則串列(Serial)方式較具優勢，如Serial Port、COM Port和乙太網路(Ethernet)等。
進入控制系統設計階段，首先要關注的是受控裝置，如致動器(Actuator)，它是將電能轉換成機械能(物理量)的設備，常見為電動機，也就是馬達。
審慎評估DAC與電源 控制系統設計瞭若指掌
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| 圖4 控制系統架構 |
馬達可分為數種類型；另外還有連續(Continuous)與離散(Discrete)的受控裝置，當然也有純粹只控制開關的受控裝置。系統可依據其受控裝置的設計，調整其輸入裝置，透過控制電路的轉換，進而控制受控裝置，如圖4所示。
由於一般受控裝置大多接收類比訊號，而輸入裝置的控制訊號則大部分為數位訊號形式，所以在控制電路上，就須搭載數位類比轉換器(DAC)，從而提供數位訊號轉換類比訊號的功能，元件架構如圖5所示，解析度的計算為1/2n。其控制電路設計通常為解碼器(Decoder)搭配運算放大器，在圖6可觀察4位元DAC的理想轉換曲線。
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| 圖5 控制系統應用DAC示意圖 |
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| 圖6 4位元DAC理想轉換曲線 |
至於控制系統的輸入裝置，與感測系統的輸出裝置觀念大致相同，最大不同點是控制訊號的方向，須特別注意。此外，感測與控制系統兩者的電源設計，有一些問題須事先考慮，首先是決定供電方式，若使用交流(AC)變壓器供電，須確認輸出功率是否足夠，若使用直流(DC)電池供電，則要了解耗電的影響，兩者都須透過穩壓器(Voltage Regulator)，然後再供電給控制電路，因穩壓器提供的電源過載保護可保護控制電路，且有穩定電壓效果。
設計人員更進一步整合自動化監控和感測系統時，控制系統須有效判斷感測系統的輸出訊號，並自動控制調整其受控裝置。
確保監控與感測協同運作 閉迴路控制系統穩定性佳
若系統沒有感測裝置，其控制系統將是開回路系統(Open Loop Control System)，如圖7所示，實際輸出(Actual Output)和參考輸入(Reference Input)無相對應的關係，所以控制器無從得知受控裝置的狀態，非穩定系統的設計，故不符合本文討論的系統要求。
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| 圖7 開迴路系統架構圖 |
本文著重於閉迴路控制系統(Close Loop Control System)，如圖8所示，其實際輸出和參考輸入有直接的關係，實際輸出會受到感測器監視，並將偵測數據反饋(Feedback)傳輸給參考輸入，且此系統採用負回授控制(Negative Feedback Control)方式，可讓系統趨於穩定。
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| 圖8 閉迴路系統架構圖 |
此一嵌入式系統整合架構如圖9所示，可將其系統架構分成三層，其中，底層為感測與控制系統，而在中層的監控系統，採用相對較低階的微控制器(MCU)，用意係將較簡單的處理程序，由此層負責處理，再將其資訊傳送至上層，例如溫濕度感測，經由監控系統判斷是否超過所設定的臨界值(Threshold)，經判斷後，自動起動溫濕度調控，並將其數據傳送至上層，此設計常用於室內節能設計，至於上層資訊可由人機介面或自動化電腦控制，如圖10所示。
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| 圖9 嵌入式自動化監控與感測系統架構 |
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| 圖10 人機介面參考範例 |
除此之外，在工業控制使用上，最常運用到的是馬達控制系統，而馬達又分為交流、直流、步進馬達等，可經由圖9的底層和中層架構，實現控制目的；但是在微控制器的選擇上，就須特別挑選具有處理馬達控制的功能，一般都採用數位訊號處理器(DSP)，並搭配最廣泛的PID(Proportional Integral Derivative)閉回路控制器，如圖11所示。
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| 圖11 PID控制器架構圖 |
若以目前較常見的直流無刷(BLDC)馬達為例，其感測器為霍爾感測元件(Hall Sensor)，可取得轉子位置的數據，透過微控制器的軟體程式，經由輸出端送出脈波寬度調變(PWM)訊號控制馬達轉速，而上層只須接收資訊。
在處理較複雜資訊時，如影像監控，其感測器為影像接收器，但運算量較大，包含影像儲存、擷取、分析、統計等，若採用微控制器，系統將無法負荷監控與感測系統的需求，這時就需相對較強大的微處理器(MPU)負責，處理程序和上述的溫溼度及馬達控制不同，如表3的比較。
感測系統結合自動監控 智慧綠能建築加速成形
利用本文提出的嵌入式監控及感測系統設計架構，可使得系統的分配較均勻，且運算量不會全落在微處理器身上，因此本架構的彈性較高，擴充性可符合大多數的整合監控和感測系統。
圖12(a)為處理較簡單的資料量，如粗黑線處理程序，此時微處理器的工作量較低，而圖12(b)為處理較複雜的資料量，如虛線處理程序，此時微處理器的工作量較高，而微控制器處於待命狀態。若系統閒置時，則又回到偵測端，如黑線處理程序，利用此架構可達到自動化的目的。另外，在傳輸方面，可透過有線或無線的方式進行資料傳遞，在表2中有其優缺點比較，取決於相對應用的設計。
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| 圖12 嵌入式程式設計參考範例 |
本文提出的嵌入式自動化監控與感測系統架構，針對工業控制應用提出大致的探討，對於目前的監控系統應用於綠能建築設計，更可說是如魚得水，透過感測系統結合自動監控，可得到節約能源的目的。另外，若搭配機器視覺(Machine Vision)技術，在安全監控上將有更新穎的設計，並可跨足不一樣的產業，不只局限於工業領域，因此目前發展的自動化控制方案已開始結合人工智慧，朝向智慧控制系統，但精密度還要持續改良。
(本文作者任職於資策會智通所)