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無線聯網技術推助 物聯網閘道器應用熱度狂飆
新通訊 20181 月號 203 期《 封面故事 》
文.李明哲
為滿足各種不同應用場合,物聯網環境充滿多樣化無線聯網技術,在近端連結、控制及處理的需求, 也激發了物聯網閘道器大量現身於各種應用。本文將詳細探討各種聯網技術的優缺點,並說明在物聯網的趨勢之下, 閘道器的設計方針與挑戰
隨著科技的進步及更多的數位化產品應用改變了許多人的生活方式,近幾年物聯網、人工智慧、大數據分析等相關應用越來越多。許多分析報告預估在2020年全球將會有250億個設備連結到物聯網(IoT)的架構內,帶來約7億美元的營收;其中約有40%的物聯網裝置應用在工業製造方面、約30%應用在醫療照護方面,預估將來會有更多的應用在智慧城市方面。 

多重無線聯網技術  

物聯網主要是要將各個裝置相互間串聯起來,其中負責物與物連接的無線聯網技術,就是物聯網應用最重要的一環。目前無線聯網技術種類相當多,早期主要以低功耗的Wi-Fi和藍牙低功耗(BLE)為主,而後出現了ZigBee與SmartMesh等基於2.4GHz發展出來的網狀連線架構,後續將針對各個無線聯網技術做介紹。 

SmartMesh是基於6LoWPAN的SmartMesh IP,為無線網格網路提供了與有線網路類似的可靠性和超低功耗,允許在嚴酷的環境中安全地部署由電池供電的IoT感測器,且電池的壽命可超過10年。SmartMesh另一個特點是當其中一個節點故障時,可自動搜尋附近節點以確保網路連接。ZigBee以短距離、低功耗、低成本等特色,目前在家庭自動化、照明、能源管理、智慧家電、安全、感測器和醫療保健監控產品等領域已經有一定的普及率。另外由Nest Labs提出的Thread技術與ZigBee架構相似,且只需要韌體升級即可兼容ZigBee。相較於ZigBee,Tread可支援IPv6,大幅提升資料傳輸安全性,預估將來將會取代ZigBee成為智慧家庭方面普及率最高的連線技術。 

LoRa是基於線性調頻擴頻調製的低功耗廣域網路通訊技術,具有距離遠及低功耗兩大特性,不僅可以實現遠距離傳輸,並可以兼具低功耗及低成本的優勢。LoRa傳輸距離可長達15~20公里,適合用在智慧城市、智慧農場等大範圍的應用環境。另外LoRaWAN則是可以由使用者自行購買基站並自組網路與終端機連線。但目前LoRa終端機在世界各國布建的速度尚未普及,因此目前比較看好私領域的LoRa Network應用。 

Sigfox與LoRa一樣採用Sub-1GHz ISM頻段進行通訊,但因採用蜂巢式網路通訊硬體架構,和3G/LTE一樣需要透過廠商搭建基地台提供通訊服務。NB-IoT則是基於3GPP標準定義的LPWA連線技術。NB-IoT採用授權頻譜,需要申請費用,另一方面,因為NB-IoT必須仰賴行動通訊的基地台,所以在建置成本上會比較高。但其基地台與4G行動通訊基地台相同,只需要升級基地台內部的軟體就能支援,因此目前在世界各國基地台的布建普及率已經有一定的水準。 

IoT無線聯網技術各有優缺點,每一種應用場景都有相對應合適的無線連線技術,且新的無線通訊技術還在持續發展中,將來誰會勝出還很難確定,但在IoT應用都有一定的重要性(表1)。 

表1 各聯網技術規格比較
物聯網閘道器提供高效運算能力 

隨著IoT應用越來越普及,透過感測器接收的資料量越來越多,若每個感測器的資料透過傳統的閘道器(Gateway)或是直接透過網路傳送到雲端伺服器,如此便會加重伺服器運算的負擔,另外所有資料都上傳到雲端伺服器,也會大幅增加網路資料流量。在許多物聯網應用場景,除了接收感測器的資料外,也需要立即通知終端設備做適當的動作,因此物聯網閘道器IoT Gateway的出現就相當重要(如圖1)。透過IoT Gateway,可以在現地採集感測器的資料,經過運算分析後將可用的資料上傳到雲端。另外也可以直接控制終端設備。例如應用在工廠倉庫管理系統上,可隨時監控倉庫溫濕度、空氣品質,並上傳數據到雲端伺服器,使用者可透過網路確認倉庫狀況。另外若倉庫溫溼度有異常也可立即啟動空調以調節環境溫度,確保倉庫內的材料品質。 

圖1 從感測節點端到雲端平台架構示意圖中,可看出具備邊緣智慧的嵌入式平台的重要性與位置。
以2015年全球第一款針對物聯網市場設計的IoT Gateway為例,其採用Intel X86平台以提供較強大的運算能力,內部設計多種I/O且可支援多種無線連線技術,足以應付各種物聯網應用上邊緣計算,強化物聯網應用。 

IoT Gateway在硬體方面還需具備以下幾項功能: 

・強大運算能力 

IoT Gateway負責蒐集感測器傳回來的各種資料,比起一般的Gateway需要更強大的運算能力,除了分析數據外,甚至也可以分析影像、聲音等資訊,並將可用的資訊傳送到雲端伺服器。如此可大大減少伺服器運算的需求及網路資料傳輸的流量,且可立即控制設備做適當的反應。例如在路燈系統的應用,IoT Gateway蒐集環境光亮度並直接控制周圍路燈,以調節路燈亮度。此外也可蒐集當地溫溼度、空氣品質,道路車流、人流或甚至加裝攝影機做監控,在蒐集這些資料後經過壓縮處理並將有用的資料上傳到雲端伺服器。 

・多重無線聯網能力 

IoT Gateway需要向下蒐集各個感測器的資料經過整理後上傳到雲端伺服器,感測器可布建在各個位置,因此IoT Gateway至少要具備兩種以上連線功能。以研華UTX-3117為例,設計有三個無線模組接口及相對應的五根天線設計,可同時支援三種不同的無線聯網技術,甚至將來有新的無線連線技術也可以支援,另外也設計有兩個LAN Port及兩個RS-232/RS-422/485,足以應用在各種IoT場景。 

・支援各種特殊環境 

IoT Gateway需要在各種溫度或環境下運作,因此至少要達到寬溫(-20~60℃)的工作溫度要求。例如機器需要安裝在日夜溫差極大的太陽能發電廠,白天溫度可能高達40℃以上,半夜溫度下降到0℃以下。另外在工廠或是運輸系統上需要支援寬壓的需求,以因應各種特殊的作業環境。例如研華所生產的工業電腦產品多數都可支援寬溫環境使用,甚至能支援更嚴苛的環境使用的產品,在這方面的產品設計及材料選用已有多年的經驗。 

・產品信賴性及穩定度 

IoT Gateway因應各種不同的場合需要將機器安裝在各種位置,例如路燈上、風力發電機上。這些位置萬一產品有問題需要維修都比較困難,因此產品的信賴性、穩定度及壽命要求相當高。 

閘道器軟硬體整合需求擴增 

目前在市場上較常見的物聯網應用軟體相當多,Microsoft及Amazon提供了現階段針對物聯網應用最完整的軟體,其包含雲端伺服器服務Microsoft Azure及Amazon AWS。另外在IoT Gateway上的應用軟體Microsoft IoT Edge及AWS Greengrass支援多種協定,例如Modbus、OP-CUA和MQTT等,向下可連接多種感測器並蒐集資料到IoT Gateway分析,經過分析後通過MQTT將資料上傳到雲端伺服器。 

另外針對聯網需求,許多公司也自行開發相關軟體,像是研華WISE-PaaS/EdgeSense整合物聯網連線通訊協定,且WISE-PaaS也支援WISE-PaaS/OTA與WISE-PaaS/Security,可遠端更新韌體並整合McAfee Security的防護機制,以保護系統避免被駭客入侵。另外針對不同的應用提供相對應的軟體,例如WISE-PaaS/SCADA主要應用在工業方面應用環境,可將工廠生產狀態、良率、排程等資訊圖形化顯示,使用者可清楚掌控工廠生產狀況。 

研華UTX-3117系統目前已通過Microsoft Azure及Amazon Greengrass相關認證,開發者可直接使用該系統安裝Microsoft IoT Edge或AWS Greengrass軟體並使用Microsoft Azure及AWS的雲端服務。另外,該系統也與WindRiver合作開發Pulsar Linux IoT OS Pulsar,Pulsar擁有體積小、即時支援、與相容性等特點,且本身設計有軟體白名單管控及所有程式都需要經過認證後才安裝,以提供更安全的保護機制(圖2)。 

圖2 IoT Gateway強調軟硬體整合的能力,即時整理與分析蒐集而來的感測器資料。
IoT Gateway切入智慧城市應用 

目前物聯網閘道器被廣泛運用於智慧城市中,包括智慧路燈、醫療、能源等應用。以太陽能發電為例,其戶外環境對於無線傳輸模組的需求較高,適合使用整合LoRa無線傳輸模組的解決方案,透過LoRa技術可連接到約10~15公里範圍內,且最多可同時支援約200組感測器。安裝在太陽能板上的感測器可蒐集每片太陽能板的發電效率資訊,經過運算分析並整合當地天候資訊,以追蹤太陽光線方向並調整太陽能板角度,使每片太陽能板都能發揮最大發電效率。 

(本文作者為研華科技嵌入式運算核心事業群產品企劃專案課長)

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