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補齊工業物聯網需求缺口 藍牙5/Mesh左右開弓
新通訊 20187 月號 209 期《 封面故事 》
文.Pelle Svensson
藍牙5與藍牙Mesh雙管齊下,加速工業物聯網快速發展。 2017年藍牙SIG推出藍牙Mesh技術, 不僅擴增藍牙連接的傳輸範圍,更開拓藍牙在工業應用的發展, 本文將對此進一步深入探討。
藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)於2016年12月公布藍牙核心規範的最新版本--藍牙5(Bluetooth 5),其中包含了多項突破性的增強功能。除了藍牙5規範,該組織並於2017年6月發布藍牙網狀網路(Bluetooth Mesh)規範,這是一項軟體增強技術,能在所有的藍牙低功耗解決方案上執行,而不需要藍牙5。 

自藍牙技術於1998年問世以來,藍牙5和藍牙網狀網路可說是最重要的功能提升,能推動各式各樣全新使用案例的實現,特別是在工業IoT的應用領域。 

三大效能提升 藍牙5旋風來襲 

與先前的版本相比,藍牙5包含三項重要的功能提升,包含兩倍的數據率、四倍的傳輸範圍與八倍的廣告封包(Advertising Packet)大小(信標)。 

更高的數據傳輸率 

與先前的修訂版規範相比,2Mbps的實體層(PHY)速率將每秒可傳輸的資料量提升了一倍。雖然傳送相同的資料量會耗費高一點的功率,因為傳輸時間縮短一半,因此與藍牙4.2相比,整體功耗幾乎減少50%。 

除了更快的資料傳輸率之外,較短的傳輸時間也讓它和其他的2.4GHz無線電(包括藍牙低功耗連接)能更妥善並存,因為無線電僅在更短的期間內啟動而已。 

更寬廣的傳輸範圍 

透過延伸藍牙訊號的傳輸範圍,藍牙SIG試圖把藍牙低功耗(BLE)的覆蓋範圍擴大到整個家庭。與當前的規格相比,兩個新的調製選項,125kbps和500kbps,將其傳輸距離延伸到藍牙低功耗規範的四倍。在視距(Line-of-sight)範圍內,利用相同的功率,藍牙訊號的傳輸距離預計將超過1公里。藍牙5規範還進一步把最大輸出功率從現今的10dBm增加到20dBm。這使得藍牙5裝置間的傳輸距離更遠,當然,也需要較高的功耗。 

顯然,家庭自動化是藍牙SIG未來鎖定的重要應用市場,這從Philips Lighting和Google Nest成為藍牙SIG新加入的董事會成員便可看出端倪。家庭自動化產業的重要廠商對於採用藍牙低功耗標準來連接各種他們所開發的裝置,顯示出濃厚的興趣。 

更豐富的信標 

藍牙5的第三個新特性是提供了擴展的廣告功能。此功能最先是在藍牙低功耗中引進,它讓低功耗感測器節點向中央裝置發出「我有新資料」的訊號。如果中央裝置對此資料有興趣,便會啟動一個連接,並在此期間與感測器節點交換資訊。一旦資料交換完成,連結便會關閉,然後感測器恢復到低功耗模式。簡短的廣告訊息便足以啟動這類的資料交換。 

圖1 藍牙5以2Mbps PHY速率傳輸的功耗
 

然而,裝置製造商很快理解到,這種「非連結」的廣告訊息也能用來當作信標,無須先建立連結便能廣播訊息。Apple已利用此技術推出iBeacon, Google則開發了Eddystone。 

由於信標應用廣受歡迎,因此藍牙SIG希望它的功能更強大,運用範圍更廣泛。藍牙5將信標使用案例推升到新層次,透過把廣告訊息長度從先前的31位元組延長到512位元組,甚至允許多個512位元組的訊息鏈結在一起。為了避免壅塞,它把這些較長的廣告封包擴展到所有的40個可用通道,而不像先前的規範,限制廣告訊息只能發送到三個廣告通道。 

擴展的廣告功能可讓節點傳送更多的資料封包,甚至是封包串流,而且無須先建立一個藍牙低功耗連結。雖然藍牙低功耗是專為低功耗使用案例、短資料封包、以及快速連接建立所設計,但是建立一個藍牙低功耗連結一定會消耗額外的功率。在某些使用案例中,僅廣播資料,而不建立連接,能讓整體功耗進一步降低。 

廣告訊息在藍牙網狀網路中扮演了重要角色,因為它可被用於向其他節點廣播資料。 

・藍牙網狀網路 

在藍牙5規範發布不久,藍牙SIG隨即發布了藍牙網狀網路規範。藍牙5和藍牙網狀網路的結合,為許多新應用與使用案例奠定基礎。這對工業物聯網而言特別重要,因為這些新規範能夠支援過去僅能用ZigBee、Sub-GHz等技術來實現的應用。由於此重要優勢已獲得藍牙的支援,因此藍牙5和藍牙網狀網路的結合可望帶動許多的新應用與使用案例。 

藍牙網狀網路標準是由藍牙SIG所制定,因此,支援此標準的裝置將能彼此互通。藍牙網狀網路是基於以下技術設計的: 

・發布─訂閱(Publish-subscribe)模式 

・管理型網路泛洪(Managed Flooding) 

・低功耗節點的友好(Friendship)關係 

在藍牙網狀網路中,網路節點是以發布─訂閱的模式運作。節點的資訊會在訊息中傳輸。提供資料或動作的節點可利用訊息在網路中發布資訊。其它的節點可以收集訊息中的資料或利用它來採取行動。圖2所示是由開關和燈泡組成的簡單網狀網路,以及它們是如何配置與運作的。 

圖2 藍牙網狀網路的使用模式:發布與訂閱
 

為了在整個網狀網路中散布訊息,來源節點僅需廣播此訊息就好。然後,網路中的其他節點接受並轉發此訊息給所有的節點,藉此大幅擴展網狀網路的傳輸範圍,功能遠優於單獨的藍牙鏈結。這也稱為泛洪網狀網路。現在已有數個機制就緒,可確保網路不會過載。例如,(i)節點已經接觸過的訊息不會被轉傳,以及(ii)限制跳躍的次數等。 

針對支援中繼功能的網路,節點需要隨時主動傾聽訊息。換言之,它們無法以低功耗模式運作。因此,有功率限制的節點可被配置為與中繼節點有友好關係。在友好關係中,中繼節點會暫時儲存資料,直到低功耗節點被喚醒。然後,資料會在低功耗節點啟動的短暫期間內進行交換(圖3)。 

圖3 低功耗節點與中繼節點建立友好關係
 

・工業4.0 

工業4.0,有時亦被稱為工業物聯網(IIoT),原是德國政府於2011年推動的一項計畫。自此之後,許多國家也都各自擬定了政策,例如,2015年,日本企業組成了工業價值鏈計畫(Industrial Value Chain Initiative, IVI)。在美國,則是成立了工業網際網路聯盟,來鼓勵美國製造業發揮網際網路的更大效用。 

在製造業領域,工業4.0的目標是要運用科技來提升效率並降低對自然資源的衝擊。例如,推動低功耗與低成本感測器、無線連接性、平價的網路基礎架構,以及運算功能等技術,來分析收集到的大量資料(大數據)。 

在預測性維護應用方面,舉例來說,感測器能被安裝於傳統的電動馬達中。然後,分析感測器資料來評估其運作狀況(溫度、震動等),並預測何時需要進行維修。預測性維護的目標是預防突發的機器故障,避免製造流程意外中斷。 

藍牙5搶進工業4.0應用 

藍牙5的增強功能可為多種新的工業物聯網應用奠定基礎,相關的範例包括、裝置韌體更新、大規模的工業感測器網路,如毛細管(Capillary)網路、資產追蹤、聯網建築物與工業即時控制等,本文將進一步說明其中的某些使用案例。 

裝置韌體更新 

藍牙5提供的數據率提升,最高可達1.4Mbps,這樣,透過藍牙低功耗連結就能傳送小檔案。因此,執行嵌入式韌體的工業裝置,例如變頻驅動器,便能利用藍牙低功耗連結來傳送韌體檔案,實現空中裝置韌體更新(Device Firmware Upgrade Over The Air, DFU-OTA)。支援藍牙5的新一代智慧型手機就可用來做為網際網路與裝置之間的行動閘道器。 

由於具備1.4Mbps的數據傳輸率,僅需7秒就可傳送1MB的韌體檔案,這對許多嵌入式工業產品便已足夠。針對此案例,裝置製造商甚至可以考慮以藍牙低功耗來取代Wi-Fi,同時降低裝置成本與功耗(圖4)。 

圖4 藍牙低功耗的數據傳輸率可支援空中韌體升級
 

工業IoT毛細管感測器網路 

在預測性維護用例中,感測器需與多個未聯網的裝置相連。這可利用兩種方式來實現,把感測器直接連接到蜂巢式網路,或是將其先連接到短距離無線電網路,然後再連接到蜂巢式閘道器。第二種做法稱為毛細管感測器網路。藉由讓大量感測器連接到大型網路,藍牙5和藍牙網狀網路可用來支援毛細管感測器網路。相較於其他短距離技術,利用藍牙做為短距離無線電有許多優點。其中最重要的是,幾乎所有的智慧型手機與平板電腦均支援藍牙標準,因此將其用在感測器與網路配置很順理成章(圖5)。 

圖5 愛立信的毛細管網路概念
 

資產追蹤 

網狀網路能夠輕鬆地整合為另一種使用案例--資產追蹤。在工業感測器網路中,支援藍牙網狀網路的資產標記能被配置為利用相同的網狀網路,而且每個標記都有自己的應用密鑰。這能讓感測器網路中的節點辨認資產標記,並向負責監控此網路的裝置回報特定資產標記的所在位置。從網路中多個節點收集到的資訊能用來確定資產的大概位置。它的準確度足以掌握重要資產的位置,是在哪個樓層、哪個房間。例如,製造工廠中昂貴、可移動的工業設備或特殊工具等重要資產,便可利用此方式來進行追蹤。 

(本文作者為u-blox短距無線電產品中心市場開發經理)

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