釐清應用情境/需求 工業物聯網部署須慎選無線技術

2020-01-07
隨著業界實施工業4.0,除Gigabit乙太網路外,無線技術針對工業應用的準備也越來越到位,可望在此一領域一展身手。現在的問題不再是無線技術是否會繼續發展,而是將如何及何時發揮作用。以下是一些重要的答案。

測量和控制資料的無線傳輸標準已有長足的發展,這甚至使得近期那些批評的人重新思考其論點:「我們的系統必須正常運行,但無線技術不夠安全」。但是,究竟哪種標準最合適,還是要取決於具體應用。

現場級別Ⅰ:靠近工件,但必須靈活、自給自足且免維護

在較新的生產線上,第一批無需電纜和滑動觸點運作的感測器和致動器格外引人注目。它們安裝靈活,可以在生產過程中實現全新的動作順序。先前,導致生產停頓的扁平電池一直是未能安裝這一類解決方案的最常見原因。但是現在,可自行供電的感測器和致動器已禁得起考驗了。借助能源採集(Energy-harvesting)模組,它們能夠將周圍的光能或熱量差(Heat Difference)轉換為足夠的電能,從而能夠通過短距離無線連接技術將資料封包可靠地發送出去,且最長可達數百公尺。如果它在任何時候發生無法從環境中獲得足夠能量的情況,則本地的能量儲存單元還可確保數周無故障的運行。除了1GHz以下的EnOcean協定外,還可以使用2.4GHz頻段上的藍牙5和ZigBee 3.0等協定將感測器和致動器進行聯網。

ZigBee聯盟似乎已從過去的錯誤中學到了教訓。因此,3.0版本不僅可用於Amazon Echo、Philips Hue、Ikea Tr?dfri和Osram Lightfy,而且由於其規格,它在工業領域中也很流行。相容的EnOcean模組組合可利用ZigBee來進行能源採集。

對於直接的P2P連接或者與智慧手機、平板電腦或筆記型電腦的交互作用,同樣可以使用藍牙連接,並且藍牙連接是完全自行供電的。

如果需要更大的傳輸範圍,或者由於頻率規劃而無法在現場使用2.4GHz頻段,則EnOcean聯盟的EnOcean通訊協定可提供已經驗證過的選擇方案。這也可以部署EnOcean模組用於能量轉換和無線通訊。作為經銷商,儒卓力正與EnOcean GmbH、EnOcean Alliance以及Nordic Semiconductor合作開發相關的解決方案。這意味著,即便是針對特定軟體的改編和更複雜的問題,整個產業中的開發人員都可以找到解決方案。

現場級別Ⅱ:隨時接收--工廠大樓內的交叉連結

在更複雜的較大型網路中,使用感測器或致動器連接到閘道、集線器或邊緣電腦,這種看起來完美的解決方案(因其免維護且自給自足),很快就會達到其能力的極限。特別是對於非時間同步的Mesh拓撲,每個無線節點都必須永遠處於接收狀態,以便接收傳入的資料封包並確保可立即對其進行處理。這需要提供永久性且更密集的能量。在固定無線節點的情況下,可以使用有線電源,而對於「浮動的」無線節點,Airfuel充電技術是一種可行的替代方案,並且行動性較Qi充電技術更強。而滿足不同需求的最佳折衷方法通常是傳統電池。

許多無線標準(例如藍牙Mesh、Wi-Fi Mesh和ANT Blaze)以往雖然都是以星形拓撲為基礎,但這幾年來也都會提供Mesh拓撲。ZigBee、Threat和其他一些網路協定從一開始就是針對Mesh網路通訊而設計的。Wi-Fi Mesh幾乎可以實現零電源管理,而上面提到的其他所有Mesh系統,充一次電即可工作數月。

與使用ZigBee控制LED光源的家庭領域相比,很明顯,未布線的藍牙Mesh為倉庫和生產車間、開放式辦公室和走廊中的工業照明系統設定了標準。與專門路由資料封包的傳統方式不同,Mesh資料流程可確保特別快速的反應和輸送量時間。儘管如此,智慧型手機和類似產品仍可以整合到網路中,與必須通過路由器才能連接到IT設備的其他無線標準相比,可提供另一個巨大的優勢。

藍牙Mesh是理論上可以放置在任何藍牙4.0硬體上的中間層。但是,由於藍牙技術聯盟設定了最新的定價系統,因此在設計新系統時,最好使用最新的藍牙5或5.1硬體。你可以選擇來自意法半導體(ST)、Redpine Signals、Nordic Semiconductor和Toshiba的帶有相關堆疊的半導體產品。如果你希望採用整合高頻電路和認證的解決方案,則可以選擇來自Insight SiP、Garmin、松下、Murata、Telit、富士通、雲里物里(Minew)和Redpine Signal的藍牙Mesh模組。

現場級別Ⅲ:視野範圍之外,但緊密相連

在物流中心、火車站和港口等轉運點,遠端無線技術是首選的方案。在使用公共和免許可證ISM頻段的技術中,LoRa技術已獲得大多數中歐國家的認可。而法國和荷蘭則是選擇了Sigfox技術,主要是因為它良好的網路擴展性。

但是,在2019年觀察到了一種趨勢變化的現象:根據地區和應用的不同,用於窄頻物聯網的Cat M1和Cat NB1 4G標準出現強勁的增長,初始測試階段已經進入批量生產。而LTE-M可用於可更換電池的追蹤應用,LTE NB1消耗的能量則更少。

然而,許多國家正在擴展網路,並且正在部署低功耗行動無線技術。德國行動無線供應商顯然主要集中在計量市場。由於安裝完成的電錶、氣量計或水錶的位置是固定的,並不會移動,因此在連接期間無需改變行動無線單元。其他國家/地區的供應商則傾向於選擇追蹤移動中物件的應用,並且聚焦於擴展類別M1。大多數行動無線模組製造商可同時支援兩種網路。

像2G、3G和常規4G模組一樣,LTE M1收發器也經常與全球導航衛星系統(GNSS)結合,同時包裝在一個外殼之內,因為它們會用來追蹤和監視貨櫃、車輛、高階商品、人與動物的位置和移動的狀態。位置必須通過行動無線網路進行定義和傳輸。幾年前,GPS導航系統幾乎沒有競爭對手。不過,儘管俄羅斯的Glonass和中國的北斗系統還沒有完全達到美國導航系統的標準,但目前它們還是以作為GNSS替代方案的態勢上線。

2019年歐洲伽利略衛星導航系統取得了突破性的進展,目前它已在數百萬支智慧手機中成功運行了一段時間。在2019年中,伽利略系統決定免費提供更高的追蹤精確度,因此在免費使用第一層資料方面,伽利略系統現在已領先GPS系統。此外,伽利略是唯一提供身份驗證功能的系統。這可確保所接收到的訊號真的是來自伽利略系統,而不是來自偽造的發射台。伽利略系統是在民主國家內部運作的唯一平民系統(Civilian System)。但是,幾乎所有使用者都會被建議同時安裝盡可能多的導航系統。由於使用了更多的衛星,所以大多數現代的多GNNS接收器都可以工作得更快速、更節能和更準確。然而,我們應該為將來的變化做好準備,在其中一個系統出現故障時能夠及時做出反應。模組中的NB1或M1數據機可用來更改韌體設置。

對於使用帶有LoRa、Sigfox、Wi-Fi或藍牙的GNSS應用,必須確保在主機控制器中要有一個可以接入GNSS單元操作模式的相應選項。通常,建立一個NMEA控制命令就夠了,用它來告訴接收器應該使用哪個系統以及忽略哪個系統。此項遠端功能始終都必須以手動的方式實現,在最壞的情況下,它可能會對應用造成災難性的影響,但另一方面,也可以發揮挽救人命或者業務的功用。

流程級別:歡迎使用第六代Wi-Fi

在處理級別,來自各工作站的所有資料將會被收集起來。通常,在現場級別感測器上收集的資料並不能立刻使用;為了從中獲取資訊,需要對資料進行最低程度的初步處理。能夠用這種資料來與同時接收到的多個現場資料比較,對於許多應用是有利的。另外可以建立精心設計的模式匹配演算法,這不僅可以與兩種靜態模式進行比較,但也需要不斷調整其參考值。為了應對這個問題以及類似的計算密集型任務,通常使用耐用且建基於x86的系統。

目前這個趨勢正朝著互連發展,而且方向是從系統級別到無線技術。但是,第六代Wi-Fi不僅比早期的Wi-Fi更快速,而且在為訂戶提供更好的連接管理方面也與眾不同,在專業安裝方案中的表現特別好。另一個優點是即將推出的5G網路實現了經過改善的頻率分配。藉由以英特爾為技術合作夥伴,儒卓力能夠從一開始就為其客戶提供市場就緒的Wi-Fi 6解決方案。工業PC、面板PC和NUC對m.2 PC卡的需求特別大。

系統級別:取決於位置

系統級別的技術選擇在很大程度上取決於複雜性和現場情況,例如工廠現場的範圍或操作頻率規劃。對於較小的動態操作,Wi-Fi 6可以作為解決方案,而對於要有非常靜態安裝的較大型企業,有線解決方案仍將是合適的方案。然而,一旦5G技術可用且價格可承受,就有必要重新考量這些安裝方案。

運作級別:較早一代技術仍是可行的選擇

在不同工廠之間進行通訊時,資訊預先被壓縮得很緊密,因此傳統的LTE已經足以應付資料輸送量和等待時間,即便在大型國際企業中也是如此。那些希望確保其有線現場互聯網連接的用戶,已經可以經由LTE路由器通過行動無線技術傳輸重要的關鍵營運資料。

在使用者選擇現場級別的情況下,這是個別感測器資料的問題,通常主要是針對較低的LTE類別,在運作級別上,有可能選擇LTE類別6或更高級別。功耗和數據機的價格可以忽略,因為電腦始終使用主電源運行,並且只使用了很少的LTE數據機或LTE路由器。Telit、Telic和研華提供PC卡、外部數據機和路由器等解決方案。例如,一個單獨的整體解決方案可以與英特爾或華碩的伺服器結合使用,後者配置有Telit的LTE數據機和英特爾的Wi-Fi 6卡。

更多無線自動化的發展趨勢

13.56MHz RFID技術是另一種更進一步發展的技術,在終端使用者智慧手機領域獲得成功之後,也在工業環境中取得了進展。13.56MHz RFID技術可實現主動讀取器與被動應答器之間,以及兩個主動讀取器之間的安全交換。由於它幾乎與所有現代平板電腦和智慧手機相容,因此可以使用經濟型的標準硬體。通常不需要部署更為昂貴的特殊設備,例如RFID Gun。除了低硬體成本之外,它還具備軟體程式設計的優勢。

對於那些希望使用RFID實現更長距離讀取或一次性掃描多個應答器的應用,仍然需要使用其他頻率或者在主動系統上進行查看。在這種情況下,應答器不是由讀取器的電磁場提供電能的,通過反饋耦合(Load Back Coupling)進行通訊,相反的,它們擁有自己的電源(通常是電池或太陽能),而以建基於藍牙或類似的專有無線通訊協定在2.4GHz頻段中進行通訊。

在既不使用固定電纜也不進行能源採集的情況下,即使是低功耗藍牙之類的經濟型無線連接也會很快耗盡電池的電量,因此越來越多的工業應用選擇了ANT通訊協定。例如,第一個飛行時間感測器不久將可用於高精度距離映射(Distance Mapping),其功耗很低。

此外,對大多數的安卓智慧手機,ANT都是在出廠時就可用的,並且採用多協定SoC解決方案的設備可以在藍牙網路中傳輸資料流量,而不會產生進一步的硬體成本。

(本文作者為Rutronik嵌入式及無線產品行銷總監)

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