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[导读]工业物联网(Industrial Internet of Things, IIoT)风潮持续发烧,全球制造业正掀起一波新变革。透过无线通信技术、定位、感测等技术,打造完善的设计,可提升产能、良率,满足工业产线对客制化与速度需求,增进工厂应变能力与智能化程度。

工业物联网(Industrial Internet of Things, IIoT)风潮持续发烧,全球制造业正掀起一波新变革。透过无线通信技术、定位、感测等技术,打造完善的设计,可提升产能、良率,满足工业产线对客制化与速度需求,增进工厂应变能力与智能化程度。

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不管是称为工业物联网或是工业4.0,透过把感测、通讯与数据分析结合在一起,工业物联网能大幅改善流程与效率,并为制造、运输、车队管理、采矿以及农业等各个产业带来全新的变革。

虽然目前业界多关注于取得更多的原始数据,然后再进行分析、并将结果提供给重要的决策制定者,但现在对于地点与时间信息的重视也日益提升。这个趋势的转变是因为“丰富的环境”讯息将为物联网应用领域的程序开发人员与系统设计人员带来令人振奋的机会。

举例来说,与其单纯地利用胎压或悬吊系统的监控传感器来侦测道路上的危险突起或坑洞,如果将此数据与精密的位置信息结合,并提供给车队中的其他车辆,便能避开此危险位置,从而降低对整个车队的损害(图1)。

目前,车队已经可以利用电子记录装置(Electronic Logging Devices, ELD)来监控车辆的各种状态。重要的参数包括里程数、位置、停靠点、引擎使用、以及行车时数等。由于压力、燃料以及温度传感器已被整合到轮胎与引擎控制单元(Engine Control Units, ECU)中,可追踪如振动、湿度和排气量等参数,因此车辆的整体状况可以被实时监测,以便在发生严重故障前,提早进行维修。现在,主要的差别在于,需要结合精密定位与安全的数据通讯技术,来进一步监测车辆。

在农业领域方面,工业物联网有助于确保全球的食物供应。根据预测,到2050年,全球将有91亿人口,利用联网传感器来追踪温度、土壤条件、日照与湿度,能提供土地优化利用所需的数据。准确的位置服务与实时的信息通讯,能让农夫确保农作物在最佳的时刻快速、且有效地采收。

当然,如果数据、时间与位置不正确,或是因不可靠、高延迟、或不安全的系统建置而无法正常通讯,那么,所有这些优势便无法发挥效果。不准确的位置以及150微秒或更长的延迟,对消费装置和家庭网络或许可以被接受,但是对于工业应用,最高的效能、耐用度、安全性以及可靠度都至关重要。

此外,对定位准确度的要求,也驱动了多个标准组织与创新公司重新检视GPS、北斗和GLONASS等全球导航卫星服务(GNSS),以及短距离无线电和蜂巢式技术能否一起运用,以便尽可能地提供最准确的时间与位置信息。

例如蓝牙讯号的到达角(Angle-of-arrival, AoA)和出发角(Angle-of-departure, AoD)分析、以及利用存取点讯号的时差测距(Time-of-flight, ToF)分析、Wi-Fi网络的讯号纹定位算法(Fingerprinting)等技术,目前都已被采用,此外,超宽带(Ultrawideband, UWB)讯号技术又重新在定位应用获得重视。

蜂巢式技术则朝向多样化发展。一直以来,蜂巢式技术着重在更高的数据传输率,以因应多媒体应用的需求,但现在窄频IoT(NB-IoT)已获得重视,可实现在授权频带内的室内与户外、低功耗传感器的通讯应用。

研究机构MarketandMarkets预测,从2015到2020年,工业IoT市场将以每年8.03%的复合成长率(CAGR)增长,并将达到1,510亿美元的市场规模。

报告亦指出,半导体技术的进展、云端运算、IPv6标准化、以及各国政府的支持等都是IIoT重要的促成因素。但真正的推动力量来自于制造业,预计将占IIoT市场的最大比例。

智能工厂的主要受益领域包括产品生命周期管理、电子、材料与采矿、现场设备以及机器视觉(Machine Vision)等。

报告指出,对大多数现有的制造商、能源业者以及农业生产者来说,初期采用IoT的效益主要来自以上提到的成本节省与流程改善,以及有可能推动新的营收来源,并强化员工生产力与工作条件。特别是,报告还指出,可运用无人机(UAV)来巡视管线,使员工暴露于危险环境的风险降至最低(图2)。

为物联网装置提供“何地与何时”信息

对于需让物联网装置能在约100公尺范围内通讯的设计人员来说,适合的技术方案有许多种,甚至多到不知如何选择,包括蓝牙、IEEE 802.15.4(ZigBee、Thread和其他)、Z-Wave以及Wi-Fi等。

要在这些技术方案中做选择时,必须详细考虑它们的各种特性,包括传输距离、网状网络功能、是否支持原生互联网协议(IP)、数据传输率、以及功耗等等。

举例来说,蓝牙SIG计划将蓝牙Class 2无线电的最小传输距离从10公尺扩展到40公尺。此外,还打算把网状网络功能增加到蓝牙低功耗(Bluetooth Low Energy, BLE)中,并倍增其数据传输率以及降低延迟。针对工业应用,10ms范围内的延迟是很重要的,以确保工业IoT系统及装置能实时反应,以及对任何异常状况的失效安全(Fail-safe)设定。

然而,在某些领域中,定位功能以及其他的环境数据逐渐受到重视。许多蓝牙无线电已经内建温度传感器,这是一个很好的开始。针对位置警示,苹果(Apple)已于2013年推出iBeacons技术,这个技术虽已普及,但它的准确度不高,无法解析1公尺以内的位置(图3)。它主要采用近接规范(Proximity Profile, PXP),亦即利用接收讯号强度指示(Received Signal Strength Indicator, RSSI)来决定距离,但因为环境的干扰与吸收问题,RSSI会产生误导,而且随着距离增加,误差更为严重。

若要取得公分等级的定位准确度,应根据到达角与出发角来计算。此技术已经过充分的研究,并且被证明是更为有效的方法(图4)。

例如,ToF over Wi-Fi,透过量测一个封包需花多少时间从发射器到达接收器,已展示出能够达到30公分以内的定位准确度。

设计人员可将此数据与GPS网关的正确时间戳结合在一起(图5),这些网关不一定是昂贵的专用装置:智能型手机也拥有提供此讯息的功能,并能利用任何一种无线技术,或甚至有线接口将数据连接到云端。

针对车到基础架构(V2I)、车到车(V2V)或车到物(V2X)等各种应用,最低的通讯延迟是很重要的,因此业界正朝基于IEEE 802.11p的5.9GHz频带无线电移转,利用一个10MHz通道以及适合的协议,可确保讯号延迟保持在50ms以内。

NB-IoT扩展工业IoT连接选项

由于适合工业应用的短距离室内无线电技术有许多不同的选择,蜂巢式技术通常不会被考虑,特别是在需要超低功率的IoT领域。但过去一年来,除了LoRa之外,新的NB-IoT标准兴起,已获得广大的关注。NB-IoT是由3GPP组织制定,可在授权的GSM和LTE频段上运作,主要锁定需要长电池寿命、深度覆盖范围、以及低成本的室内与户外应用(图6)。

传统的GSM与LTE网络只能达成95%到99%的户外覆盖范围需求。但是,基于蜂巢式技术的IoT装置有更高的覆盖范围需求,尤其当它用在关键应用与不易到达的位置。因此,它的室内覆盖范围比例必须至少达到99.5%或更高。3GPP正透过窄频技术的增强功率频谱密度(Power Spectrum Density, PSD)来解决这个问题。与GSM网络相比,16次的重新传输机制与独立式的保护带(Guardband)频谱规划模式可为NB-IoT提升20dB的覆盖增益。

NB-IoT能以比蜂巢式技术更低的功耗与数据传输率来运作,同时也能支持IoT装置要求的坚固性与可靠性,因此非常适合于监控瓦斯与水表等仅需一般及少量数据传输的装置。NB-IoT的其他主要应用领域包括智能城市的街灯控制、大楼自动化、人群追踪、以及农耕监控等。

在众多IoT应用中,工业物联网是非常重要的角色,它的设计与建置必需符合最严格的技术标准以及最佳的安全性需求,且需要具备最丰富的环境信息,并满足成本与上市时程的要求。

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