不管是稱為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或是工業(yè)4.0，透過把感測、通訊與數(shù)據(jù)分析結(jié)合在一起，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)能大幅改善流程與效率，并為制造、運(yùn)輸、車隊管理、采礦以及農(nóng)業(yè)等各個產(chǎn)業(yè)帶來全新的變革。
雖然目前業(yè)界多關(guān)注于取得更多的原始數(shù)據(jù)，然后再進(jìn)行分析、并將結(jié)果提供給重要的決策制定者，但現(xiàn)在對于地點與時間信息的重視也日益提升。這個趨勢的轉(zhuǎn)變是因為“豐富的環(huán)境”訊息將為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的程序開發(fā)人員與系統(tǒng)設(shè)計人員帶來令人振奮的機(jī)會。
舉例來說，與其單純地利用胎壓或懸吊系統(tǒng)的監(jiān)控傳感器來偵測道路上的危險突起或坑洞，如果將此數(shù)據(jù)與精密的位置信息結(jié)合，并提供給車隊中的其他車輛，便能避開此危險位置，從而降低對整個車隊的損害(圖1)。
圖1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)橫跨許多重要的領(lǐng)域，所有領(lǐng)域都能因準(zhǔn)確的位置與時間提供更精細(xì)、豐富的環(huán)境訊息而獲益。
目前，車隊已經(jīng)可以利用電子記錄裝置(Electronic Logging Devices, ELD)來監(jiān)控車輛的各種狀態(tài)。重要的參數(shù)包括里程數(shù)、位置、停靠點、引擎使用、以及行車時數(shù)等。由于壓力、燃料以及溫度傳感器已被整合到輪胎與引擎控制單元(Engine Control Units, ECU)中，可追蹤如振動、濕度和排氣量等參數(shù)，因此車輛的整體狀況可以被實時監(jiān)測，以便在發(fā)生嚴(yán)重故障前，提早進(jìn)行維修。現(xiàn)在，主要的差別在于，需要結(jié)合精密定位與安全的數(shù)據(jù)通訊技術(shù)，來進(jìn)一步監(jiān)測車輛。
在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域方面，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)有助于確保全球的食物供應(yīng)。根據(jù)預(yù)測，到2050年，全球?qū)⒂?1億人口，利用聯(lián)網(wǎng)傳感器來追蹤溫度、土壤條件、日照與濕度，能提供土地優(yōu)化利用所需的數(shù)據(jù)。準(zhǔn)確的位置服務(wù)與實時的信息通訊，能讓農(nóng)夫確保農(nóng)作物在最佳的時刻快速、且有效地采收。
當(dāng)然，如果數(shù)據(jù)、時間與位置不正確，或是因不可靠、高延遲、或不安全的系統(tǒng)建置而無法正常通訊，那么，所有這些優(yōu)勢便無法發(fā)揮效果。不準(zhǔn)確的位置以及150微秒或更長的延遲，對消費裝置和家庭網(wǎng)絡(luò)或許可以被接受，但是對于工業(yè)應(yīng)用，最高的效能、耐用度、安全性以及可靠度都至關(guān)重要。
此外，對定位準(zhǔn)確度的要求，也驅(qū)動了多個標(biāo)準(zhǔn)組織與創(chuàng)新公司重新檢視GPS、北斗和GLONASS等全球?qū)Ш叫l(wèi)星服務(wù)(GNSS)，以及短距離無線電和蜂巢式技術(shù)能否一起運(yùn)用，以便盡可能地提供最準(zhǔn)確的時間與位置信息。
例如藍(lán)牙訊號的到達(dá)角(Angle-of-arrival, AoA)和出發(fā)角(Angle-of-departure, AoD)分析、以及利用存取點訊號的時差測距(Time-of-flight, ToF)分析、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的訊號紋定位算法(Fingerprinting)等技術(shù)，目前都已被采用，此外，超寬帶(Ultrawideband, UWB)訊號技術(shù)又重新在定位應(yīng)用獲得重視。
蜂巢式技術(shù)則朝向多樣化發(fā)展。一直以來，蜂巢式技術(shù)著重在更高的數(shù)據(jù)傳輸率，以因應(yīng)多媒體應(yīng)用的需求，但現(xiàn)在窄頻IoT(NB-IoT)已獲得重視，可實現(xiàn)在授權(quán)頻帶內(nèi)的室內(nèi)與戶外、低功耗傳感器的通訊應(yīng)用。
研究機(jī)構(gòu)MarketandMarkets預(yù)測，從2015到2020年，工業(yè)IoT市場將以每年8.03%的復(fù)合成長率(CAGR)增長，并將達(dá)到1,510億美元的市場規(guī)模。
報告亦指出，半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)展、云端運(yùn)算、IPv6標(biāo)準(zhǔn)化、以及各國政府的支持等都是IIoT重要的促成因素。但真正的推動力量來自于制造業(yè)，預(yù)計將占IIoT市場的最大比例。
智能工廠的主要受益領(lǐng)域包括產(chǎn)品生命周期管理、電子、材料與采礦、現(xiàn)場設(shè)備以及機(jī)器視覺(Machine Vision)等。
報告指出，對大多數(shù)現(xiàn)有的制造商、能源業(yè)者以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者來說，初期采用IoT的效益主要來自以上提到的成本節(jié)省與流程改善，以及有可能推動新的營收來源，并強(qiáng)化員工生產(chǎn)力與工作條件。特別是，報告還指出，可運(yùn)用無人機(jī)(UAV)來巡視管線，使員工暴露于危險環(huán)境的風(fēng)險降至最低(圖2)。
圖2 降低營運(yùn)成本、提升生產(chǎn)力，以及創(chuàng)造新的營收來源，只是推動工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的眾多原因中的三個，此趨勢還能為設(shè)計人員與企業(yè)帶來更多的想象空間與可能性。
數(shù)據(jù)源：世界經(jīng)濟(jì)論壇
為物聯(lián)網(wǎng)裝置提供“何地與何時”信息
對于需讓物聯(lián)網(wǎng)裝置能在約100公尺范圍內(nèi)通訊的設(shè)計人員來說，適合的技術(shù)方案有許多種，甚至多到不知如何選擇，包括藍(lán)牙、IEEE 802.15.4(ZigBee、Thread和其他)、Z-Wave以及Wi-Fi等。
要在這些技術(shù)方案中做選擇時，必須詳細(xì)考慮它們的各種特性，包括傳輸距離、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能、是否支持原生互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)、數(shù)據(jù)傳輸率、以及功耗等等。
舉例來說，藍(lán)牙SIG計劃將藍(lán)牙Class 2無線電的最小傳輸距離從10公尺擴(kuò)展到40公尺。此外，還打算把網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能增加到藍(lán)牙低功耗(Bluetooth Low Energy, BLE)中，并倍增其數(shù)據(jù)傳輸率以及降低延遲。針對工業(yè)應(yīng)用，10ms范圍內(nèi)的延遲是很重要的，以確保工業(yè)IoT系統(tǒng)及裝置能實時反應(yīng)，以及對任何異常狀況的失效安全(Fail-safe)設(shè)定。
然而，在某些領(lǐng)域中，定位功能以及其他的環(huán)境數(shù)據(jù)逐漸受到重視。許多藍(lán)牙無線電已經(jīng)內(nèi)建溫度傳感器，這是一個很好的開始。針對位置警示，蘋果(Apple)已于2013年推出iBeacons技術(shù)，這個技術(shù)雖已普及，但它的準(zhǔn)確度不高，無法解析1公尺以內(nèi)的位置(圖3)。它主要采用近接規(guī)范(Proximity Profile, PXP)，亦即利用接收訊號強(qiáng)度指示(Received Signal Strength Indicator, RSSI)來決定距離，但因為環(huán)境的干擾與吸收問題，RSSI會產(chǎn)生誤導(dǎo)，而且隨著距離增加，誤差更為嚴(yán)重。
圖3 藍(lán)牙iBeacons利用RF訊號的相對強(qiáng)度來決定位置，與不受訊號吸收與RF傳遞問題影響的時差測距相比，準(zhǔn)確度較低。
若要取得公分等級的定位準(zhǔn)確度，應(yīng)根據(jù)到達(dá)角與出發(fā)角來計算。此技術(shù)已經(jīng)過充分的研究，并且被證明是更為有效的方法(圖4)。
圖4 為了增加「何地」的訊息，GNSS網(wǎng)關(guān)可利用到達(dá)角、出發(fā)角、RF訊號紋定位算法以及時差測距分析等短距離無線技術(shù)來增強(qiáng)。
例如，ToF over Wi-Fi，透過量測一個封包需花多少時間從發(fā)射器到達(dá)接收器，已展示出能夠達(dá)到30公分以內(nèi)的定位準(zhǔn)確度。
設(shè)計人員可將此數(shù)據(jù)與GPS網(wǎng)關(guān)的正確時間戳結(jié)合在一起(圖5)，這些網(wǎng)關(guān)不一定是昂貴的專用裝置：智能型手機(jī)也擁有提供此訊息的功能，并能利用任何一種無線技術(shù)，或甚至有線接口將數(shù)據(jù)連接到云端。
針對車到基礎(chǔ)架構(gòu)(V2I)、車到車(V2V)或車到物(V2X)等各種應(yīng)用，最低的通訊延遲是很重要的，因此業(yè)界正朝基于IEEE 802.11p的5.9GHz頻帶無線電移轉(zhuǎn)，利用一個10MHz通道以及適合的協(xié)議，可確保訊號延遲保持在50ms以內(nèi)。
NB-IoT擴(kuò)展工業(yè)IoT連接選項
由于適合工業(yè)應(yīng)用的短距離室內(nèi)無線電技術(shù)有許多不同的選擇，蜂巢式技術(shù)通常不會被考慮，特別是在需要超低功率的IoT領(lǐng)域。但過去一年來，除了LoRa之外，新的NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)興起，已獲得廣大的關(guān)注。NB-IoT是由3GPP組織制定，可在授權(quán)的GSM和LTE頻段上運(yùn)作，主要鎖定需要長電池壽命、深度覆蓋范圍、以及低成本的室內(nèi)與戶外應(yīng)用(圖6)。
圖5 NB-IoT可為GSM與LTE網(wǎng)絡(luò)提供99.5%或更高的室內(nèi)IoT覆蓋范圍，并擁有可支持各種關(guān)鍵工業(yè)應(yīng)用的生態(tài)系統(tǒng)。
傳統(tǒng)的GSM與LTE網(wǎng)絡(luò)只能達(dá)成95%到99%的戶外覆蓋范圍需求。但是，基于蜂巢式技術(shù)的IoT裝置有更高的覆蓋范圍需求，尤其當(dāng)它用在關(guān)鍵應(yīng)用與不易到達(dá)的位置。因此，它的室內(nèi)覆蓋范圍比例必須至少達(dá)到99.5%或更高。3GPP正透過窄頻技術(shù)的增強(qiáng)功率頻譜密度(Power Spectrum Density, PSD)來解決這個問題。與GSM網(wǎng)絡(luò)相比，16次的重新傳輸機(jī)制與獨立式的保護(hù)帶(Guardband)頻譜規(guī)劃模式可為NB-IoT提升20dB的覆蓋增益。
NB-IoT能以比蜂巢式技術(shù)更低的功耗與數(shù)據(jù)傳輸率來運(yùn)作，同時也能支持IoT裝置要求的堅固性與可靠性，因此非常適合于監(jiān)控瓦斯與水表等僅需一般及少量數(shù)據(jù)傳輸?shù)难b置。NB-IoT的其他主要應(yīng)用領(lǐng)域包括智能城市的街燈控制、大樓自動化、人群追蹤、以及農(nóng)耕監(jiān)控等。
在眾多IoT應(yīng)用中，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是非常重要的角色，它的設(shè)計與建置必需符合最嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及最佳的安全性需求，且需要具備最豐富的環(huán)境信息，并滿足成本與上市時程的要求。
(本文作者為u-blox短距離無線電產(chǎn)品中心資深技術(shù)總監(jiān)；u-blox EMEA策略伙伴關(guān)系主管)
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