工業物聯網(IIoT)為製造、監控、追蹤、運輸、醫療等垂直應用帶來全新發展機會，由於無線通訊技術在聯網扮演重要角色，藉由Wi-Fi低延遲、低功耗等特性，可協助企業快速部署雲端服務，實現通訊間的無線升級。
無線連接正推動被稱為工業4.0的第四次工業革命，其不但改變了產業空間，也創造了數兆美元的新市場機會。工業物聯網(IIoT)智慧解決方案現在已可實現節能的製造、供應鏈以及資產密集的基地，因為其可以消除意外的停機問題，優化營運流程並大幅提高產量。在本白皮書中，將探討低功耗Wi-Fi如何驅動在各種惡劣條件和艱困的射頻(RF)環境中的IIoT應用。
越來越多的產業已意識到將數位及物理技術與IIoT結合所帶來的效益。將無線連接整合到新基地以及改造既有的有線平台措施已為自動化、營運效率極大化以及開創新商業模式等方面提供了新的解決方案。而在協助工廠因應需求的成長、擴大生產規模以及維持令人滿意的效率水準等諸多的挑戰上，無線技術也扮演了重要的角色。並且在一些產業上，也可以看到著重在即時決策的發展趨勢，包括預測性維護、遠程監控和預測性分析等。例如，可穿戴設備產業的創新正協助3M等公司為醫療專業人員提供更方便、更全面、並且以患者為中心的護理措施。例如有Trackunit和Milwaukee Tools等公司的創新，車隊管理和資產追蹤等應用領域正全面進行新構思。
隨著各個產業實現節省成本和提高效率方面的目標後，大多數產業組織的發展遲早會聚焦在關鍵的設備、流程和終端用戶上。然而，要充分發揮IIoT的價值，基礎通訊網路必須能滿足可靠性、安全性和應變能力方面的嚴格要求。
工業物聯網設備和系統的無線連接
正因如此，無線連接給工業應用帶來了深刻的影響。樓宇自動化、農業、醫療保健等產業可從即時的感測資料、自動化和遠程遙控等技術中獲益。
製造業廣泛採用無線技術的優點是相當廣泛多元的，從更深入瞭解機械運作狀況到消除意外的停機問題和優化傳輸量等。然而，這一切都可歸因於三項基本的優點：快速上市和移動性、節約成本，以及員工安全。
在工業領域擴展有線網路需要大量的規畫和繁瑣的硬體安裝。借助無線技術，企業可以更加靈活部署新設備，避免設計限制。相對於纜線需要在地板下、牆後和天花板上安裝或布線，利用感測器和邊緣設備將更容易添加到設施中(圖1)。
圖1 無線技術助力於自動化和遠程遙控等技術發展
建立無線網路可以節省大量成本，因為纜線和人工成本的緣故，使得有線連接更為昂貴。此外，如果纜線發生故障，維修或更換它的成本可能更高。
遠程監控和資產管理會變得更加容易。使得工人能夠因應通常需要他們執行纜線連接工作的危險情境。避免布線作業可提高安全性並提高效率。
覆蓋最廣的無線協定Wi-Fi
整合無線連接最大的挑戰之一是確定該採用哪些通訊協定，以及如何協調這些協定執行作業。憑藉廣泛安裝的基礎設施，Wi-Fi協定在物聯網無線應用上是無可取代的網路協定(圖2)。
圖2 Wi-Fi具有良好的速度和頻寬，使其在工業設置應用上具有優勢
除了已建立的基礎設施外，Wi-Fi還具有以下四項主要優勢。
1.Wi-Fi無處不在，此種熟悉的特性使其易於使用和連接。由於廣泛的可用性，許多製造和工業應用都使用Wi-Fi。它還能與許多設備製造商建立互通性，讓Wi-Fi 成為關鍵的通訊協定。
2.透過雲端進行遠程監控仍然是大多數企業的首要任務。雲端服務可以很容易部署在預設的Wi-Fi網路中。
3.越來越多的公司正在轉向邊緣運算的發展，在更靠近設備的地方執行AI/ML演算法，可以減少延遲和執行規模的問題。將決策置於設備附近可以為應用服務提供更高的可靠性和更快的反應時間來採取預防和預測措施。此舉需要高頻寬來傳輸大量的數據。
4.在傳輸大量數據或執行韌體OTA更新時，要能在有限時間內承載大量的數據，Wi-Fi是理想選擇。
Wi-Fi帶來工業物聯網應用價值
工業環境是嚴峻的，由於連接的設備和感測器通常放置在偏遠地區，這造成了電池壽命和維護的後勤問題。傳統Wi-Fi並不適用於基礎設施(路由器、手機、閘道器)，因為這些系統的重要骨幹是低功率設備，而且電池壽命至關重要。另一方面，低功耗Wi-Fi在傳輸、接收和休眠模式下會消耗較少功耗。此舉能顯著延長所有終端節點設備的電池壽命，並為許多工業應用創造巨大的價值。使用低功耗Wi-Fi會變得非常有利，因為依靠電池供電運作的無線設備已成為新型遠程監控應用設計的首要選擇。低功耗Wi-Fi可以與藍牙/低功耗藍牙(LE)結合使用，為當地的連接和客戶擴展功能，Wi-Fi提供IIoT各類應用如表1。
以下是部署低功耗、低成本IIoT應用時，有關Wi-Fi要求條件的概要：
．能耗
電池供電的終端節點設備需要低功耗，傳統的Wi-Fi不適合此類應用。但Wi-Fi具有良好的速度和頻寬，使其在工業設置應用上具有優勢。
．無線和網路堆疊的整合
簡化物聯網開發過程非常重要。因此，預期無線和網路協定堆疊將會和無線解決方案整合。
．雲端連接
能與主要雲端供應商進行完善的雲端連接是一項關鍵要求。
．安全
線上和實體攻擊的安全性在關鍵任務的運作上是必要的。
．成本和規模的限制
成本和規模也是物聯網的一項關鍵因素，並且會因案例而異。
Wi-Fi 6促進無線IIoT的接受度
當今大多數IIoT的設備都使用2.4GHz Wi-Fi 4，因為它具有低功耗、低成本和更長的傳輸距離。但由於頻道有限，以及傳統藍牙技術(Bluetooth Classic)、Bluetooth LE和Zigbee等其他幾個協定也使用相同的頻譜，使得該頻譜變得越來越擁擠。但這就是為何Wi-Fi 6會有影響力的地方。大多數路由器和筆記型電腦已經具備Wi-Fi 6功能，預計具有Wi-Fi 6功能的IIoT終端節點設備將在2023年開始加速發展。
與上一代相比，Wi-Fi 6的一些主要優勢和差異包括：更多設備共存於擁擠環境中，使用OFDMA和MU-MIMO的技術，Wi-Fi 6的最大優勢是即使在2.4GHz頻譜中，它也可以在擁擠環境中支援許多共存設備。這使得大量IIoT設備可以在2.4GHz頻譜中共存，而毋須遷移到5GHz或6GHz，如此可避免增加成本和功耗。從引入新功能中顯著受益的應用包括臨床醫療、電動工具和可穿戴工業設備；以及目標喚醒時間(Target Wake Time, TWT)所需的功耗更低，由於目標喚醒時間是Wi-Fi 6中新引進的功能，它使終端設備能夠在目標時間喚醒並查找數據，而非定期的喚醒時間。此舉大幅降低了功耗，而且對所有電池供電的設備都至關重要，並對設備產生影響包括資產跟蹤器、臨床醫療、電動工具、HVAC、工業可穿戴設備和身體佩戴的相機應用。
由於連接設備的增加、對數據增加和多種設備互通協定功能的需要，Wi-Fi將逐漸滲透到工業市場。廠商如芯科科技(Silicon Labs)目前提供了IoT Wi-Fi 4產品，物聯網Wi-Fi 6產品則可望於2023年推出。
(本文作者為芯科科技產品副理)