為滿足各種不同應用場合，物聯網環境充滿多樣化無線聯網技術，在近端連結、控制及處理的需求，
也激發了物聯網閘道器大量現身於各種應用。本文將詳細探討各種聯網技術的優缺點，並說明在物聯網的趨勢之下，
閘道器的設計方針與挑戰
隨著科技的進步及更多的數位化產品應用改變了許多人的生活方式，近幾年物聯網、人工智慧、大數據分析等相關應用越來越多。許多分析報告預估在2020年全球將會有250億個設備連結到物聯網(IoT)的架構內，帶來約7億美元的營收；其中約有40%的物聯網裝置應用在工業製造方面、約30%應用在醫療照護方面，預估將來會有更多的應用在智慧城市方面。
多重無線聯網技術
物聯網主要是要將各個裝置相互間串聯起來，其中負責物與物連接的無線聯網技術，就是物聯網應用最重要的一環。目前無線聯網技術種類相當多，早期主要以低功耗的Wi-Fi和藍牙低功耗(BLE)為主，而後出現了ZigBee與SmartMesh等基於2.4GHz發展出來的網狀連線架構，後續將針對各個無線聯網技術做介紹。
SmartMesh是基於6LoWPAN的SmartMesh IP，為無線網格網路提供了與有線網路類似的可靠性和超低功耗，允許在嚴酷的環境中安全地部署由電池供電的IoT感測器，且電池的壽命可超過10年。SmartMesh另一個特點是當其中一個節點故障時，可自動搜尋附近節點以確保網路連接。ZigBee以短距離、低功耗、低成本等特色，目前在家庭自動化、照明、能源管理、智慧家電、安全、感測器和醫療保健監控產品等領域已經有一定的普及率。另外由Nest Labs提出的Thread技術與ZigBee架構相似，且只需要韌體升級即可兼容ZigBee。相較於ZigBee，Tread可支援IPv6，大幅提升資料傳輸安全性，預估將來將會取代ZigBee成為智慧家庭方面普及率最高的連線技術。
LoRa是基於線性調頻擴頻調製的低功耗廣域網路通訊技術，具有距離遠及低功耗兩大特性，不僅可以實現遠距離傳輸，並可以兼具低功耗及低成本的優勢。LoRa傳輸距離可長達15~20公里，適合用在智慧城市、智慧農場等大範圍的應用環境。另外LoRaWAN則是可以由使用者自行購買基站並自組網路與終端機連線。但目前LoRa終端機在世界各國布建的速度尚未普及，因此目前比較看好私領域的LoRa Network應用。
Sigfox與LoRa一樣採用Sub-1GHz ISM頻段進行通訊，但因採用蜂巢式網路通訊硬體架構，和3G/LTE一樣需要透過廠商搭建基地台提供通訊服務。NB-IoT則是基於3GPP標準定義的LPWA連線技術。NB-IoT採用授權頻譜，需要申請費用，另一方面，因為NB-IoT必須仰賴行動通訊的基地台，所以在建置成本上會比較高。但其基地台與4G行動通訊基地台相同，只需要升級基地台內部的軟體就能支援，因此目前在世界各國基地台的布建普及率已經有一定的水準。
IoT無線聯網技術各有優缺點，每一種應用場景都有相對應合適的無線連線技術，且新的無線通訊技術還在持續發展中，將來誰會勝出還很難確定，但在IoT應用都有一定的重要性(表1)。
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| 表1 各聯網技術規格比較 |
物聯網閘道器提供高效運算能力
隨著IoT應用越來越普及，透過感測器接收的資料量越來越多，若每個感測器的資料透過傳統的閘道器(Gateway)或是直接透過網路傳送到雲端伺服器，如此便會加重伺服器運算的負擔，另外所有資料都上傳到雲端伺服器，也會大幅增加網路資料流量。在許多物聯網應用場景，除了接收感測器的資料外，也需要立即通知終端設備做適當的動作，因此物聯網閘道器IoT Gateway的出現就相當重要(如圖1)。透過IoT Gateway，可以在現地採集感測器的資料，經過運算分析後將可用的資料上傳到雲端。另外也可以直接控制終端設備。例如應用在工廠倉庫管理系統上，可隨時監控倉庫溫濕度、空氣品質，並上傳數據到雲端伺服器，使用者可透過網路確認倉庫狀況。另外若倉庫溫溼度有異常也可立即啟動空調以調節環境溫度，確保倉庫內的材料品質。
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| 圖1 從感測節點端到雲端平台架構示意圖中，可看出具備邊緣智慧的嵌入式平台的重要性與位置。 |
以2015年全球第一款針對物聯網市場設計的IoT Gateway為例，其採用Intel X86平台以提供較強大的運算能力，內部設計多種I/O且可支援多種無線連線技術，足以應付各種物聯網應用上邊緣計算，強化物聯網應用。
IoT Gateway在硬體方面還需具備以下幾項功能:
IoT Gateway負責蒐集感測器傳回來的各種資料，比起一般的Gateway需要更強大的運算能力，除了分析數據外，甚至也可以分析影像、聲音等資訊，並將可用的資訊傳送到雲端伺服器。如此可大大減少伺服器運算的需求及網路資料傳輸的流量，且可立即控制設備做適當的反應。例如在路燈系統的應用，IoT Gateway蒐集環境光亮度並直接控制周圍路燈，以調節路燈亮度。此外也可蒐集當地溫溼度、空氣品質，道路車流、人流或甚至加裝攝影機做監控，在蒐集這些資料後經過壓縮處理並將有用的資料上傳到雲端伺服器。
IoT Gateway需要向下蒐集各個感測器的資料經過整理後上傳到雲端伺服器，感測器可布建在各個位置，因此IoT Gateway至少要具備兩種以上連線功能。以研華UTX-3117為例，設計有三個無線模組接口及相對應的五根天線設計，可同時支援三種不同的無線聯網技術，甚至將來有新的無線連線技術也可以支援，另外也設計有兩個LAN Port及兩個RS-232/RS-422/485，足以應用在各種IoT場景。
IoT Gateway需要在各種溫度或環境下運作，因此至少要達到寬溫(-20~60℃)的工作溫度要求。例如機器需要安裝在日夜溫差極大的太陽能發電廠，白天溫度可能高達40℃以上，半夜溫度下降到0℃以下。另外在工廠或是運輸系統上需要支援寬壓的需求，以因應各種特殊的作業環境。例如研華所生產的工業電腦產品多數都可支援寬溫環境使用，甚至能支援更嚴苛的環境使用的產品，在這方面的產品設計及材料選用已有多年的經驗。
IoT Gateway因應各種不同的場合需要將機器安裝在各種位置，例如路燈上、風力發電機上。這些位置萬一產品有問題需要維修都比較困難，因此產品的信賴性、穩定度及壽命要求相當高。
閘道器軟硬體整合需求擴增
目前在市場上較常見的物聯網應用軟體相當多，Microsoft及Amazon提供了現階段針對物聯網應用最完整的軟體，其包含雲端伺服器服務Microsoft Azure及Amazon AWS。另外在IoT Gateway上的應用軟體Microsoft IoT Edge及AWS Greengrass支援多種協定，例如Modbus、OP-CUA和MQTT等，向下可連接多種感測器並蒐集資料到IoT Gateway分析，經過分析後通過MQTT將資料上傳到雲端伺服器。
另外針對聯網需求，許多公司也自行開發相關軟體，像是研華WISE-PaaS/EdgeSense整合物聯網連線通訊協定，且WISE-PaaS也支援WISE-PaaS/OTA與WISE-PaaS/Security，可遠端更新韌體並整合McAfee Security的防護機制，以保護系統避免被駭客入侵。另外針對不同的應用提供相對應的軟體，例如WISE-PaaS/SCADA主要應用在工業方面應用環境，可將工廠生產狀態、良率、排程等資訊圖形化顯示，使用者可清楚掌控工廠生產狀況。
研華UTX-3117系統目前已通過Microsoft Azure及Amazon Greengrass相關認證，開發者可直接使用該系統安裝Microsoft IoT Edge或AWS Greengrass軟體並使用Microsoft Azure及AWS的雲端服務。另外，該系統也與WindRiver合作開發Pulsar Linux IoT OS Pulsar，Pulsar擁有體積小、即時支援、與相容性等特點，且本身設計有軟體白名單管控及所有程式都需要經過認證後才安裝，以提供更安全的保護機制(圖2)。
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| 圖2 IoT Gateway強調軟硬體整合的能力，即時整理與分析蒐集而來的感測器資料。 |
IoT Gateway切入智慧城市應用
目前物聯網閘道器被廣泛運用於智慧城市中，包括智慧路燈、醫療、能源等應用。以太陽能發電為例，其戶外環境對於無線傳輸模組的需求較高，適合使用整合LoRa無線傳輸模組的解決方案，透過LoRa技術可連接到約10~15公里範圍內，且最多可同時支援約200組感測器。安裝在太陽能板上的感測器可蒐集每片太陽能板的發電效率資訊，經過運算分析並整合當地天候資訊，以追蹤太陽光線方向並調整太陽能板角度，使每片太陽能板都能發揮最大發電效率。
(本文作者為研華科技嵌入式運算核心事業群產品企劃專案課長)