無線MCU助勢　工業物聯網建置事半功倍

在許多應用實例中，新型無線應用可以互相操作並加強既有連線系統，透過電波傳送提高價值的內容，例如過去複雜的人機介面，如今在無線工業物聯網領域內，只需要智慧型手機或平板電腦的應用程式即可操作，再加上功能強大的即時雲端分析，也讓工業應用更加精密。

系統設計人員在設計無線連接時，得思考多項因素，例如依據應用需求及使用情境，選擇特定無線技術、技術用電量；與感測器、微控制器(MCU)、閘道器、伺服器等裝置的相容性；無線技術納入工業設備、雲端連接、資訊安全的難易度等。

近年來，隨著新型端到端建置區塊陸續問世，包括低功率感測器、無線連接裝置、MCU、閘道器、伺服器等，在工業系統納入無線連接已變得簡單許多(圖1)。

圖1 在工業應用加入無線連接的範例

無線結合MCU　簡化工業系統

工業系統開發人員已可取用各種功能各異、整合程度有別的無線技術。例如有些技術供應商將無線連接納入MCU的處理能力，來簡化工業系統增加無線連接的程序，大幅降低工業系統開發人員對射頻設計知識的門檻，也提供功能強大的MCU，支援應用程式或子系統運作，有些無線MCU更包含完整的無線協定堆疊與資安措施。更多其他功能均整合在單一裝置內，例如雲端連接、區域無線協定、資安保護及其他功能，企圖達到只須插入模組，即可增添無線連接。

除了裝置與功能需求，有些無線技術供應商亦提供廣泛的支援生態系統，方便工業系統設計人員運用，比較完整的生態系統涵蓋各種開發套組件、社群支援、參考設計、已整合的無線協定堆疊、應用程式開發工具、軟體設計師所需的整合開發環境，以及許多工業領域常用的軟硬體模組(圖2)。

圖2 雲端連接的整合選項

無線技術供應商服務如果比較完整，可確保感測器、中介裝置、RS-485/RS-232等工業協定、多項即時乙太網路、雲端等的端到端互用性。這些供應商已簡化無線連接設計，並同時維持與雲端及諸多的物聯網終端節點互用性。

工業無線多樣化　應用方式具差異性

目前市面上有多項地方無線連接標準，具備眾多功能與特質，對工業系統開發人員格外有利。而工業應用用途各異，也有不同的困難，開發人員能自由選擇符合應用需求的無線連接技術，例如開發人員設計公用事業網路的智慧量表系統時，可能會認為Sub-1GHz無線協定的長程訊號範圍最適合；而設計家庭自動化系統時，可能會選擇Wi-Fi技術，出於遠端控制電器的需求；照明網路較適合ZigBee技術，出於低功耗、網路技術、廣泛支援生態等特質；6LoWPAN可能獲得工廠自動化系統開發人員青睞，可運用節點網路與網路協定位址的優點；有些系統若需要超低功率與有限範圍，近距通訊(NFC)、藍牙智慧(Bluetooth Smart)或專利2.4GHz協定就已足夠。重點在於，每項無線技術各有長處。若特定無線技術的優點符合應用的需求，即可發揮工業物聯網應用的功能。例如許多智慧型手機、平板電腦等個人裝置均內建藍牙技術，若工業應用支援Bluetooth Smart技術，就能立即與許多個人裝置相容。6LoWPAN功耗極低，使用小型鈕扣型電池或能源採集技術就已足夠，此外，由於6LoWPAN節點都具備IP位址，可直接自雲端存取，若無線訊號必須長程傳輸，也須穿透牆面等物體，Sub-1GHz協定可能最適合，表1為工業無線連接技術的分類表。

表1 工業無線連接技術的分類表

無線人機介面實現工業預防式維護應用

工業無線物聯網興起之前，新式監控應用的人機介面須要開發與整合大量子系統與顯示硬體，而今有了Bluetooth Smart等低功率無線技術後，使用電池的感測器就能傳輸監控資料至物聯網個人裝置，如智慧型手機或平板電腦，技術人員因為對此類裝置較熟悉，很快就能上手(圖3)。

圖3 遠距顯示器結合無線人機介面

預防式維護在問題發生前著手處理，對許多工業環境極具價值，而無線連接可實現新一代預防式維護應用，例如發電廠的機器振動若超過特定上限，無線感測器可通知技術人員的智慧型手機，之後預防式維護能讓機器回歸正常運作秩序，避免災害發生(圖4)。

圖4 預防式維護可有效改善機器運作效率。

從系統整體檢視無線應用功耗

檢視工業無線應用的功耗時，必須思考系統整體，而不只是個別元件。

首先，工業物聯網網路會運用低功率感測器，監控工廠製程、建築設備、住宅系統、電力網等各種設定。而今日最先進的無線感測器為低功率創造新意義。有些物聯網終端節點以感測器為基礎，在結合低功率MCU與無線連接後，只需一顆鈕扣型電池，最高可運作十年，其他則仰賴採集自週遭光線、振動、熱能、射頻的能源。對低功率物聯網網路而言，精密電源管理與精準類比功能也很重要，如類比數位轉換器與比較器等，電源管理週期能自動將部分系統轉換為節能休眠模式，大幅延長電池供電時間，且降低更換電池的頻率。有些物聯網節點若安裝在難以觸及的地點，例如建築物或高塔頂端、衛星內等，這項特質就格外重要。在此類應用中，電源管理子系統能讓系統多數區域維持低功率休眠模式，只剩監控偏遠機器的感測器，進而延長電池續航力。若感測器偵測到振動或溫度超過門檻，其餘系統區塊就會恢復運作，可發出警訊或自行採取行動(圖5)。

圖5 SimpleLink SensorTag迅速連接感測器至雲端。

工業無線物聯網內的感測器必須監控複雜且多樣的環境，任何微小變化都可能至關重要，許多項目都需要高解析度量測及監控，包括化學成分、存取控制、振動、資產追蹤資訊、動作、壓力、溫度、UV輻射、氣體與液體流動等。

有些建置簡易的裝置整合多項功能，例如Bluetooth Smart、ZigBee、6LoWPAN、Sub-1Ghz、Wi-Fi或專用協定的低功率無線連接，結合MCU之後，就能控制感測器或執行應用程式，也包括多種介面至I/O週邊工具，藉由將多項基本功能加入整合的平台中，裝置可比獨立部件更降低節點功耗。

無線連接提升建築物保全維護

無線連接可輕鬆的迅速提升建築物安全，例如門鎖、動作感測器、攝影機、內外照明、輸入鍵盤及其他安全裝置均可透過ZigBee或Sub-1GHz技術，連接至以Wi-Fi為基礎的閘道器，再連到網路。有了此類系統，企業負責人或營運單位或許不在建築物內，仍可運用智慧型手機及雲端資安應用程式，暫時開放權限給可信任的員工(圖6)。

圖6 建築物裡的保全設施

各種經濟領域都關心安全議題，工業無線物聯網網路亦不例外。維護安全的方式眾多，但都希望能預防、偵測、因應惡意行為發生，實體上物聯網節點應盡可能避免被干預，而電子安全系統也必須保護IP，同時避免系統因為惡意製程而失控。在低功率又常地處偏遠的無線節點中，安全防護最好由仰賴加速度計或共同處理器等硬體執行安全演算式，藉此降低功耗，也不會影響節點的吞吐量。

Wi-Fi、Bluetooth Smart等無線標準的相容性及認證也會影響安全，因為這些標準通常已內建安全措施，或是與安全標準相容，例如Wi-Fi即擁有多項相關安全標準，例如Wi-Fi加密存取「Wi-Fi Protected Access(WPA)」、安全通訊端層(SSL)、傳輸層安全性(TLS)、X.509等。加密或驗證演算式也能保護已儲存的資料，除此之外，也可再加上各種硬體安全措施，例如安全開機載入機制與邏輯記憶體鎖。

無線/有線系統結合　連接雲端通訊

多數工業無線物聯網網路通常得與雲端或傳統工業有線網路連接。雲端連接優點眾多，但首先得思考在區域物聯網的建置位置。物聯網大多透過伺服器、閘道器等上層連結至雲端，閘道器或伺服器會聚合來自其他節點的雲端通訊，再傳到雲端。有些工業物聯網建置模式會存取雲端，來連接至其他的雲端策略夥伴，如IBM、PTC或其他第三方單位，由他們提供應用程式分析、專業處理或其他需要的服務。

雲端連接關鍵議題或許在於達成目標的難易度。工業系統開發人員過往不須具備射頻工程經驗，因為Wi-Fi技術已內建於諸多工業設定，亦具備雲端連接所需的頻寬及容量，未來許多無線雲端連接功能都將取道閘道器或伺服器的Wi-Fi功能。有些物聯網終端節點可能需要雙無線連接，例如以Bluetooth Smart、ZigBee或6LoWPAN技術和區域感測器及營運單位互動，並使用Wi-Fi技術連接至更廣泛的工業物聯網及雲端。有些工業Wi-Fi解決方案也結合外部連接功能，包括單/雙無線技術、認證無線協定及安全演算式、程式碼樣本資料庫、開發工具及套組等。

除了雲端連接之外，無線工業應用也可能與傳統有線設備網路互動，例如工廠自動化或建築自動化系統可能在相同環境中，使用有線及地方無線網路，在此種情況下，介接無線連接裝置與RS-485、RS-232及其他有線連接協定就相同重要，技術人員可透過無線連接至人機介面，監控工廠內的製程，而人機介面也同時運用工業即時乙太網路協定(如EtherCAT、EtherNet/IP、PROFINET或POWERLINK)，監控有線設備網路。

有些半導體商擁有的無線技術產品組合，可支援工業物聯網網路，如德州儀器(TI)旗下低功率技術包括整合與獨立解決方案，例如超低功耗MCU與感測器、類比數位轉換器(ADC)及比較器等類比裝置、WiLink Wi-Fi及藍牙混合連接裝置，以及SimpleLink無線MCU整合區域無線連接，涵蓋所有熱門標準，亦可依據專利協定輕鬆調整。此外，SimpleLink無線MCU內含最普及的週邊介面，再加上晶片記憶體與感測器控制器引擎，可快速輕鬆接合各種德儀感測器。

所有解決方案均可承受攝氏40至85度的工業溫度範圍，WiLink8雙頻混合連接模組等部分產品耐熱溫度更可達攝氏125度(圖7)；這些無線解決方案可編程彈性極高，亦擁有廣大生態系統，提供工具、立即可用的軟體模組資料庫、參考設計及其他資源，不只方便工業系統開發人員調整與創造產品差異，還能使新系統更快上市。

圖7 WiLink 8雙頻工業模組(以WL1837MOD)

(本文作者皆任職於德州儀器)