根據科技產業研究機構Gartner資料顯示，物聯網中每天增加的「聯網物件」多達550萬件。面對不同智慧化場域對於通訊的性能要求，工業物聯網(IIoT)需要克服複雜的環境干擾，以低成本提供高可靠的無線通訊。
根據科技產業研究機構Gartner資料顯示，物聯網中每天增加的「聯網物件」多達550萬件。截止2020年，預計總數將達208億。有鑑於其爆炸式成長，檢查連接所有物件並在裝置之間實現通訊的網路至關重要。事實證明，在這些裝置之間建立可靠的無線連接，是物聯網的關鍵挑戰之一。
用於消費性電子裝置的現有無線連接技術，並不總是能滿足工業和醫療保健系統的性能要求。這些系統在安全性、準確性和時間靈敏度等方面，具備不同側重點，因而提高了可靠性需求。行動通訊系統接近此一要求，但通常在電池、成本和資料傳輸量層面不太符合要求。目前存在針對利基型工業和軍事應用所開發的高可靠系統，這些系統在設計上以可靠性為優先考量，成本成為次要考慮。工業物聯網(IIoT)所面臨的挑戰，便是以更低的系統成本提供同樣高水準的可靠程度。
通訊系統的可靠性可以用兩個關鍵元件的性能來定義：射頻收發器和通訊微控制器。本文以ADI的元件和相關解決方案為例，說明關鍵元件將如何提升系統級可靠性，以支援對資料品質及洞察力具有極高要求的應用。
工業物聯網潛在應用案例
工業物聯網能夠提升各個場域的智慧化程度，以下為幾種透過增加無線功能來增強系統性能的案例，包括對於連接可靠度具有極高要求的情況。
互聯裝置在製造業中的關鍵吸引力包括提高增產潛力。要實現這個目標，通常需要遠端控制生產鏈中的多種裝置以進行調整。例如，在化工生產過程中，操作鍋爐的控制閥若具備即時的自動化控制功能，便可根據生產過程中其他階段的回饋進行即時調整，進而優化整體效率。
醫院和護理中心正試著透過無線連接來監測患者的生命體徵。透過本地閘道器連接的無線感測器貼片可取代笨重的有線解決方案，此類系統將減輕醫護人員的負擔，同時更有效地監測患者情況。
利用先進的影像和聲音感測與處理方法，安裝在公共場所(如燈柱上)的系統可感測車輛事故和犯罪活動等事件，並且具有極高可信度。此類資訊可隨同位置資訊一起透過無線通訊轉發至相關機構或單位，實現更快速的緊急應變(圖1)。
圖1 智慧路燈運作示意圖
複雜環境的無線連接挑戰
前面提到的各個示例都會受到不同環境挑戰，可能對無線通訊帶來不利影響，以下試舉其中幾項。
工廠的鋼鐵結構和偏厚的牆壁將形成傳輸障礙，可能導致射頻訊號的功率降低至目標裝置無法順利接收的程度。目標裝置中無線電元件的接收器靈敏度將決定可以接受的訊號衰減程度，就算只是2dB的變化都可能決定訊號接收的成敗。通訊系統設計人員在選擇無線電元件時，必須密切關注接收器的靈敏度。
一般而言，互聯裝置會在所在地區的相關ISM頻段內運作。ISM頻段為非授權頻段，可用於各種需要無線連接的應用。2.4GHz為全球標準化頻率，廣泛用於Wi-Fi和Bluetooth裝置。1GHz以下的頻段中也包含ISM頻譜，這些頻段通常用於物聯網應用，在歐洲和美國，該頻段分別以868MHz和915MHz為中心。
當鄰近的多台裝置共用相同的ISM頻段時，將面臨挑戰。發送裝置可能干擾附近的接收裝置，例如在公立醫院中，多種機器將共用相同的ISM頻段。無線電元件在此類干擾環境中的工作能力由阻塞規範來衡量。此類挑戰並非僅來自在ISM頻段內運作的裝置，如果阻塞能力不足，則在附近運作的手機或平板電腦也可能導致系統中出現通訊問題。
在軍事和航空航太應用中，會使用非常昂貴的元件來減輕干擾的影響。在對資料有極高要求的應用(如前面提到的例子)中，無線電元件必須能夠實現與軍事和航空航太應用中相似的性能，並且不能因附加外部元件而提高成本。當附近具有多個運作中的干擾源時，此類無線電元件仍能持續接收訊息。
受到所採用的製程影響，無線電收發器的性能會根據所在的工作環境而發生變化。其中一些影響因素包括溫度變化、電池放電導致的電壓降低，以及裝置之間的晶片製造差異。這些真實環境中的變化皆可能影響裝置的工作穩定性。
以路燈上採用的事件感測緊急應變系統為例，寒冷冬季的氣溫可能導致裝置的輸出功率發生變化或接收器靈敏度下降，進而在某些條件下導致通訊中斷。消費性裝置很少在此類極端條件下使用，因此不必太過擔憂此一問題，但這對於緊急應變系統而言無法接受。在最好的情況下，仍需要付出終端產品聲譽受損的代價，並將收到更換故障裝置的維修請求。因此，系統設計人員必須確保選擇用於感測和通訊系統的元件在不斷變化的環境條件下保持穩定。
可靠性也是通訊微控制器需要考慮的問題。雖然快閃記憶體和非揮發性記憶體非常可靠，但偶爾也可能因為工作環境的意外，或是受到惡意的硬體攻擊而出現損壞。無論原因為何，微控制器都必須配備必要的完整性功能，以識別裝置的損壞情況，並糾正裝置錯誤或關閉裝置，確保損壞的裝置不會進一步破壞系統的安全性。
選對元件打造高可靠系統
工業物聯網的超穩健系統要求並非新挑戰，滿足需求的相關元件已經出現，將協助設計人員打造高可靠系統。舉例來說，超低功耗、Sub-GHz ISM頻段無線電元件ADF7030-1和Cortex M3微控制器ADuCM3029便提供可實現穩定通訊鏈路的性能級別和功能特性。
就接收器靈敏度性能而言，在許多情況下，ADF7030-1能夠接收低於其他無線電元件可接收功率3dB的無線電訊號。憑藉超過100dB的阻塞性能，ADF7030-1可實現與軍事和航空航太裝置相媲美的抗干擾水準，並且無須增加昂貴的外部元件。此類元件可在極其嘈雜的射頻環境中保持正常通訊。在整個工作溫度範圍內，採用ADF7030-1裝置的輸出功率變化不超過0.2dB。
ADuCM3029具有快閃記憶體和ECC同位檢查功能，可確保識別記憶體損壞造成的錯誤，並盡可能糾正錯誤。此外，ADuCM3029在休眠模式下配備電池監控功能，可感測電壓的意外下降，並提醒處理器可能存在的惡意威脅或電源故障。接著，終端裝置可採取相應措施，提醒管理員或進入安全模式，以確保更系統不會進一步受到損害。
在物聯網訊號鏈中，符合性能要求的元件是實現物聯網真正潛力的基本要求。考量無線通訊在不同環境的挑戰並挑選合適元件，將是提升物聯網可靠度並實現智慧應用的關鍵。
(本文作者為ADI產品行銷經理)