工業物聯網(Industrial Internet of Things, IIoT)風潮持續發燒，全球製造業正掀起一波新變革。透過無線通訊技術、定位、感測等技術，打造完善的設計，可提升產能、良率，滿足工業產線對客製化與速度需求，增進工廠應變能力與智慧化程度。
不管是稱為工業物聯網或是工業4.0，透過把感測、通訊與資料分析結合在一起，工業物聯網能大幅改善流程與效率，並為製造、運輸、車隊管理、採礦以及農業等各個產業帶來全新的變革。
雖然目前業界多關注於取得更多的原始資料，然後再進行分析、並將結果提供給重要的決策制定者，但現在對於地點與時間資訊的重視也日益提升。這個趨勢的轉變是因為「豐富的環境」訊息將為IoT應用領域的程式開發人員與系統設計人員帶來令人振奮的機會。
舉例來說，與其單純地利用胎壓或懸吊系統的監控感測器來偵測道路上的危險突起或坑洞，如果將此資料與精密的位置資訊結合，並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)。
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| 圖1 工業物聯網橫跨許多重要的領域，所有領域都能因準確的位置與時間提供更精細、豐富的環境訊息而獲益。 |
目前，車隊已經可以利用電子記錄裝置(Electronic Logging Devices, ELD)來監控車輛的各種狀態。重要的參數包括里程數、位置、停靠點、引擎使用、以及行車時數等。由於壓力、燃料以及溫度感測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，因此車輛的整體狀況可以被即時監測，以便在發生嚴重故障前，提早進行維修。現在，主要的差別在於，需要結合精密定位與安全的資料通訊技術，來進一步監測車輛。
在農業領域方面，工業IoT有助於確保全球的食物供應。根據預測，到2050年，全球將有91億人口，利用聯網感測器來追蹤溫度、土壤條件、日照與濕度，能提供土地最佳化利用所需的資料。準確的位置服務與即時的資訊通訊，能讓農夫確保農作物在最佳的時刻快速、且有效地採收。
當然，如果資料、時間與位置不正確，或是因不可靠、高延遲、或不安全的系統建置而無法正常通訊，那麼，所有這些優勢便無法發揮效果。不準確的位置以及150微秒或更長的延遲，對消費裝置和家庭網路或許可以被接受，但是對於工業應用，最高的效能、耐用度、安全性以及可靠度都至關重要。
此外，對定位準確度的要求，也驅動了多個標準組織與創新公司重新檢視GPS、北斗和GLONASS等全球導航衛星服務(GNSS)，以及短距離無線電和蜂巢式技術能否一起運用，以便盡可能地提供最準確的時間與位置資訊。
例如藍牙訊號的到達角(Angle-of-arrival, AoA)和出發角(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網路的訊號紋定位演算法(Fingerprinting)等技術，目前都已被採用，此外，超寬頻(Ultrawideband, UWB)訊號技術又重新在定位應用獲得重視。
蜂巢式技術則朝向多樣化發展。一直以來，蜂巢式技術著重在更高的數據傳輸率，以因應多媒體應用的需求，但現在窄頻IoT(NB-IoT)已獲得重視，可實現在授權頻帶內的室內與戶外、低功耗感測器的通訊應用。
研究機構MarketandMarkets預測，從2015到2020年，工業IoT市場將以每年8.03%的複合成長率(CAGR)增長，並將達到1,510億美元的市場規模。
報告亦指出，半導體技術的進展、雲端運算、IPv6標準化、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於製造業，預計將占IIoT市場的最大比例。
智慧工廠的主要受益領域包括產品生命週期管理、電子、材料與採礦、現場設備以及機器視覺(Machine Vision)等。
報告指出，對大多數現有的製造商、能源業者以及農業生產者來說，初期採用IoT的效益主要來自以上提到的成本節省與流程改善，以及有可能推動新的營收來源，並強化員工生產力與工作條件。特別是，報告還指出，可運用無人機(UAV)來巡視管線，使員工暴露於危險環境的風險降至最低(圖2)。
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| 圖2 降低營運成本、提升生產力，以及創造新的營收來源，只是推動工業IoT 發展的眾多原因中的三個，此趨勢還能為設計人員與企業帶來更多的想像空間與可能性。 |
資料來源：世界經濟論壇
為IoT裝置提供「何地與何時」資訊
對於需讓IoT裝置能在約100公尺範圍內通訊的設計人員來說，適合的技術方案有許多種，甚至多到不知如何選擇，包括藍牙、IEEE 802.15.4(ZigBee、Thread和其他)、Z-Wave以及Wi-Fi等。
要在這些技術方案中做選擇時，必須詳細考慮它們的各種特性，包括傳輸距離、網狀網路功能、是否支援原生網際網路協定(IP)、資料傳輸率、以及功耗等等。
舉例來說，藍牙SIG計畫將藍牙Class 2無線電的最小傳輸距離從10公尺擴展到40公尺。此外，還打算把網狀網路功能增加到藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy, BLE)中，並倍增其資料傳輸率以及降低延遲。針對工業應用，10ms範圍內的延遲是很重要的，以確保工業IoT系統及裝置能即時反應，以及對任何異常狀況的失效安全(Fail-safe)設定。
然而，在某些領域中，定位功能以及其他的環境資料逐漸受到重視。許多藍牙無線電已經內建溫度感測器，這是一個很好的開始。針對位置警示，蘋果(Apple)已於2013年推出iBeacons技術，這個技術雖已普及，但它的準確度不高，無法解析1公尺以內的位置(圖3)。它主要採用近接規範(Proximity Profile, PXP)，亦即利用接收訊號強度指示(Received Signal Strength Indicator, RSSI)來決定距離，但因為環境的干擾與吸收問題，RSSI會產生誤導，而且隨著距離增加，誤差更為嚴重。
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| 圖3 藍牙iBeacons利用RF訊號的相對強度來決定位置，與不受訊號吸收與RF傳遞問題影響的時差測距相比，準確度較低。 |
若要取得公分等級的定位準確度，應根據到達角與出發角來計算。此技術已經過充分的研究，並且被證明是更為有效的方法(圖4)。
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| 圖4 為了增加「何地」的訊息，GNSS閘道器可利用到達角、出發角、RF訊號紋定位演算法以及時差測距分析等短距離無線技術來增強。 |
例如，ToF over Wi-Fi，透過量測一個封包需花多少時間從發射器到達接收器，已展示出能夠達到30公分以內的定位準確度。
設計人員可將此資料與GPS閘道器的正確時間戳記結合在一起(圖5)，這些閘道器不一定是昂貴的專用裝置：智慧型手機也擁有提供此訊息的功能，並能利用任何一種無線技術，或甚至有線介面將資料連接到雲端。
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| 圖5 欲取得「何時」的資訊，基於GNSS的時間戳記能被用來取得奈秒範圍內的準確度。其他的技術包括PTP、NTP，甚至時差測距。 |
針對車到基礎架構(V2I)、車到車(V2V)或車到物(V2X)等各種應用，最低的通訊延遲是很重要的，因此業界正朝基於IEEE 802.11p的5.9GHz頻帶無線電移轉，利用一個10MHz通道以及適合的協定，可確保訊號延遲保持在50ms以內。
NB-IoT擴展工業IoT連接選項
由於適合工業應用的短距離室內無線電技術有許多不同的選擇，蜂巢式技術通常不會被考慮，特別是在需要超低功率的IoT領域。但過去一年來，除了LoRa之外，新的NB-IoT標準興起，已獲得廣大的關注。NB-IoT是由3GPP組織制定，可在授權的GSM和LTE頻段上運作，主要鎖定需要長電池壽命、深度覆蓋範圍、以及低成本的室內與戶外應用(圖6)。
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| 圖6 NB-IoT可為GSM與LTE網路提供99.5%或更高的室內IoT覆蓋範圍，並擁有可支援各種關鍵工業應用的生態系統。 |
傳統的GSM與LTE網路只能達成95%到99%的戶外覆蓋範圍需求。但是，基於蜂巢式技術的IoT裝置有更高的覆蓋範圍需求，尤其當它用在關鍵應用與不易到達的位置。因此，它的室內覆蓋範圍比例必須至少達到99.5%或更高。3GPP正透過窄頻技術的增強功率頻譜密度(Power Spectrum Density, PSD)來解決這個問題。與GSM網路相比，16次的重新傳輸機制與獨立式的保護帶(Guardband)頻譜規劃模式可為NB-IoT提升20dB的覆蓋增益。
NB-IoT能以比蜂巢式技術更低的功耗與數據傳輸率來運作，同時也能支援IoT裝置要求的堅固性與可靠性，因此非常適合於監控瓦斯與水表等僅需一般及少量資料傳輸的裝置。NB-IoT的其他主要應用領域包括智慧城市的街燈控制、大樓自動化、人群追蹤、以及農耕監控等。
在眾多IoT應用中，工業物聯網是非常重要的角色，它的設計與建置必需符合最嚴格的技術標準以及最佳的安全性需求，且需要具備最豐富的環境資訊，並滿足成本與上市時程的要求。
(本文作者為u-blox短距離無線電產品中心資深技術總監；u-blox EMEA策略夥伴關係主管)