在製造業、配電及公用事業(天然氣、電力、水)等工業領域，操作與環境條件是互連應用的重要挑戰。在清晰明確的網路架構下，通常使用有線連接來確保關鍵任務系統的可靠性。而無線連接應用於彈性的點對點連接，在有線基礎設施缺乏或不易改變的工業環境中尤為常見。過去，這兩種網路類型並不常互相連接應用，但互聯網的發展改變這一切。
有線網路通常會遵循工業標準，早期的無線解決方案則採用某種形式的專用協定。但如今情況已經改變，符合公認標準的無線網路正在挑戰這些「舊有方式」，並將取代有線網路連接，這是有充分理由的。無線網路為有線解決方案帶來不少優勢並開創更多可能，例如更佳的移動性、靈活性、簡便的網路管理以及節省建構成本。工業領域使用最廣泛的無線技術之一Wireless HART，便是從早期應用於自動控制的固線式技術發展而來。隨著需求變化，其他無線協定的使用也在增加。藉由無線網路實現工業物聯網(IIoT)，在眾多的選擇中挑選出最適宜的解決方案也成為一種挑戰。在此本文將比較這兩類型技術的特性，有助使用者簡化決策過程。
有線或是無線？
隨著自動化的發展，人們需要結合更廣泛的考量，例如全球化需求、在地物流和整體供應鏈。管理這些資料的傳輸需要經由網路拓撲，目前大多數網路的傳輸都以封包為基礎。每個封包傳遞負載(資料)，通常介於標頭(路由訊息)和標尾(包含有用的資訊如錯誤修正)之間。有線網路和無線網路皆存在這些基礎格式，測量延遲和頻寬的參數，可用來評估網路的傳輸資料能力，隨著工業自動化和分散化發展，這將變得更加重要。無線網路還需要考慮其他重要參數，例如覆蓋範圍、穩健性和功耗等。
功耗是無線IIoT網路中的重要考量。有線網路驅動連接所需的電量，可以由連接線路本身輸送，而無線網路的驅動，則需要額外提供或擷取電力。這意味著功耗是無線IIoT網路的關鍵考量。因此，無線IIoT設備必須在輸出功率、運作週期和傳輸量等方面進行權衡。
無線網路的覆蓋範圍與運作頻率密切相關，採用sub-GHz頻段的裝置通常比採用2.4GHz頻段運作的裝置，覆蓋更廣泛的範圍(在既定的功率之下)。但是，無線網狀網路為2.4GHz頻段延伸了覆蓋範圍，常見的網狀網路技術例如Zigbee、Thread和藍牙(Bluetooth)Mesh等。由於這些標準和2.4GHz頻段被廣為採用，這些協定對IIoT的未來顯得相當重要。因此，2.4GHz和sub-GHz頻段運作的協定都會被用於IIoT。
互聯網協定(IP)考量
無線IIoT網路的根本目的是可靠地傳輸資料，因此IP變得越來越重要。IP提供了更強的互通性、更容易存取和管理資料。Thread和6LoWPAN支援與其他網路相同的互聯網協定(IP)基礎，讓使用傳統互聯網技術去定址各個端點變得更加簡單。Zigbee基礎網路(不支援IP)需要透過閘道，才能在網域之間轉換訊息，目前市面上有許多閘道器和集線器能將Zigbee橋接到互聯網，輕鬆連接Zigbee網路的裝置和資料。
網狀技術
目前，許多協定都支援網狀技術，包括Bluetooth、Zigbee、Thread和Z-Wave(在智慧家庭相當盛行)。網狀網路連接附近裝置的網路活動路徑，來擴展無線網路的覆蓋範圍。實際上，數據封包可經由多條路徑通過網狀網路，而路徑的選擇取決於實際條件。例如，當節點正在傳輸訊息卻被干擾、訊號或設備故障而中斷時，節點的傳輸不會因為通訊路徑中斷而被終止，而會尋找附近的節點繼續傳輸。網狀網路的這種自我修復連線能力是其強大的優勢之一。在IIoT中，設備可能隨時被移動、添加、週期循環或移除，這種「毋須動手」的功能對網路管理相當實用。
在惡劣環境中網狀網路這種自我修復特性能夠維持強健的網路。例如，工廠內大量的金屬設備會造成RF訊號產生多條傳輸路徑，且訊號衰減，而網狀網路能讓訊號在這樣的環境中找到最佳路徑。
遠距通訊
網狀網路的替代方案是星狀拓撲(如圖1)，每個節點可以直接與閘道通訊。這是低功耗廣域網路(LPWAN)如LoRa、Sigfox，以及NB-IoT和LTE-M等蜂巢式網路所採用的方法。運作sub-GHz頻段並維持相對的數據窄頻(每條訊息數十位元)，LPWAN能達到數十公里的覆蓋範圍。這些技術非常適用於智慧城市和遠距監控等新興基礎設施，節點之間的距離很遠，但傳輸資料量相對較低。但是，不見得適合應用於智慧工廠，因為在智慧工廠中，頻寬和延遲性能比覆蓋範圍更加重要。
圖1 星狀與網狀網路拓撲的比較
多重協定無線通訊
在工業環境中，採用sub-GHz頻段相較於2.4GHz頻段擁有更多技術優勢，因此IIoT通常採用sub-GHz技術。專用協定在sub-GHz頻段相當盛行，傳統技術的普及也是部分原因。
有線和無線技術的結合，曾經是一種最理想的連接方式，如今，解決方案不僅是選擇單一無線技術，而是結合兩者的優勢和特長。採用sub-GHz頻段協定能帶來許多好處，但可能受限於頻寬，而且必須透過專用無線電與設備通訊。低功耗藍牙技術可高達2Mbps傳輸速率，並為PC、筆記型電腦、平板電腦和智慧型手機等標準設備提供簡單的介面。選擇整合Bluetooth和sub-GHz連接的多重協定解決方案(詳圖2範例)，可支援2.4GHz連接標準，並適用sub-GHz技術的機器對機器(M2M)網路進行人機互動。
圖2 多重協定技術簡化sub-GHz網路中對智慧電表等設備的藍牙控制
世界各地的公司和政府機關都發現無線連接為工業環境帶來許多好處，其產生的數據對改善製程和提高生產率的作用是不可否認的，而工廠、城市、辦公室和家庭更加智慧化的需求也同樣明顯。IIoT將不只是感測器和致動器，為實現全球互聯網也需提供雲端連接和大數據。各個產業和每個人都將受益於這項革新。
(本文作者為Silicon Labs資深產品經理)