工研院
event
 

布局IIoT 无线通讯技术成关键

智能工厂中有许多智能装置交互间的通讯,以及与生产管理系统的沟通,皆仰赖通讯技术的串联。SICK

工业物联网(IIoT)涉及大量布建的感测装置,实时监控生产环境与设备、针对人员和产品实施追踪定位或管理,以利掌握生产进度等。然而,当全球制造模式开始以少量多样、弹性制造为导向,尤其生产线的弹性、机动性将变得更为重要,这也使得工厂对于无线通讯的需求将非常殷切。

工业物联网的无线通讯技术中,一类是采用2.4GHz频段的短距离通讯技术,如Wi-Fi、蓝牙、ZigBee,另一类则是采用Sub-1GHz频段的低功耗广域网络(LPWAN)技术,而LPWAN中又分为两类,一是运行于免授权频谱的LoRa、SigFox等,以及运行于授权频谱下,3GPP制定的2/3/4G蜂巢式通讯技术,如NB-IoT、EC-GSM等、LTE Cat-m等。

不同的无线技术根据其功耗、通讯距离等方面也各有所异,因此也拥有不同的适用场景。例如穿戴式装置常见透过Beacon或Zigbee监控人员安全或定位,而无人搬运车则藉由Wi-Fi运行等,而更长距离的多点布建,LPWAN则可派上用场。

短距通讯:Wi-Fi、ZigBee、蓝牙

以短距通讯来说,Wi-Fi是目前工厂采用的主流无线通讯技术,其优势是传输距离相较ZigBee与蓝牙来说更长,适用于数据量大的传输。Wi-Fi可随时接入无线讯号,且移动性强,但Wi-Fi也存在一个致命缺点,除了高耗电外,其传输质量不够稳定,由于Wi-Fi采用无线射频技术,较容易受到外界干扰,也间接造成资安疑虑。

而ZigBee与蓝牙都是功耗低的无线通讯技术。以ZigBee来说,其最大的特色除了功耗低外,也有低成本、省电的优势,使用一个钮扣电池即可运行一年。由于ZigBee专注在感应和控制,因此传输的讯息量相当少,虽然设备可时常处于休眠状态降低功耗,但其从休眠状态唤醒的延迟只有15毫秒,因此适用于对延迟要求严苛的无线控制场合,象是厂区的火警感测和通知、照明系统的感测等,也有韩国的NURI Telecom研发出基于ZigBee技术的自动抄表系统。

不过ZigBee也有缺点,象是抗干扰性差、通讯距离短等。而蓝牙技术的最大的优点则是不依赖外部网络、速率快、低功耗、安全性高等,其缺点则是传输距离为三者最短,仅约10公尺,且不能直接连接云端,传输速率比较慢,组网能力比较弱,而且网络节点少,不适合多点布控。

LPWAN三大阵营:LoRa、Sigfox、NB-IoT

不过在工厂环境中,随著设备智能化,针对M2M的通讯由于装置的部署范围更宽广,需要跨越大场域的远距传输,且为避免频繁更换电池,LPWAN技术顺势而生,透过其传输距离远、小资料量、省电、较佳的避干扰性特色,对于象是在工业物联网应用场景中大量布建的传感器装置,能为低传输量的感测资料提供更具成本效益的解决方案。

LoRa与Sigfox都具有LPWAN长距离、低功耗的特点,两者皆运行于免授权频段,不须额外付出授权费用,使得硬件制造成本不断降低。LoRa是由各产业联盟推动的标准,目前LoRa联盟拥有超过500个企业会员,受到产业广泛支持。其由于采取开放式技术,能够让业者易于自行开发个别应用,因此只要掌握技术就能自行架设基地台,对开发业者来说自由度更高。

不同于LoRa的开放性,Sigfox则是由法国同名公司自行开发的技术,掌握核心网络的营运和布建,Sigfox的目的为全球营运,藉此扩展网络基地,虽然可提供使用者完整的平台方案,包括云端服务与网络部署,但相对LoRa来说却需付出额外月租费成本较高。

与其它LPWAN技术相较,Sigfox的传输速率最低,但却具备最大平均传输距离与穿透能力。不过为达到低功耗,LoRa和Sigfox限制了传输次数与数据量,较适用于无实时通讯需求的应用,象是测量厂区温湿度、PM2.5等环境数据,藉由长距离、少次数的传输型态,形成较大面积的物联网应用。

而运行于授权频段的NB-IoT由于采用电信级的网络,在通讯质量和讯息安全性等方面都拥有高度的保障。再加上建置成本较低,电信业者不用大幅更改现行的4G LTE架构就能快速部署,因而受到各国电信业者支持。不过NB-IoT的缺点则是其耗电量较高,低速资料传输、IT系统的转换时间等问题也受限了其发展。

  •     按赞加入DIGITIMES智能应用粉丝团
更多关键字报导: 无线通讯 工业物联网 LPWAN