工業聯網機器能感測種類眾多的信息，而這些信息可用來在工業物聯網(IIoT)環境中制定關鍵決策。位于邊緣節點內的傳感器可能遠離任何數據匯集點(Data Aggregation Point)，在其過程中，必須透過網關才能鏈接，而這類網關主要負責向網絡傳送邊緣數據。

傳感器構成IIoT體系的前端，我們藉由量測數據，將所感測到的信息轉成可量化的數據，例如壓力、排水量或旋轉次數。 而數據經過過濾之后，則會挑選出最寶貴的信息，之后從節點回送到后端系統進行處理。 低延遲的聯機可讓系統在一收到關鍵數據后便能立即進行關鍵決策。

邊緣節點一般都必須透過有線或無線傳感器節點(WSN)連接至網絡。 在這段訊號鏈中，數據完整性仍非常重要。 如果通訊不連續、斷線或質量下降，優化感測與量測的數據就沒有價值可言。 在設計系統架構時，最先考慮到的就是穩健的通訊協議。 最佳選擇取決于各項鏈接需求，包括距離、帶寬、功率、互操作性、安全性以及可靠性。

對于如EtherNet/IP、KNX、DALI、PROFINET，以及ModbusTCP這類極度要求聯機穩定性的技術而言，有線工業通訊扮演著關鍵角色。 設置范圍深入廠區各角落的傳感器節點是使用無線網絡和網關進行通訊，而網關則依賴有線基礎設施來鏈接到主系統。

傳感器節點須具備聯網能力

未來只有少數聯網IoT節點會單獨采用有線通訊，大多數這類裝置將會采用無線網絡。 高效率的工業物聯網鏈接策略，必須讓傳感器能設置在任何能感測到寶貴信息的位置，不能局限于目前已安裝通訊與電源設備的區域。

傳感器節點須具備一種和網絡進行通訊的方法。 隨著工業物聯網框架對映到此類鏈接的更高階通訊協議，預期有線通訊部分仍會沿用以太網絡。 以太網絡的建置范圍從10Mbps涵蓋100Gbps以上的傳輸率。 而高階速度部分通常瞄準的，是因特網連接到云端服務器主機群之間的骨干線路。

諸如KNX這類速度較慢的工業網絡，其采用雙絞銅線傳送差動訊號，使用30伏特電力，總帶寬為9600bps。 由于每個網段(Segment)能支持的地址有限(256個)，因此尋址機制最高可支持65,536個裝置。 每個網段最大傳輸距離為1,000公尺，用戶可選擇配置中繼器，每個中繼器最多支持4個網段。

工業環境無線網絡面臨多重挑戰

當IIoT無線網絡系統設計者在考慮該采用何種通訊與網絡技術時，將發現自己正面臨著許多挑戰。 他們必須從更高的立場來考慮以下限制:

． 傳輸距離

． 間歇或持續式鏈接

． 帶寬

． 功率

． 互操作性

． 安全性

． 可靠性

傳輸距離

這里所謂的距離，所指的是聯網IIoT裝置數據傳送數據經過的距離。 短距個人局域網絡(PAN)的傳輸距離為公尺等級(圖1)，如藍牙低功耗(BLE)這類技術就適合用來對設備進行試營運。 而傳輸距離達數百公尺的局域網絡(LAN)則可用來在同一棟建筑內安裝各種自動化傳感器。 至于傳輸距離達數公里的廣域網(WAN)，其應用則包括了在占地廣闊的農場內安裝各種農業傳感器。

圖1 短距離無線鏈接
所挑選的網絡協議應匹配工業物聯網使用情境所需要的傳輸距離。 舉例而言，對于傳輸距離數十公尺的室內局域網絡應用而言，4G手機網絡在復雜度與功率方面都不太合適。 當傳送數據距離面臨挑戰時，邊緣運算就會是一種可行的替代方案。 我們可以在邊緣節點直接進行數據分析，而不必將數據回傳到主系統進行處理。

傳輸無線電波的功率強度和傳輸距離平方成反比。 訊號功率強度和無線電波經過的距離平方成反比，因此當傳輸距離加倍，接收端收到無線電波的功率只有原始功率的四分之一。 傳送輸出訊號功率每增加6dBm時，傳送距離就會增加一倍。

在理想的無障礙傳輸空間當中，平方反比定律是唯一影響傳輸距離的因素。 然而，現實世界的傳輸距離會因傳輸途徑上包括墻壁、柵欄、植物等物體的阻隔而衰減。

此外，空氣中的水氣也會吸收射頻能量。 金屬物體則會反射無線電波，造成二次訊號(Secondary Signals)在不同時間點抵達接收端，另外額外的功率耗損也會形成破壞性的干擾。

無線電接收器靈敏度會決定最大傳播路徑損耗。 舉例來說，在2.4GHz工業/科學/醫療(ISM)頻段，最小接收器靈敏度為–85dBm。 RF幅射能均勻朝各方向傳播，強度等高線會形成一個球狀(A= 4πR2)，其中R是發送端到接收端之間的距離，單位為公尺。 根據弗林斯(Friis)傳輸公式，自由空間損耗(FSPL)和發送端與接收端之間的距離平方以及無線電訊號頻率的平方成正比。



公式中的Pt=傳輸功率單位為瓦，S=在距離R處的功率。



公式中的Pr=接收功率，單位為瓦。

λ(傳輸訊號波長，單位為公尺)=c(光速)/頻率f(Hz)=3×108(m/s2)/f(Hz)或300/f(MHz)





其中f=傳輸頻率

若已知傳輸頻率以及要傳送的距離，那么即可根據FPSL推算出傳送與接收端的數據。 鏈路預算如公式1所示。

Received power(dBm)=Transmitted power(dBm)+gains(dB)–losses...... 公式1

帶寬與鏈接

帶寬是指單位時間內傳送數據的速率。 帶寬局限了IIoT傳感器節點搜集數據以及傳出數據的最大速率。 所考慮的因素如下:

． 每個裝置在經過一定時間后產生的數據總量。

． 部署并匯集到某個網關的節點數量。

． 考慮持續或間歇性高峰的傳輸模式，需要多少可用帶寬才足以滿足尖峰時段的需求。

網絡協議的封包大小應配合傳輸數據的量。 傳輸封包若塞滿空白數據，這種協議的效率就不高。 但將較大塊的封包細切成許多較小的數據封包分開傳送，也得付出耗費資源的代價。 IIoT裝置并不會隨時連上網絡，而是只會每隔一段時間傳送完數據后就脫機，藉以節省電力或帶寬資源。

功率與互操作性

如果使用電池的IIoT裝置須要節省電力，那么裝置只要一閑置就必須馬上切換至休眠模式。 我們可依據不同的網絡負載狀態，著手調整裝置的耗電模式，如此將有助于讓裝置的供電與電池容量能夠配合傳送必要數據所需耗用的電力。

網絡中可能出現各種不同節點之間的互操作性勢必成為一大難題。 業界傳統的作法是采用標準有線與無線通信協議，藉以維持因特網內的互操作性。 新興的IIoT產品由于必須配合新釋出技術的快速步調，而導致標準化的工作困難重重。 IIoT產業體系是建立在各項最佳技術的基礎之上，而這些技術則關乎市面上可取得的解決方案。 如果技術被各界廣泛采納，那么達成長期互操作性的機率就會更高。

安全

IIoT網絡安全性在系統中扮演三方面的重要角色：分別為機密性、完整性，以及真實性。 要維持機密性，網絡數據必須全程處在已知框架內，不能泄露給外部裝置或被外部裝置截收。

而要維護數據完整性，訊號內容則必須維持與發出時的狀態完全一致，不能被變更、截短或添增信息。 至于要維持真實性，接收數據則必須確定來自預期的來源，排除其他來源的訊息。 和偽節點進行錯誤的通訊，即是喪失真實性的例子。

即使是安全無虞的無線節點，一旦介接(Interfacing)到非安全的網關時，也會形成漏洞，使得有心人士能得到一個入侵的破口。 數據時戳能協助辨識訊號是否經過跳頻，以及透過側支頻道(Side Channel)重新傳輸。 時戳還能用來正確重組亂序傳輸的關鍵數據，讓傳輸封包經過眾多非協調運行的傳感器之后還能還原出原始數據。

AES-128加密標準的安全支持，可依循IEEE 802.15.4以及IEEE 802.11內的AES-128/256規范。 密鑰管理、譯密質量的亂碼生成(RNG)，以及網絡接取控制列表(ACL)，這些都有助于提高通訊網絡的安全屏障。

頻段

有些IoT無線傳感器會用到手機基礎建設中的有照頻段，不過這類傳感器通常屬于高耗電的裝置。 其中一個例子就是車載資通訊系統，這類系統若想要將搜集到的行動信息透過短距無線通信技術傳送出去，實務上并不可行。 另一方面，其他許多低功耗工業應用則是采用ISM頻段中的免執照頻段。

IEEE 802.15.4低功率無線通信標準是許多任務業物聯網應用的理想技術，其采用的頻段包括2.4GHz、915MHz，以及868MHz部分的ISM頻段，總共有27個頻道可供多射頻頻道跳頻之用(表1)。



全球各地可用的免執照頻段，其物理層方面的支持并不一致。 歐洲方面在868 MHz頻率上提供600kHz寬的Channel 0頻道，而北美則在915MHz上提供10個2MHz寬的頻段。 全球其他地區則在2.4 GHz頻率上提供5MHz寬的Channel 11到Channel 26頻道。

低功耗藍牙提供功耗大幅降低的解決方案。 低功耗藍牙并不適合用來傳送檔案，比較適合傳送小量數據。 低功耗藍牙的一大優勢是滲透率遠高于其他對手，目前已經廣泛整合到各種行動裝置。 Bluetooth 4.2核心規格采用的是2.4GHz的ISM公用頻段，傳輸距離為50到150公尺，使用高斯(Gaussian)頻移調變機制可達到1Mbps的數據傳輸率。

為一個IIoT解決方案決定采用哪個最佳頻率時，應該考慮到2.4GHz ISM解決方案的優點與缺點：

優點

． 在絕大多數國家都不必取得執照。

． 相同解決方案可以在各地市場銷售。

． 83.5MHz的帶寬足夠分成多個頻道，透過多個頻道同步傳輸以達到高數據傳輸率。

． 工作周期(Duty Cycle)可達到100%。

． 天線尺寸比1GHz頻段的天線來得還要小。

缺點

． 相同輸出功率下，傳輸距離比1GHz頻段來得短。

． 高滲透率衍生出許多干擾訊號。

通訊協議

在通訊系統中會運用一整套規則與標準來規范數據如何構成，以及如何控制數據的交換。 例如開放系統互連(OSI)模型就將通訊分成多個功能層，讓各界更容易建置可擴充的互通網絡。 OSI模型分成7層(圖2)，包括實體(PHY)、數據鏈路、網絡、傳輸、交談、表達，以及應用等分層。


圖2 OSI與TCP/IP模型
IEEE 802.15.4與802.11(Wi-Fi)標準規范的是媒體訪問控制(MAC)數據鏈結子層及物理層。 彼此靠近的802.11基地臺可能各自使用其中一個非重迭頻道，以降低干擾效應(圖3)。 802.11g使用的調變機制為正交載波分頻多任務(OFDM)，以下我們將介紹一種比IEEE 802.15.4還復雜的機制。


圖3 全球通用IEEE 802.15.4物理層Channel 11至Channel 26以及IEEE 802.11g Channel 1至Channel 14頻道
鏈結層提供將無線電波訊號轉換成位數據，以及從位數據轉換成模擬訊號的機制。 這個分層還負責執行可靠通訊，以及管理無線電頻道的存取作業。 網絡層負責控制數據在網絡上傳遞的路徑及尋址作業。 在這個分層中，因特網協議(IP)負責提供IP網址，以及將IP封包從某個節點傳到另一個節點。

在網絡的兩端運行應用交談(Session)時，傳輸層會產生對應的通訊交談程序。 這個設計讓一個裝置能同時運行多個應用，而每個應用分別使用自己的通訊頻道。 因特網上的連網裝置大多數是使用傳輸控制協議(TCP)來作為默認的傳輸協議。

應用層負責數據的格式及控管工作，讓節點傳感器的特定應用其傳輸數據流達到優化。 TCP/IP堆棧內其中一個廣受歡迎的應用層協議，便是超文本傳輸通訊協議(HTTP)，此協議是開發來用于因特網上傳遞數據。

美國聯邦通訊委員會FCC Part 15規則將ISM頻段的有效傳輸功率限制在36dBm。 其中一項例外，就是讓使用2.4GHz頻段的固定點對點鏈結能使用24dBi增益的天線，以及24dBm傳輸功率，讓總有效等向射頻功率(EIRP)達到48dBm。 傳輸功率應至少能達到1毫瓦。 想要使封包錯誤率小于1%，那么接收器的靈敏度應能接收到2.4GHz頻段的–85dBm訊號，以及接收868MHz與915MHz頻段上強度–9dBm的訊號。

舊地增建或新地設置

工業物聯網必須有眾多有線與無線標準鼎力支持才能上線運行，但想運用現有網絡系統建構IIoT則目前的選項數量并不多。 新開發的IIoT解決方案必須進行調整才能融入網絡環境。

新地設置(Greenfield)是在全新環境中從頭創建新系統，不會有舊設備形成的限制與拘束。 例如興建一處新工廠或倉庫，可考慮將IIoT解決方案裝設在建筑物的鋼骨內以達到最佳的效能。

舊設施增建(Brownfield)則是在現有基礎設施內裝設IIoT網絡，面臨的挑戰會更加嚴峻。 舊有網絡可能不適合用來運行物聯網，但新的IIoT系統卻必須和任何已安裝的系統并存運行，而這些舊系統往往是射頻干擾訊號的來源。 開發者必須承接舊環境中留下包括硬件、嵌入式軟件，以及先前設計決策所形成的限制。 于是開發流程變得極為繁瑣，須審慎仔細地分析、設計及測試。

網絡拓撲

IEEE 802.15.4協議提供兩種裝置類別。 全功能裝置(FFD)可用在任何拓撲，并能和任何其他裝置通訊，作為PAN協調器(Coordinator)。 精簡功能裝置(RFD)則僅能裝在星狀拓撲，且不能作為網絡協調器。 在IEEE 802.15.4規范的簡單建置環境中只需要一個網絡協調器。 用戶可根據應用形態挑選適合的網絡模型，包括對等式(Peer-to-peer)、星型、網狀以及多點跳躍(Multihop)(圖4)。


圖4 對等式、星型、網狀及多點跳躍拓撲
對等式拓撲網絡將兩個節點簡單地鏈接，但沒有運用任何智能來擴大網絡鏈接距離。 這種拓撲的組建速度快，但一旦有節點故障時整個網絡就會停擺，完全沒有冗余性可言。

星型拓撲則延展了幅射狀網絡的距離，并拉大兩個節點之間的傳輸長度，如同使用FFD節點一般，主控端能和多個RFD節點進行通訊，但每個RFD節點仍然只能和路由器通訊。 只要不是FFD，這種拓撲中即使有一個節點故障(Single Point of Failure)，整個網絡還能繼續運作。

網狀網絡拓撲讓任何節點能跳過其他節點相互通訊，藉此提供冗余的通訊路徑以提高網絡的強度。 智能網狀拓撲網絡能以最少跳躍的路徑進行通訊，藉以減少耗電與傳輸延遲。 這種具備自我組網(Self-Organization)機制的拓撲能因應環境變化進行調適，允許節點自由加入網絡或從網絡抽離。

可靠性

IIoT用戶最重視的就是可靠度與安全性。 組織通常會依賴大型復雜叢集來執行數據分析，但這些系統往往在包括數據傳輸、建立索引、擷取數據、轉型，以及負載處理等方面出現瓶頸。 想要在下游叢集避免出現瓶頸，那么每個邊緣節點須進行高效率的通訊就變得非常重要。

工業環境對于高效率射頻電波傳遞而言是極為嚴苛的場所。 大型、不規則形狀、高密度設置的金屬材質廠房設備、水泥墻、隔間及金屬貨架，都會產生多路徑電波傳遞的狀況。

電波朝各方向從發送端天線射出， 「多路徑」則是指電波經過環境傳播(Environmental Propagation)后在傳抵接收器之前出現波形變化的狀況。 接收器看到的入射波分成三類，分別為反射、繞射以及散射。 多路徑傳遞的電波在振幅與相位方面可能出現變化，導致目的地接收器會看到受到相長干擾或相消干擾的訊號。

CSMA-CA頻道接取

載波偵測多路接取與碰撞避免(CSMA/CA)是一種數據鏈結層的通訊協議，其中網絡節點會采用載波偵測機制。 節點只有在偵測到傳輸頻道閑置時才會一次傳送整個封包數據。 無線網絡中的隱藏節點并不在其他節點偵測范圍內。 圖5顯示例子中，遠在傳輸邊緣處的節點還能看到基地臺「Y」，但無法看到另一邊的節點X或Z。


圖5 隱藏節點X與Z無法直接通訊。
交握(Handshaking)程序運用RTS/CTS建置出虛擬載波感測機制，只須發出短要求訊息即可傳送與清空數據，以這種流程來傳遞WLAN數據。 802.11主要依賴實體載波感測，而IEEE802.15.4則是采用CSMA/CA機制。 為克服這些隱藏節點問題，業界則混用RTS/CTS交握及CSMA/CA。 在情況允許下，提高隱藏節點傳輸功率可拉長觀測的距離。

為改善帶寬，各界研發出各種先進調變機制來調制訊號的相位、振幅、或頻率。 正交相移鍵控(QPSK)這種調變機制采用四個相位，將每個符元編碼成兩個位的數據。

運用調變機制有效改善帶寬

正交調變采用混合架構(圖6)，藉由相位移動來減少對訊號帶寬的需求。 二元(Binary)數據切分成兩個連續的位，并以ωc載波、sinωct，以及cosωct三角函式的正交相位進行調變。


圖6 偏移QPSK調變架構
在2.4GHz ISM頻段上運行的IEEE 802.15.4收發器采用一種QPSK衍生型物理層，名為偏移QPSK、O-QPSK，或交錯QPSK。 在位傳輸流中加入一個單數據位(Tbit)偏移時間常數，它將數據偏移符元周期一半的時間，藉以避免同時傳送節點X與節點Y的訊號波形，防止波型重迭而產生干擾。 連續相位差(Step)永遠不會超過正負90度(圖7)。 O-QPSK其中一個缺點便是不允許差動式編碼，但其的確排除了同調檢測(Coherent Detection)方面的難題。


圖7 相位轉變±90°(左)與I/Q O-QPSK選項(右)
IEEE 802.15.4采用的調變機制降低了傳送與接收數據的符元率。 O-QPSK調變機制同時傳送兩個編碼位，采用1比4的符元率：比特率。 因此62.5ksymbols/sec的符元率可達到250kbps的數據傳輸率。

因應網絡成長 尋址機制再擴充

并不是所有物聯網節點都需要外部IP網址。 在專用通訊方面，傳感器節點應能支持獨一無二的IP網址。 IPv4支持32位尋址機制，這種在數十年前制定的技術僅能支持43億個裝置，如今已無法因應因特網成長的需求。 IPv6將尋址機制提高到128位，而能支持240乘以10的36次方個全局獨一網址(GUA)裝置。

要從在兩個不同IPv6網域以及IEEE 802.15.4網絡對映數據及管理網址，將會對設計形成嚴峻的挑戰。 6LoWPAN定義了封裝與表頭壓縮機制，讓Ipv6封包能透過IEEE 802.15.4網絡進行傳送與接收。

其中一個例子便是Thread，這個技術文件不公開(Closed-Documentation)但免授權金的通訊協議可運行于6LoWPAN基礎上，以支持各種自動化應用。

因應此一趨勢，半導體組件商如亞德諾半導體(ADI)，便針對AduCx系列微控制器，以及Blackfin系列DSP提供支持有線網絡協議的全套無線模擬收發器。 像是低功耗無線大功率收發模塊方案--ADRF7242，支持IEEE 802.15.4協議，提供可自設的數據傳輸率與多種調變機制，并采用全球通用的ISM頻段，其傳輸速率從50kbps涵蓋到2000kbps， 并能通過相關的美規FCC與歐規ETSI標準的認證。

另一款產品ADRF7023則采用全球各地免執照ISM頻段，包括433MHz、868MHz，以及915MHz，傳輸速率從1kbps到300kbps。 該公司提供一個完整的WSN開發平臺，讓用戶自行設計客制化解決方案。

例如RapID Platform平臺包含一系列模塊與開發工具包，可以用來嵌入各種工業網絡協議。 SmartMesh無線傳感器包含多款芯片及預先驗證的PCB電路板模塊，并且配備有網狀網絡聯網軟件，讓傳感器能夠在各種嚴苛的工業物聯網環境中進行通訊。

(本文作者為ADI自動化能源及傳感器產品工程經理)