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工業4.0趨勢下的低功耗無線網通方案選擇

  • DIGITIMES企劃

ZigBee低功耗無線傳輸方案,可支援電池驅動的感測終端長達數年的運行應用,為工業物聯網應用重點無線傳輸技術。Telegesis

聯網技術為工業4.0物聯網的應用基礎,在有線與無線網路技術中以無線技術最容易佈署、使用彈性高,但要能達到萬物(things)聯網應用選擇無線網路進行佈署,不但要考量網通技術的性能、功耗與整合難度外,是否能順暢連結網際網路確實執行遠端控制與自動化執行,就成為網通技術選擇關鍵...

傳統工業轉型至工業4.0應用,最關鍵的部份即物聯網銜接的網通技術標準,為了面對萬物聯網的應用需求,在挑選導入的網通技術選項就成為相當關鍵的重點。以工業4.0的物聯網應用檢視,聯網的終端可以廣泛地以對功耗相對敏感、使用空間相對受限的終端設計,而這個系統(或是可稱為控制終端)通常也整合了微控制器(Microcontroller Unit;MCU)、無線(RF)收發器、感測器與系統韌體/軟體等。

無線網通技術方案多元,針對不同應用領域對應適用網通解決方案,在低功耗應用方面仍以802.15.4網狀網路解決方案表現最為搶眼。GreenPeak Technologies

適用於IoT應用的網通技術。

低功耗網通技術多元  仍需針對應用選擇傳輸方案

目前物聯網應用終端多數選擇Wi-Fi、Bluetooth Smart、Thread等無線網通技術,其中較新穎的Thread網通技術不僅針對物聯網應用與低功耗問題重點優化,在大廠帶頭下也極可能成為新一代物聯網應用的重要無線網通技術選項。

Thread是一個針對物聯網用途優化的無線網路技術方案,Thread與Wi-Fi、Bluetooth等無線網通技術近似,但實際上Wi-Fi網通技術在耗電方面一直是問題,而Bluetooth在各方面又顯得無法滿足物聯網應用需求,至於Z-Wave在技術方案方面顯得較為封閉,至於ZigBee方案又太過發散,反而將物聯應用設為重點項目的Thread更具規格優勢。

尤其是物聯網應用在網通傳輸數據上,並不追求Gbps或Mbps以上的高速傳輸,在實際應用場合頂多在Kbps水準就能滿足應用需求,相對的系統設計更需要物聯網終端能達到數周甚至數個月的運行時間,使用電池做為核心驅動電力來源的終端系統,九成希望電池提供的電力支援能越久越好,同時,採行電池供電、搭配無線化應用佈署的物聯網系統,也更能達到快速佈署應用環境與簡化維護的設計目的。

反觀同屬低功耗優勢基礎的Bluetooth網通技術方案,雖在Bluetooth SIG宣稱在4.1版本釋出,已可透過Bluetooth網通方案建構低功耗無線物聯網應用,但實際上Bluetooth 4.1在支援物聯網應用仍有相當多技術層面需要補強,類似的狀況在Z-Wave網通技術也有擴展受限的問題,因為Z-Wave網通技術在晶片供應商相對有限,也導致推進物聯應用市場顯得遲滯。

可擴展IP與安全傳輸  為物聯網應用重點

物聯網終端再透過網路橋接(無線或有線網路)至網際網路,進而進行遠端的遠程遙控、或透過程式/人工智能進行自動化運行,而應用上已有多種無線通訊技術可實踐物聯終端連結至網際網路的使用需求,但是針對物聯網要求的低功耗、可擴展IP與安全性要求方面,能選用的通訊協定就相當有限。

在IoT(Internet of Things)物聯網應用中,主要以802.15.4、Bluetooth Smart與Wi-Fi為三大主流網狀網路通訊協議方案,其中Wi-Fi目前已是家用無線網路應用的主流技術方案,具備傳輸性能高、建置成本低廉,因應高解析度影音、大量多媒體影音傳輸具備即佳使用體驗,然而其傳輸運行過程的功耗相對較大,若終端為以電池為核心能源供應來源的設備,實際佈署使用的實用性會因為功耗過大而受到限制。

Bluetooth Smart功耗表現佳  在進階方案中才有加入IP支援

Bluetooth Smart是由智慧手機點對點網路Bluetooth網通方案進階衍伸的超低功耗無線傳輸版本,在智慧手機應用上已有極佳的低功耗無線傳輸表現,對於採電池供電的設備具備極佳應用價值,但Bluetooth Smart無線網通技術方案並不支援IP網路,必須是更進階的Bluetooth Core Specification 4.2網通方案才能獲得低功耗Low-power IP(IPv6/6LoWPAN)的應用支援。

而在IoT應用環境的特殊性使然,在網狀網路ZigBee/ZigBee Pro或是以ZigBee為基礎擴展的Thread網通方案,由於發展基礎為針對低功耗甚至極低功耗無線傳輸技術方案802.15.4網狀網路解決方案擴展而來,在發展家庭甚至進階的工業物聯網應用方面,802.15.4網狀網路解決方案已成為相當重要的技術方案,不僅廣泛用於家庭自動化的物聯網應用,再針對低頻寬無線傳輸的自動化/自動控制應用場合,802.15.4網狀網路解決方案在終端可以使用電池驅動維持多年設備運行的優異功耗表現,成為物聯網核心應用的重要關鍵。

ZigBee仍為工業物聯網應用主流

另一方面,ZigBee與Thread在技術方案較為接近,但在針對物聯應用、終端聯網的支援部分,因為Thread網通技術方案在釋出時即表態支持6LoWPAN(IPv6 over Wireless Personal Area Network),在運行無線資料傳輸產生的功耗可以與ZigBee或Bluetooth達到相同的省電表現,也是在這波物聯網應用中成為相當熱門的無線網通技術。至於ZigBee技術方案本身,由於發展較早,面對不同應用型態(Application Profile)在多元應用環境的對應方案較為齊全,像是ZigBee在網路層就有ZigBee、ZigBee PRO、RF4CE、ZigBee IP等,每種重點方案又有多種應用型態,後續應用發展值得持續關注。

比較明確的是,Thread在各方面都可以發現是針對物聯網無線網通應用優化的技術方案,但實際上Thread在技術規劃出發點仍以家庭自動化應用為主,因此Thread可以支援的終端裝置節點達200多個,相對在ZigBee應用節點達255個就顯得略少一些,若是進階版本的ZigBee PRO節點號稱支援數達65,536個裝置節點,在面對高複雜度的產業應用如工業生產流程的監控節點、智慧電網(Smart Grid)的大範圍智慧電錶監控應用,反而是ZigBee無線網通方案更具整合效益、同時在系統可擴展性的支援上相對較Thread技術方案更具優勢。

從技術方案的基礎檢視,Thread可以說是ZigBee針對家庭應用需求優化的低功耗無線網通方案,網通技術的基礎為由ZigBee進一步擴展整合,並針對家庭應用環境最佳化的網通技術,與其他針對家庭應用需求推出的Z-Wave、Bluetooth、Wi-Fi等網通技術搶攻家庭物聯應用市場,至於工業應用範疇,仍以ZigBee為基礎進行擴展的進階低功耗網通技術,較能符合實際的工業4.0的進階整合應用需求。