工业联网机器能感测种类众多的信息,而这些信息可用来在工业物联网(IIoT)环境中制定关键决策。 位于边缘节点内的传感器可能远离任何数据汇集点(Data Aggregation Point),在其过程中,必须透过网关才能链接,而这类网关主要负责向网络传送边缘数据。

传感器构成 IIoT 体系的前端,我们藉由量测数据,将所感测到的信息转成可量化的数据,例如压力、排水量或旋转次数。 而数据经过过滤之后,则会挑选出最宝贵的信息,之后从节点回送到后端系统进行处理。 低延迟的联机可让系统在一收到关键数据后便能立即进行关键决策。

边缘节点一般都必须透过有线或无线传感器节点(WSN)连接至网络。 在这段讯号链中,数据完整性仍非常重要。 如果通讯不连续、断线或质量下降,优化感测与量测的数据就没有价值可言。 在设计系统架构时,最先考虑到的就是稳健的通讯协议。 最佳选择取决于各项链接需求,包括距离、带宽、功率、互操作性、安全性以及可靠性。

对于如 EtherNet/IP、KNX、DALI、PROFINET,以及 ModbusTCP 这类极度要求联机稳定性的技术而言,有线工业通讯扮演着关键角色。 设置范围深入厂区各角落的传感器节点是使用无线网络和网关进行通讯,而网关则依赖有线基础设施来链接到主系统。

传感器节点须具备联网能力
未来只有少数联网 IoT 节点会单独采用有线通讯,大多数这类装置将会采用无线网络。 高效率的工业物联网链接策略,必须让传感器能设置在任何能感测到宝贵信息的位置,不能局限于目前已安装通讯与电源设备的区域。

传感器节点须具备一种和网络进行通讯的方法。 随着工业物联网框架对映到此类链接的更高阶通讯协议,预期有线通讯部分仍会沿用以太网络。 以太网络的建置范围从 10Mbps 涵盖 100Gbps 以上的传输率。 而高阶速度部分通常瞄准的,是因特网连接到云端服务器主机群之间的骨干线路。

诸如 KNX 这类速度较慢的工业网络,其采用双绞铜线传送差动讯号,使用 30 伏特电力,总带宽为 9600bps。 由于每个网段(Segment)能支持的地址有限(256 个),因此寻址机制最高可支持 65,536 个装置。 每个网段最大传输距离为 1,000 公尺,用户可选择配置中继器,每个中继器最多支持 4 个网段。

工业环境无线网络面临多重挑战

当 IIoT 无线网络系统设计者在考虑该采用何种通讯与网络技术时,将发现自己正面临着许多挑战。 他们必须从更高的立场来考虑以下限制:

. 传输距离

. 间歇或持续式链接

. 带宽

. 功率

. 互操作性

. 安全性

. 可靠性

传输距离
这里所谓的距离,所指的是联网 IIoT 装置数据传送数据经过的距离。 短距个人局域网络(PAN)的传输距离为公尺等级(图 1),如蓝牙低功耗(BLE)这类技术就适合用来对设备进行试营运。 而传输距离达数百公尺的局域网络(LAN)则可用来在同一栋建筑内安装各种自动化传感器。 至于传输距离达数公里的广域网(WAN),其应用则包括了在占地广阔的农场内安装各种农业传感器。
 

图 1 短距离无线链接


所挑选的网络协议应匹配工业物联网使用情境所需要的传输距离。 举例而言,对于传输距离数十公尺的室内局域网络应用而言,4G 手机网络在复杂度与功率方面都不太合适。 当传送数据距离面临挑战时,边缘运算就会是一种可行的替代方案。 我们可以在边缘节点直接进行数据分析,而不必将数据回传到主系统进行处理。

传输无线电波的功率强度和传输距离平方成反比。 讯号功率强度和无线电波经过的距离平方成反比,因此当传输距离加倍,接收端收到无线电波的功率只有原始功率的四分之一。 传送输出讯号功率每增加 6dBm 时,传送距离就会增加一倍。

在理想的无障碍传输空间当中,平方反比定律是唯一影响传输距离的因素。 然而,现实世界的传输距离会因传输途径上包括墙壁、栅栏、植物等物体的阻隔而衰减。

此外,空气中的水气也会吸收射频能量。 金属物体则会反射无线电波,造成二次讯号(Secondary Signals)在不同时间点抵达接收端,另外额外的功率耗损也会形成破坏性的干扰。

无线电接收器灵敏度会决定最大传播路径损耗。 举例来说,在 2.4GHz 工业 / 科学 / 医疗(ISM)频段,最小接收器灵敏度为–85dBm。 RF 幅射能均匀朝各方向传播,强度等高线会形成一个球状(A= 4πR2),其中 R 是发送端到接收端之间的距离,单位为公尺。 根据弗林斯(Friis)传输公式,自由空间损耗(FSPL)和发送端与接收端之间的距离平方以及无线电讯号频率的平方成正比。

 



公式中的 Pt=传输功率单位为瓦,S=在距离 R 处的功率。

 


公式中的 Pr=接收功率,单位为瓦。

λ(传输讯号波长,单位为公尺)=c(光速)/ 频率 f(Hz)=3×108(m/s2)/f(Hz)或 300/f(MHz)

 

 


其中 f=传输频率

若已知传输频率以及要传送的距离,那么即可根据 FPSL 推算出传送与接收端的数据。 链路预算如公式 1 所示。

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

带宽与链接
带宽是指单位时间内传送数据的速率。 带宽局限了 IIoT 传感器节点搜集数据以及传出数据的最大速率。 所考虑的因素如下:

. 每个装置在经过一定时间后产生的数据总量。

. 部署并汇集到某个网关的节点数量。

. 考虑持续或间歇性高峰的传输模式,需要多少可用带宽才足以满足尖峰时段的需求。

网络协议的封包大小应配合传输数据的量。 传输封包若塞满空白数据,这种协议的效率就不高。 但将较大块的封包细切成许多较小的数据封包分开传送,也得付出耗费资源的代价。 IIoT 装置并不会随时连上网络,而是只会每隔一段时间传送完数据后就脱机,藉以节省电力或带宽资源。

功率与互操作性
如果使用电池的 IIoT 装置须要节省电力,那么装置只要一闲置就必须马上切换至休眠模式。 我们可依据不同的网络负载状态,着手调整装置的耗电模式,如此将有助于让装置的供电与电池容量能够配合传送必要数据所需耗用的电力。

网络中可能出现各种不同节点之间的互操作性势必成为一大难题。 业界传统的作法是采用标准有线与无线通信协议,藉以维持因特网内的互操作性。 新兴的 IIoT 产品由于必须配合新释出技术的快速步调,而导致标准化的工作困难重重。 IIoT 产业体系是建立在各项最佳技术的基础之上,而这些技术则关乎市面上可取得的解决方案。 如果技术被各界广泛采纳,那么达成长期互操作性的机率就会更高。

安全
IIoT 网络安全性在系统中扮演三方面的重要角色:分别为机密性、完整性,以及真实性。 要维持机密性,网络数据必须全程处在已知框架内,不能泄露给外部装置或被外部装置截收。

而要维护数据完整性,讯号内容则必须维持与发出时的状态完全一致,不能被变更、截短或添增信息。 至于要维持真实性,接收数据则必须确定来自预期的来源,排除其他来源的讯息。 和伪节点进行错误的通讯,即是丧失真实性的例子。

即使是安全无虞的无线节点,一旦介接(Interfacing)到非安全的网关时,也会形成漏洞,使得有心人士能得到一个入侵的破口。 数据时戳能协助辨识讯号是否经过跳频,以及透过侧支频道(Side Channel)重新传输。 时戳还能用来正确重组乱序传输的关键数据,让传输封包经过众多非协调运行的传感器之后还能还原出原始数据。

AES-128 加密标准的安全支持,可依循 IEEE 802.15.4 以及 IEEE 802.11 内的 AES-128/256 规范。 密钥管理、译密质量的乱码生成(RNG),以及网络接取控制列表(ACL),这些都有助于提高通讯网络的安全屏障。

频段
有些 IoT 无线传感器会用到手机基础建设中的有照频段,不过这类传感器通常属于高耗电的装置。 其中一个例子就是车载资通讯系统,这类系统若想要将搜集到的行动信息透过短距无线通信技术传送出去,实务上并不可行。 另一方面,其他许多低功耗工业应用则是采用 ISM 频段中的免执照频段。

IEEE 802.15.4 低功率无线通信标准是许多任务业物联网应用的理想技术,其采用的频段包括 2.4GHz、915MHz,以及 868MHz 部分的 ISM 频段,总共有 27 个频道可供多射频频道跳频之用(表 1)。

 

 

 

 

 



全球各地可用的免执照频段,其物理层方面的支持并不一致。 欧洲方面在 868 MHz 频率上提供 600kHz 宽的 Channel 0 频道,而北美则在 915MHz 上提供 10 个 2MHz 宽的频段。 全球其他地区则在 2.4 GHz 频率上提供 5MHz 宽的 Channel 11 到 Channel 26 频道。

低功耗蓝牙提供功耗大幅降低的解决方案。 低功耗蓝牙并不适合用来传送档案,比较适合传送小量数据。 低功耗蓝牙的一大优势是渗透率远高于其他对手,目前已经广泛整合到各种行动装置。 Bluetooth 4.2 核心规格采用的是 2.4GHz 的 ISM 公用频段,传输距离为 50 到 150 公尺,使用高斯(Gaussian)频移调变机制可达到 1Mbps 的数据传输率。

为一个 IIoT 解决方案决定采用哪个最佳频率时,应该考虑到 2.4GHz ISM 解决方案的优点与缺点:

优点
. 在绝大多数国家都不必取得执照。

. 相同解决方案可以在各地市场销售。

. 83.5MHz 的带宽足够分成多个频道,透过多个频道同步传输以达到高数据传输率。

. 工作周期(Duty Cycle)可达到 100%。

. 天线尺寸比 1GHz 频段的天线来得还要小。

缺点
. 相同输出功率下,传输距离比 1GHz 频段来得短。

. 高渗透率衍生出许多干扰讯号。

通讯协议
在通讯系统中会运用一整套规则与标准来规范数据如何构成,以及如何控制数据的交换。 例如开放系统互连(OSI)模型就将通讯分成多个功能层,让各界更容易建置可扩充的互通网络。 OSI 模型分成 7 层(图 2),包括实体(PHY)、数据链路、网络、传输、交谈、表达,以及应用等分层。

 

 

 

图 2 OSI 与 TCP/IP 模型


IEEE 802.15.4 与 802.11(Wi-Fi)标准规范的是媒体访问控制(MAC)数据链结子层及物理层。 彼此靠近的 802.11 基地台可能各自使用其中一个非重迭频道,以降低干扰效应(图 3)。 802.11g 使用的调变机制为正交载波分频多任务(OFDM),以下我们将介绍一种比 IEEE 802.15.4 还复杂的机制。

 

 

 


图 3 全球通用 IEEE 802.15.4 物理层 Channel 11 至 Channel 26 以及 IEEE 802.11g Channel 1 至 Channel 14 频道
链结层提供将无线电波讯号转换成位数据,以及从位数据转换成模拟讯号的机制。 这个分层还负责执行可靠通讯,以及管理无线电频道的存取作业。 网络层负责控制数据在网络上传递的路径及寻址作业。 在这个分层中,因特网协议(IP)负责提供 IP 网址,以及将 IP 封包从某个节点传到另一个节点。

在网络的两端运行应用交谈(Session)时,传输层会产生对应的通讯交谈程序。 这个设计让一个装置能同时运行多个应用,而每个应用分别使用自己的通讯频道。 因特网上的连网装置大多数是使用传输控制协议(TCP)来作为默认的传输协议。

应用层负责数据的格式及控管工作,让节点传感器的特定应用其传输数据流达到优化。 TCP/IP 堆栈内其中一个广受欢迎的应用层协议,便是超文本传输通讯协议(HTTP),此协议是开发来用于因特网上传递数据。

美国联邦通讯委员会 FCC Part 15 规则将 ISM 频段的有效传输功率限制在 36dBm。 其中一项例外,就是让使用 2.4GHz 频段的固定点对点链结能使用 24dBi 增益的天线,以及 24dBm 传输功率,让总有效等向射频功率(EIRP)达到 48dBm。 传输功率应至少能达到 1 毫瓦。 想要使封包错误率小于 1%,那么接收器的灵敏度应能接收到 2.4GHz 频段的–85dBm 讯号,以及接收 868MHz 与 915MHz 频段上强度–9dBm 的讯号。

旧地增建或新地设置
工业物联网必须有众多有线与无线标准鼎力支持才能上线运行,但想运用现有网络系统建构 IIoT 则目前的选项数量并不多。 新开发的 IIoT 解决方案必须进行调整才能融入网络环境。

新地设置(Greenfield)是在全新环境中从头创建新系统,不会有旧设备形成的限制与拘束。 例如兴建一处新工厂或仓库,可考虑将 IIoT 解决方案装设在建筑物的钢骨内以达到最佳的效能。

旧设施增建(Brownfield)则是在现有基础设施内装设 IIoT 网络,面临的挑战会更加严峻。 旧有网络可能不适合用来运行物联网,但新的 IIoT 系统却必须和任何已安装的系统并存运行,而这些旧系统往往是射频干扰讯号的来源。 开发者必须承接旧环境中留下包括硬件、嵌入式软件,以及先前设计决策所形成的限制。 于是开发流程变得极为繁琐,须审慎仔细地分析、设计及测试。

网络拓扑
IEEE 802.15.4 协议提供两种装置类别。 全功能装置(FFD)可用在任何拓扑,并能和任何其他装置通讯,作为 PAN 协调器(Coordinator)。 精简功能装置(RFD)则仅能装在星状拓扑,且不能作为网络协调器。 在 IEEE 802.15.4 规范的简单建置环境中只需要一个网络协调器。 用户可根据应用形态挑选适合的网络模型,包括对等式(Peer-to-peer)、星型、网状以及多点跳跃(Multihop)(图 4)。

 

 

 

图 4 对等式、星型、网状及多点跳跃拓扑


对等式拓扑网络将两个节点简单地链接,但没有运用任何智能来扩大网络链接距离。 这种拓扑的组建速度快,但一旦有节点故障时整个网络就会停摆,完全没有冗余性可言。

星型拓扑则延展了幅射状网络的距离,并拉大两个节点之间的传输长度,如同使用 FFD 节点一般,主控端能和多个 RFD 节点进行通讯,但每个 RFD 节点仍然只能和路由器通讯。 只要不是 FFD,这种拓扑中即使有一个节点故障(Single Point of Failure),整个网络还能继续运作。

网状网络拓扑让任何节点能跳过其他节点相互通讯,藉此提供冗余的通讯路径以提高网络的强度。 智能网状拓扑网络能以最少跳跃的路径进行通讯,藉以减少耗电与传输延迟。 这种具备自我组网(Self-Organization)机制的拓扑能因应环境变化进行调适,允许节点自由加入网络或从网络抽离。

可靠性
IIoT 用户最重视的就是可靠度与安全性。 组织通常会依赖大型复杂丛集来执行数据分析,但这些系统往往在包括数据传输、建立索引、撷取数据、转型,以及负载处理等方面出现瓶颈。 想要在下游丛集避免出现瓶颈,那么每个边缘节点须进行高效率的通讯就变得非常重要。

工业环境对于高效率射频电波传递而言是极为严苛的场所。 大型、不规则形状、高密度设置的金属材质厂房设备、水泥墙、隔间及金属货架,都会产生多路径电波传递的状况。

电波朝各方向从发送端天线射出, 「多路径」则是指电波经过环境传播(Environmental Propagation)后在传抵接收器之前出现波形变化的状况。 接收器看到的入射波分成三类,分别为反射、绕射以及散射。 多路径传递的电波在振幅与相位方面可能出现变化,导致目的地接收器会看到受到相长干扰或相消干扰的讯号。

CSMA-CA 频道接取
载波侦测多路接取与碰撞避免(CSMA/CA)是一种数据链结层的通讯协议,其中网络节点会采用载波侦测机制。 节点只有在侦测到传输频道闲置时才会一次传送整个封包数据。 无线网络中的隐藏节点并不在其他节点侦测范围内。 图 5 显示例子中,远在传输边缘处的节点还能看到基地台「Y」,但无法看到另一边的节点 X 或 Z。

 

 

 

图 5 隐藏节点 X 与 Z 无法直接通讯。


交握(Handshaking)程序运用 RTS/CTS 建置出虚拟载波感测机制,只须发出短要求讯息即可传送与清空数据,以这种流程来传递 WLAN 数据。 802.11 主要依赖实体载波感测,而 IEEE802.15.4 则是采用 CSMA/CA 机制。 为克服这些隐藏节点问题,业界则混用 RTS/CTS 交握及 CSMA/CA。 在情况允许下,提高隐藏节点传输功率可拉长观测的距离。

为改善带宽,各界研发出各种先进调变机制来调制讯号的相位、振幅、或频率。 正交相移键控(QPSK)这种调变机制采用四个相位,将每个符元编码成两个位的数据。

运用调变机制有效改善带宽
正交调变采用混合架构(图 6),藉由相位移动来减少对讯号带宽的需求。 二元(Binary)数据切分成两个连续的位,并以ωc 载波、sinωct,以及 cosωct 三角函式的正交相位进行调变。

 

 

 

 

图 6 偏移 QPSK 调变架构


在 2.4GHz ISM 频段上运行的 IEEE 802.15.4 收发器采用一种 QPSK 衍生型物理层,名为偏移 QPSK、O-QPSK,或交错 QPSK。 在位传输流中加入一个单数据位(Tbit)偏移时间常数,它将数据偏移符元周期一半的时间,藉以避免同时传送节点 X 与节点 Y 的讯号波形,防止波型重迭而产生干扰。 连续相位差(Step)永远不会超过正负 90 度(图 7)。 O-QPSK 其中一个缺点便是不允许差动式编码,但其的确排除了同调检测(Coherent Detection)方面的难题。

 

 

 

 

图 7 相位转变±90°(左)与 I/Q O-QPSK 选项(右)


IEEE 802.15.4 采用的调变机制降低了传送与接收数据的符元率。 O-QPSK 调变机制同时传送两个编码位,采用 1 比 4 的符元率:比特率。 因此 62.5ksymbols/sec 的符元率可达到 250kbps 的数据传输率。

因应网络成长 寻址机制再扩充
并不是所有物联网节点都需要外部 IP 网址。 在专用通讯方面,传感器节点应能支持独一无二的 IP 网址。 IPv4 支持 32 位寻址机制,这种在数十年前制定的技术仅能支持 43 亿个装置,如今已无法因应因特网成长的需求。 IPv6 将寻址机制提高到 128 位,而能支持 240 乘以 10 的 36 次方个全局独一网址(GUA)装置。

要从在两个不同 IPv6 网域以及 IEEE 802.15.4 网络对映数据及管理网址,将会对设计形成严峻的挑战。 6LoWPAN 定义了封装与表头压缩机制,让 Ipv6 封包能透过 IEEE 802.15.4 网络进行传送与接收。

其中一个例子便是 Thread,这个技术文件不公开(Closed-Documentation)但免授权金的通讯协议可运行于 6LoWPAN 基础上,以支持各种自动化应用。

因应此一趋势,半导体组件商如亚德诺半导体(ADI),便针对 AduCx 系列微控制器,以及 Blackfin 系列 DSP 提供支持有线网络协议的全套无线模拟收发器。 像是低功耗无线大功率收发模块方案 --ADRF7242,支持 IEEE 802.15.4 协议,提供可自设的数据传输率与多种调变机制,并采用全球通用的 ISM 频段,其传输速率从 50kbps 涵盖到 2000kbps, 并能通过相关的美规 FCC 与欧规 ETSI 标准的认证。

另一款产品 ADRF7023 则采用全球各地免执照 ISM 频段,包括 433MHz、868MHz,以及 915MHz,传输速率从 1kbps 到 300kbps。 该公司提供一个完整的 WSN 开发平台,让用户自行设计客制化解决方案。

例如 RapID Platform 平台包含一系列模块与开发工具包,可以用来嵌入各种工业网络协议。 SmartMesh 无线传感器包含多款芯片及预先验证的 PCB 电路板模块,并且配备有网状网络联网软件,让传感器能够在各种严苛的工业物联网环境中进行通讯。