工業(yè)聯(lián)網(wǎng)機(jī)器能感測(cè)種類眾多的信息，而這些信息可用來(lái)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)環(huán)境中制定關(guān)鍵決策。位于邊緣節(jié)點(diǎn)內(nèi)的傳感器可能遠(yuǎn)離任何數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)(DataAggregationPoint)，在其過(guò)程中，必須透過(guò)網(wǎng)關(guān)才能鏈接，而這類網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)向網(wǎng)絡(luò)傳送邊緣數(shù)據(jù)。

傳感器構(gòu)成IIoT體系的前端，我們藉由量測(cè)數(shù)據(jù)，將所感測(cè)到的信息轉(zhuǎn)成可量化的數(shù)據(jù)，例如壓力、排水量或旋轉(zhuǎn)次數(shù)。而數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)過(guò)濾之后，則會(huì)挑選出最寶貴的信息，之后從節(jié)點(diǎn)回送到后端系統(tǒng)進(jìn)行處理。低延遲的聯(lián)機(jī)可讓系統(tǒng)在一收到關(guān)鍵數(shù)據(jù)后便能立即進(jìn)行關(guān)鍵決策。

邊緣節(jié)點(diǎn)一般都必須透過(guò)有線或無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)(WSN)連接至網(wǎng)絡(luò)。在這段訊號(hào)鏈中，數(shù)據(jù)完整性仍非常重要。如果通訊不連續(xù)、斷線或質(zhì)量下降，優(yōu)化感測(cè)與量測(cè)的數(shù)據(jù)就沒(méi)有價(jià)值可言。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，最先考慮到的就是穩(wěn)健的通訊協(xié)議。最佳選擇取決于各項(xiàng)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(duì)于如EtherNet/IP、KNX、DALI、PROFINET，以及ModbusTCP這類極度要求聯(lián)機(jī)穩(wěn)定性的技術(shù)而言，有線工業(yè)通訊扮演著關(guān)鍵角色。設(shè)置范圍深入廠區(qū)各角落的傳感器節(jié)點(diǎn)是使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通訊，而網(wǎng)關(guān)則依賴有線基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)鏈接到主系統(tǒng)。

傳感器節(jié)點(diǎn)須具備聯(lián)網(wǎng)能力

未來(lái)只有少數(shù)聯(lián)網(wǎng)IoT節(jié)點(diǎn)會(huì)單獨(dú)采用有線通訊，大多數(shù)這類裝置將會(huì)采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。高效率的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)鏈接策略，必須讓傳感器能設(shè)置在任何能感測(cè)到寶貴信息的位置，不能局限于目前已安裝通訊與電源設(shè)備的區(qū)域。

傳感器節(jié)點(diǎn)須具備一種和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊的方法。隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)框架對(duì)映到此類鏈接的更高階通訊協(xié)議，預(yù)期有線通訊部分仍會(huì)沿用以太網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)絡(luò)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(zhǔn)的，是因特網(wǎng)連接到云端服務(wù)器主機(jī)群之間的骨干線路。

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

工業(yè)環(huán)境無(wú)線網(wǎng)絡(luò)面臨多重挑戰(zhàn)

當(dāng)IIoT無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在考慮該采用何種通訊與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時(shí)，將發(fā)現(xiàn)自己正面臨著許多挑戰(zhàn)。他們必須從更高的立場(chǎng)來(lái)考慮以下限制:

．傳輸距離

．間歇或持續(xù)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(lián)網(wǎng)IIoT裝置數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)的距離。短距個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)(PAN)的傳輸距離為公尺等級(jí)(圖1)，如藍(lán)牙低功耗(BLE)這類技術(shù)就適合用來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行試營(yíng)運(yùn)。而傳輸距離達(dá)數(shù)百公尺的局域網(wǎng)絡(luò)(LAN)則可用來(lái)在同一棟建筑內(nèi)安裝各種自動(dòng)化傳感器。至于傳輸距離達(dá)數(shù)公里的廣域網(wǎng)(WAN)，其應(yīng)用則包括了在占地廣闊的農(nóng)場(chǎng)內(nèi)安裝各種農(nóng)業(yè)傳感器。

圖1短距離無(wú)線鏈接

所挑選的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)匹配工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)使用情境所需要的傳輸距離。舉例而言，對(duì)于傳輸距離數(shù)十公尺的室內(nèi)局域網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而言，4G手機(jī)網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜度與功率方面都不太合適。當(dāng)傳送數(shù)據(jù)距離面臨挑戰(zhàn)時(shí)，邊緣運(yùn)算就會(huì)是一種可行的替代方案。我們可以在邊緣節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，而不必將數(shù)據(jù)回傳到主系統(tǒng)進(jìn)行處理。

傳輸無(wú)線電波的功率強(qiáng)度和傳輸距離平方成反比。訊號(hào)功率強(qiáng)度和無(wú)線電波經(jīng)過(guò)的距離平方成反比，因此當(dāng)傳輸距離加倍，接收端收到無(wú)線電波的功率只有原始功率的四分之一。傳送輸出訊號(hào)功率每增加6dBm時(shí)，傳送距離就會(huì)增加一倍。

在理想的無(wú)障礙傳輸空間當(dāng)中，平方反比定律是唯一影響傳輸距離的因素。然而，現(xiàn)實(shí)世界的傳輸距離會(huì)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(huì)吸收射頻能量。金屬物體則會(huì)反射無(wú)線電波，造成二次訊號(hào)(SecondarySignals)在不同時(shí)間點(diǎn)抵達(dá)接收端，另外額外的功率耗損也會(huì)形成破壞性的干擾。

無(wú)線電接收器靈敏度會(huì)決定最大傳播路徑損耗。舉例來(lái)說(shuō)，在2.4GHz工業(yè)/科學(xué)/醫(yī)療(ISM)頻段，最小接收器靈敏度為–85dBm。RF輻射能均勻朝各方向傳播，強(qiáng)度等高線會(huì)形成一個(gè)球狀(A=4πR2)，其中R是發(fā)送端到接收端之間的距離，單位為公尺。根據(jù)弗林斯(Friis)傳輸公式，自由空間損耗(FSPL)和發(fā)送端與接收端之間的距離平方以及無(wú)線電訊號(hào)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(hào)波長(zhǎng)，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(jù)FPSL推算出傳送與接收端的數(shù)據(jù)。鏈路預(yù)算如公式1所示。

Receivedpower(dBm)=Transmittedpower(dBm)+gains(dB)–losses......公式1

帶寬與鏈接

帶寬是指單位時(shí)間內(nèi)傳送數(shù)據(jù)的速率。帶寬局限了IIoT傳感器節(jié)點(diǎn)搜集數(shù)據(jù)以及傳出數(shù)據(jù)的最大速率。所考慮的因素如下:

．每個(gè)裝置在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量。

．部署并匯集到某個(gè)網(wǎng)關(guān)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

．考慮持續(xù)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(shí)段的需求。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的封包大小應(yīng)配合傳輸數(shù)據(jù)的量。傳輸封包若塞滿空白數(shù)據(jù)，這種協(xié)議的效率就不高。但將較大塊的封包細(xì)切成許多較小的數(shù)據(jù)封包分開(kāi)傳送，也得付出耗費(fèi)資源的代價(jià)。IIoT裝置并不會(huì)隨時(shí)連上網(wǎng)絡(luò)，而是只會(huì)每隔一段時(shí)間傳送完數(shù)據(jù)后就脫機(jī)，藉以節(jié)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(jié)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(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀態(tài)，著手調(diào)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(shù)據(jù)所需耗用的電力。

網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)各種不同節(jié)點(diǎn)之間的互操作性勢(shì)必成為一大難題。業(yè)界傳統(tǒng)的作法是采用標(biāo)準(zhǔn)有線與無(wú)線通信協(xié)議，藉以維持因特網(wǎng)內(nèi)的互操作性。新興的IIoT產(chǎn)品由于必須配合新釋出技術(shù)的快速步調(diào)，而導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)化的工作困難重重。IIoT產(chǎn)業(yè)體系是建立在各項(xiàng)最佳技術(shù)的基礎(chǔ)之上，而這些技術(shù)則關(guān)乎市面上可取得的解決方案。如果技術(shù)被各界廣泛采納，那么達(dá)成長(zhǎng)期互操作性的機(jī)率就會(huì)更高。

安全

IIoT網(wǎng)絡(luò)安全性在系統(tǒng)中扮演三方面的重要角色：分別為機(jī)密性、完整性，以及真實(shí)性。要維持機(jī)密性，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)必須全程處在已知框架內(nèi)，不能泄露給外部裝置或被外部裝置截收。

而要維護(hù)數(shù)據(jù)完整性，訊號(hào)內(nèi)容則必須維持與發(fā)出時(shí)的狀態(tài)完全一致，不能被變更、截短或添增信息。至于要維持真實(shí)性，接收數(shù)據(jù)則必須確定來(lái)自預(yù)期的來(lái)源，排除其他來(lái)源的訊息。和偽節(jié)點(diǎn)進(jìn)行錯(cuò)誤的通訊，即是喪失真實(shí)性的例子。

即使是安全無(wú)虞的無(wú)線節(jié)點(diǎn)，一旦介接(Interfacing)到非安全的網(wǎng)關(guān)時(shí)，也會(huì)形成漏洞，使得有心人士能得到一個(gè)入侵的破口。數(shù)據(jù)時(shí)戳能協(xié)助辨識(shí)訊號(hào)是否經(jīng)過(guò)跳頻，以及透過(guò)側(cè)支頻道(SideChannel)重新傳輸。時(shí)戳還能用來(lái)正確重組亂序傳輸?shù)年P(guān)鍵數(shù)據(jù)，讓傳輸封包經(jīng)過(guò)眾多非協(xié)調(diào)運(yùn)行的傳感器之后還能還原出原始數(shù)據(jù)。

AES-128加密標(biāo)準(zhǔn)的安全支持，可依循IEEE802.15.4以及IEEE802.11內(nèi)的AES-128/256規(guī)范。密鑰管理、譯密質(zhì)量的亂碼生成(RNG)，以及網(wǎng)絡(luò)接取控制列表(ACL)，這些都有助于提高通訊網(wǎng)絡(luò)的安全屏障。

頻段

有些IoT無(wú)線傳感器會(huì)用到手機(jī)基礎(chǔ)建設(shè)中的有照頻段，不過(guò)這類傳感器通常屬于高耗電的裝置。其中一個(gè)例子就是車載資通訊系統(tǒng)，這類系統(tǒng)若想要將搜集到的行動(dòng)信息透過(guò)短距無(wú)線通信技術(shù)傳送出去，實(shí)務(wù)上并不可行。另一方面，其他許多低功耗工業(yè)應(yīng)用則是采用ISM頻段中的免執(zhí)照頻段。

IEEE802.15.4低功率無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)是許多任務(wù)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的理想技術(shù)，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(gè)頻道可供多射頻頻道跳頻之用(表1)。

全球各地可用的免執(zhí)照頻段，其物理層方面的支持并不一致。歐洲方面在868MHz頻率上提供600kHz寬的Channel0頻道，而北美則在915MHz上提供10個(gè)2MHz寬的頻段。全球其他地區(qū)則在2.4GHz頻率上提供5MHz寬的Channel11到Channel26頻道。

低功耗藍(lán)牙提供功耗大幅降低的解決方案。低功耗藍(lán)牙并不適合用來(lái)傳送檔案，比較適合傳送小量數(shù)據(jù)。低功耗藍(lán)牙的一大優(yōu)勢(shì)是滲透率遠(yuǎn)高于其他對(duì)手，目前已經(jīng)廣泛整合到各種行動(dòng)裝置。Bluetooth4.2核心規(guī)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(diào)變機(jī)制可達(dá)到1Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率。

為一個(gè)IIoT解決方案決定采用哪個(gè)最佳頻率時(shí)，應(yīng)該考慮到2.4GHzISM解決方案的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)

．在絕大多數(shù)國(guó)家都不必取得執(zhí)照。

．相同解決方案可以在各地市場(chǎng)銷售。

．83.5MHz的帶寬足夠分成多個(gè)頻道，透過(guò)多個(gè)頻道同步傳輸以達(dá)到高數(shù)據(jù)傳輸率。

．工作周期(DutyCycle)可達(dá)到100%。

．天線尺寸比1GHz頻段的天線來(lái)得還要小。

缺點(diǎn)

．相同輸出功率下，傳輸距離比1GHz頻段來(lái)得短。

．高滲透率衍生出許多干擾訊號(hào)。

通訊協(xié)議

在通訊系統(tǒng)中會(huì)運(yùn)用一整套規(guī)則與標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范數(shù)據(jù)如何構(gòu)成，以及如何控制數(shù)據(jù)的交換。例如開(kāi)放系統(tǒng)互連(OSI)模型就將通訊分成多個(gè)功能層，讓各界更容易建置可擴(kuò)充的互通網(wǎng)絡(luò)。OSI模型分成7層(圖2)，包括實(shí)體(PHY)、數(shù)據(jù)鏈路、網(wǎng)絡(luò)、傳輸、交談、表達(dá)，以及應(yīng)用等分層。

圖2OSI與TCP/IP模型

IEEE802.15.4與802.11(Wi-Fi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的是媒體訪問(wèn)控制(MAC)數(shù)據(jù)鏈結(jié)子層及物理層。彼此靠近的802.11基地臺(tái)可能各自使用其中一個(gè)非重疊頻道，以降低干擾效應(yīng)(圖3)。802.11g使用的調(diào)變機(jī)制為正交載波分頻多任務(wù)(OFDM)，以下我們將介紹一種比IEEE802.15.4還復(fù)雜的機(jī)制。

圖3全球通用IEEE802.15.4物理層Channel11至Channel26以及IEEE802.11gChannel1至Channel14頻道

鏈結(jié)層提供將無(wú)線電波訊號(hào)轉(zhuǎn)換成位數(shù)據(jù)，以及從位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬訊號(hào)的機(jī)制。這個(gè)分層還負(fù)責(zé)執(zhí)行可靠通訊，以及管理無(wú)線電頻道的存取作業(yè)。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳遞的路徑及尋址作業(yè)。在這個(gè)分層中，因特網(wǎng)協(xié)議(IP)負(fù)責(zé)提供IP網(wǎng)址，以及將IP封包從某個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

在網(wǎng)絡(luò)的兩端運(yùn)行應(yīng)用交談(Session)時(shí)，傳輸層會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的通訊交談程序。這個(gè)設(shè)計(jì)讓一個(gè)裝置能同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用，而每個(gè)應(yīng)用分別使用自己的通訊頻道。因特網(wǎng)上的連網(wǎng)裝置大多數(shù)是使用傳輸控制協(xié)議(TCP)來(lái)作為默認(rèn)的傳輸協(xié)議。

應(yīng)用層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的格式及控管工作，讓節(jié)點(diǎn)傳感器的特定應(yīng)用其傳輸數(shù)據(jù)流達(dá)到優(yōu)化。TCP/IP堆棧內(nèi)其中一個(gè)廣受歡迎的應(yīng)用層協(xié)議，便是超文本傳輸通訊協(xié)議(HTTP)，此協(xié)議是開(kāi)發(fā)來(lái)用于因特網(wǎng)上傳遞數(shù)據(jù)。

美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)FCCPart15規(guī)則將ISM頻段的有效傳輸功率限制在36dBm。其中一項(xiàng)例外，就是讓使用2.4GHz頻段的固定點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈結(jié)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(dá)到48dBm。傳輸功率應(yīng)至少能達(dá)到1毫瓦。想要使封包錯(cuò)誤率小于1%，那么接收器的靈敏度應(yīng)能接收到2.4GHz頻段的–85dBm訊號(hào)，以及接收868MHz與915MHz頻段上強(qiáng)度–9dBm的訊號(hào)。

舊地增建或新地設(shè)置

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)必須有眾多有線與無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)鼎力支持才能上線運(yùn)行，但想運(yùn)用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建構(gòu)IIoT則目前的選項(xiàng)數(shù)量并不多。新開(kāi)發(fā)的IIoT解決方案必須進(jìn)行調(diào)整才能融入網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

新地設(shè)置(Greenfield)是在全新環(huán)境中從頭創(chuàng)建新系統(tǒng)，不會(huì)有舊設(shè)備形成的限制與拘束。例如興建一處新工廠或倉(cāng)庫(kù)，可考慮將IIoT解決方案裝設(shè)在建筑物的鋼骨內(nèi)以達(dá)到最佳的效能。

舊設(shè)施增建(Brownfield)則是在現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)裝設(shè)IIoT網(wǎng)絡(luò)，面臨的挑戰(zhàn)會(huì)更加嚴(yán)峻。舊有網(wǎng)絡(luò)可能不適合用來(lái)運(yùn)行物聯(lián)網(wǎng)，但新的IIoT系統(tǒng)卻必須和任何已安裝的系統(tǒng)并存運(yùn)行，而這些舊系統(tǒng)往往是射頻干擾訊號(hào)的來(lái)源。開(kāi)發(fā)者必須承接舊環(huán)境中留下包括硬件、嵌入式軟件，以及先前設(shè)計(jì)決策所形成的限制。于是開(kāi)發(fā)流程變得極為繁瑣，須審慎仔細(xì)地分析、設(shè)計(jì)及測(cè)試。

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