比較工業自動化的無線通訊協定

第四代工業革命 (工業 4.0) 賦予機器更多智慧，並且以更高效率和彈性讓設施自動化。如此增加了系統複雜性，促使工業環境採用無線通訊。畢竟，工業 4.0 智慧機器和模組化自動化由以下定義：

• 安全和可適用的控制連接能力
• 產品製程價值的蒐集和持續調整
• 預測性維護常規的機器狀態監測
• 大數據分析能力的網路連接

支援這些功能的無線技術基於蜂巢式、Wi-Fi、藍牙，以及 IEEE 802.15.4 標準和通訊協定。由於設計工程師期望不同廠商的元件能相容，也就是必須可透過業界標準介面而非獨有的介面進行連接。事實上，互通性只是工業 4.0 的其中一個觀點。

圖 1：無線連接是整合材料以處理和協作機器人任務的關鍵。(圖片來源： Getty Images)

具備無線通訊的獨立裝置通常會比有線網路貴。不過，即使這會以不同方式增加前期成本，但無線裝置以長期來看，通常證明為最具有成本效益的選項。這是由於在生產區佈線的成本可能十分高昂。需要花費心力安排纜線和其連接器的路由。加上纜線所需的防護和實體支撐 (如纜線托盤或載架)，以及需要接線盒與其他配件。計畫、訂購、安裝所有纜線相關的五金也會加長實作網路的時間。

自動化的 Wi-Fi 架構標準

電機電子工程師學會 (IEEE) 在 1997 年發布 802.11 標準，定義區域網路 (LAN) 的標準無線實作。為確保市場徹底運用此標準，業界同盟 Wi-Fi 聯盟也跟進遵循；由相關無線裝置公司建立測試和認證計畫，保持跨供應商產品的互通性。今日，IEEE 802.11 定義的 Wi-Fi 標準由附加的 Wi-Fi 聯盟標準化補充，讓遵循要求的裝置達到絕佳可靠的相容性。

圖 2：工業 4.0 (亦稱工業物聯網，IIoT) 不可避免的與無線技術緊密結合。採用標準化介面可讓多種裝置和運算系統連接，這些無線技術包含用作 HMI (如圖所示) 的行動裝置，以及用來為機器狀態通訊的其他無數無線現場元件。(圖片來源： Getty Images)

雖然說 Wi-Fi 在監測應用和連接機器至企業級系統上十分實用，但其連接穩定性問題會讓與機器控制相關的高要求工業自動化應用受限。這表示，在今日工業應用中的 Wi-Fi 大多受限，只能用於寬鬆的需求。包括：

• 傳輸資料至製造執行系統 (MESs) 的條碼掃描器，可接允許 1 或 2 秒的延遲
• 不參與即時控制功能的動作感測器
• 具有感測器的長期機器狀態監測，例如加速計 (追蹤隨時間的振動產生)，以及溫度、壓力、濕度、氣體密度感測器，用於監測設備效率和健康

圖 3：雖然 Wi-Fi 不適合用於機器控制，卻在機器監測應用和連接廠區至企業級系統時非常實用。(圖片來源：Wi-Fi 聯盟)

Wi-Fi 曾試圖被運用於工業控制應用中，但大多不太成功。也有例外，工業無線網絡標準技術 (WIA-PA) 是成功採用於 IIoT 的通訊協定，這是中國的工業無線通訊標準之一。

Wi-Fi 同樣以 2.4 或 5 GHz 運作，更高的頻率則可達到更快的資料傳輸，但由於採用較高頻率，因此範圍縮減，且通過牆壁和其他固體物質時更易散失。用於其他頻帶的特殊標準。舉例而言，IEEE 802.11ah 低數據 Wi-Fi (HaLow Wi-Fi) 在約 900 MHz 操作，並且通常用於需要延伸範圍和超低功耗的感測器。另外一個極端是 IEEE 802.11ad Wi-Fi (WiGig)，在約 60 GHz 下操作，提供超快速資料傳輸。

IEEE 802.15.4 架構無線標準

其他無線選項為 低傳輸率無線個人區域網路 (LR-WPAN)，由 IEEE 802.15.4 標準定義。LR-WPAN 技術將低成本和低功率視為優先，而非速度和範圍。基本規格可允許資料傳輸率達到 250 kbit/s，範圍為 10 m，採用 LR-WPAN 通訊的技術旨在用於允許低成本裝置之間不需要任何額外通訊基礎架構，即可進行通訊。基於 IEEE 802.15.4 標準的通訊協定，例如 6LoWPAN、WirelessHART、ZigBee 快速成為的 IIoT 通訊協定的首選。

1.WirelessHART：由 HART 通訊基金會、ABB、Siemens 等廠商支援的一項 802.15.4 架構通訊協定。這是受到良好支援且耐用的標準，適用於工業自動化應用。透過採用跳頻網狀網路及時間同步，維持可靠的網路連線。相較之下，大多數基於 Wi-Fi 和蜂巢式技術的無線通訊協定使用較不穩定的星狀網路拓撲，需將所有裝置連接與中央裝置連接。所有的通訊都採用 128 位元 AES 加密，且可以緊密控制使用者存取。

圖 4：LTP5903-WHR SmartMesh 網路管理工具支援有線供電 WirelessHART 閘道，能讓工程師整合標準架構無線感測器網路，用於可擴充雙向通訊。(圖片來源：Analog Devices)

WirelessHART 使用網狀拓撲，資料可以在裝置間直接進行路由。這能延伸網路範圍，並且形成備援通訊路徑。如此一來，如果其中一個路徑失效，傳送方會自動切換至備援路徑。跳頻也可讓 WirelessHART 避免干擾問題。

2.6LoWPAN： IPv6 低功率無線個人區域網路 (通常稱為 6LoWPAN) 通訊協定允許 IPv6 封包透過 IEEE 802.15.4 架構進行傳輸。這能讓超低功率裝置連接至網際網路，因此此通訊協定非常適合用於 IoT 感測器和其他低供電裝置。

3.ZigBee：由 Zigbee 聯盟維護，最廣泛用於智慧家庭和大樓自動化應用，ZigBee 可能是建立最久的 IEEE 802.15.4 架構通訊協定。此協定能讓節點在大多數時間維持睡眠模式，進而大幅延伸電池續航力。ZigBee 通常在 2.4 GHz 頻帶下運作，並具有 250 kbit/s 的固定資料傳輸率。可支援多種網路拓撲，包含星狀、樹狀、網狀。樹狀和網狀拓撲可延伸網路範圍。

圖 5：Zigbee 適用於工業環境中的動作、振動、濕度、溫度和存在感測器，以及其他應用。(圖片來源：Zigbee 聯盟)

工業自動化的低功耗藍牙和蜂巢式 IoT

低功耗藍牙 (BLE) 是 IEEE 802.15.4 的替代品，適用於優先考量低成本和低功率，能在速度及範圍折衷的應用。如同標準藍牙，以同樣的 2.4 GHz 頻率運作。低功耗藍牙的最大優勢在於受行動作業系統的原生支援，例如開放手機聯盟的 Android、Apple 的 iOS，以及各種 Microsoft 的 Windows 版本。加上大型電子供應商 (如 Logitech Corp.) 對此投入最多研發，因此低功耗藍牙至今仍是消費型裝置的主要無線連線選項。WirelessHART 則一直都著重於 IIoT 應用。

圖 6：低功耗藍牙 (BLE) 標準具有序列埠設定檔，系統認定為全序列介面，在採用 BLE 連接的升級裝置替代有線裝置時非常實用。(圖片來源：藍牙技術聯盟)

儘管如此，過去數年可見零零散散的感測器、遙控、鎖、手持式裝置採用低功耗藍牙於工業自動化任務中。此趨勢在未來可能會上升。

與 BLE 和 IEEE 802.15.4 架構通訊協定的低功率短距通訊相較，蜂巢式技術提供遠距無線通訊。2G GSM 蜂巢式通訊協定，大多已由 3G 和 4G 高速蜂巢式通訊協定取代，常見於行動電話和 IoT 裝置。需注意的是，蜂巢式通訊消耗大量功率，所以在工業應用中 (特別是採用此連線能力的機器)，系統會連接至永久有線供電電源。蜂巢式 LTE 類別有最大資料傳輸率，也具有高功耗。LTE Cat-0 和 Cat-1 連接性適合 IoT 裝置。相反地，LTE-M 是低功率蜂巢式通訊協定，專門針對機器對機器和 IoT 應用所設計。

雖然相對廣泛地用於行動電話中，但在工業 5G 應用方面較不成熟。這是由於消費者最重視下載速度 (因此能快速因應 5G 裝置的推出)，但 IIoT 系統的工程師將低延遲和無所不在的覆蓋率視為優先要務。事實上，低延遲在工業自動化中最重要。最初的 5G 網路可將延遲維持在 30 ms 內，但需要更多心力才能將延遲降至 1 ms 內。1 ms 足夠用於高要求的即時工業控制 (而非僅監測) 中，例如在機床中傳輸回饋訊號。

5G 縮短延遲的方式之一是使用網路切片。此網路技術將網路的頻寬分成不同的虛擬通路，進行個別管理。部分通路保留為低延遲傳輸，大多的傳輸禁止使用這些通路。如此一來，只有需要進行最快速傳輸的工業控制應用才可使用這些保留的快速通路。

LoRA 無線通訊協定的興起

遠距廣域網路調變 (LoRA) 是低成本的無線通訊協定，可用於再生能源、採礦、物流產業的遠端和離岸應用。這是一項低功率無線技術，可在超遠距離通訊，即使超過 10 km，也可以一顆電池運作長達 10 年。簡單來說，LoRA 是非蜂巢式技術，在無授權頻帶內操作。採用 GHz 內頻帶，例如 433 和 915 MHz 和展頻調變，基於線性展頻 (CSS) 調變。因此非常適合用於遠端位置的 IoT 裝置組，提供中等的資料傳輸率。LoRA 還具有 128 位元加密和驗證控制。另一項實用的特點 (特別是針對 IIoT 應用的感測器) 為使用裝置間的三邊量測提供地理位置。

LoRA 使用 Semtech Corp. 開發的獨家技術，但具有非常廣大的開源元件。此協定由 LoRa 聯盟支援，並確保裝置互通性；此聯盟為包含 IBM、Cisco、TATA、Bosch、Swisscom、Semtech 在內的大型協會。

結論

有多種工業自動化的無線通訊協定，每種都有適合的特定應用。ZigBee 和低功耗藍牙可用於具有低功率要求並接受短距傳輸的應用。多數高要求工業應用需要健全的通訊，可能會要求裝置具備 WirelessHART 無線連接。需要高要求、遠距傳輸高數據傳輸率則需要蜂巢式。在此，5G 自然可轉化無線通訊。在超遠距離傳輸資料 (並消耗最少功率)，則最好透過 LoRa。