使用 LoRaWAN 多通訊協定閘道器在舊式工業自動化設施中建立感測器網路

隨著工業物聯網 (IIoT) 持續擴張，用於連接不同系統的網路技術類型也在持續增加。對於有線網路，乙太網路 (以及工業乙太網路) 是最常見的介面，因為此技術功能多元並能執行多種不同的通訊協定。對於無線高速資料，Wi-Fi 已成為快速可靠的連網標準，而藍牙則是用於某些感測器並用來配置設備。

不過，藍牙的工作頻段為 2.45 GHz，而 Wi-Fi 的工作頻段為 2.45 GHz 和 5 GHz。因此，相較於 LoRaWAN 等以 Sub-GHz 頻段工作的無線電，舊建築物中的厚牆體可能會讓 Wi-Fi 和藍牙的傳輸距離大幅縮短。這會影響感測器的連接性並因此增加成本，原因在於整座設施需要部署更多存取點或聚合點，以防元件丟失無線連接。

本文將解釋為何有必要在已有 Wi-Fi 和藍牙連線的工業自動化設施中加入 LoRaWAN 感測器連線。文中還會說明 LoRaWAN 在舊式建築和環境中的優勢，而這些環境必須針對工業自動化和建築管理進行改建。然後，探討 Multi-Tech Systems 的兩款 LoRaWAN 閘道器，這些產品可輕鬆管理 Wi-Fi 數據網路、LoRaWAN 感測器連線以及藍牙連線，同時維持向下相容性。

如何在舊式建築物中加入無線連線

隨著 IIoT 的擴張，某些舊式建築物也需要連入 IIoT 網路。但是，這些舊式建築物都是在多年前建造的，當時沒有人考慮過在建築物間進行無線數據傳輸的問題。牆壁、地板及天花板通常會有金屬網、鋼筋和厚重的鋼樑來加固結構，但這會有效阻擋高頻無線電訊號，導致某些設備無法存取網路。

在某些情況下，隔著一道牆可能還足以連線，但要是有部堆高機或其他重型設備放置在牆邊，連接便會暫時中斷。這對 Wi-Fi 和藍牙等高頻無線通訊協定帶來了問題。診斷這些時有時無的邊界連接狀況，是網路技術人員的惡夢。

因此，這些建築物可能需要用到額外的路由器、網路交換器以及閘道器。這不僅增加了網路的複雜度，而且還增加了成本、維護次數以及互通性問題。

這個情況對遠端感測器而言尤其成問題，因為這些元件可能距離閘道器或路由器數百英呎。但是，有些感測器 (例如環境感測器) 並不需要透過高速無線網路持續傳輸其狀態，且可輕鬆地使用 Sub-GHz 頻率，而不會出現任何網路瓶頸或競爭狀況。

對這些情況來說，以 Sub-GHz 工作的低功率 LoRaWAN 無線通訊協定是一個可靠的選項。LoRaWAN 在美國的傳輸頻率範圍為 902 至 928 MHz，在歐盟的頻率範圍為 863 至 870 MHz。此技術主要適用於不需要持續資料連線的低功率、低數據速率感測器。更重要的是，LoRaWAN 具有較低的工作頻段，非常適合有加固厚牆的舊式建築物，其傳輸的訊號可輕鬆穿過木材、石膏板、水泥及鋼材。

但是，若工業設施使用 Wi-Fi、藍牙和 LoRaWAN，就需要妥善整合這三種通訊協定，在確保可靠性及互通性的同時降低維護成本。

IIoT LoRaWAN 配置

Wi-Fi 訊號通常透過網路交換器或路由器連接到工業設施的中央集線器，前者透過有線乙太網路來轉換資料。這種轉換相對簡單，因為 Wi-Fi 和乙太網路是相容協定。但是，LoRaWAN 和乙太網路並不相容，因此無法直接傳遞資料。為了讓 LoRaWAN 資料能抵達中央集線器，無線 LoRaWAN 資料必須先由相容的閘道器接收。與 LoRaWAN 相容的閘道器會配置為經回程連線將資料轉送至執行 LoRaWAN 網路伺服器 (LNS) 應用程式的 Windows 或 Linux 中央集線器。LNS 會處理資料，並透過該應用軟體可用的應用程式開發介面 (API)，將其公開給集線器的作業系統。

Multi-Tech Systems 的 MTCDT-247A-915-US-EU-GB 多通訊協定閘道器，是一款專為耐用工業設施而設計的 LoRaWAN 多通訊協定閘道器 (圖 1)。這款閘道器面向工業環境，可在 -30°C 至 +70°C 的溫度下工作，且相對濕度最高可達 90% (無凝結)。

MTCDT-247A-915-US-EU-GB 已配置為 LoRaWAN USA 頻率，無法在其他地區使用。MTCDT-247A-915-US-EU-GB 支援 Wi-Fi、藍牙以及 LoRaWAN。

圖 1：Multi-Tech Systems 的 MTCDT-247A-915-US-EU-GB 閘道器是一款供工業環境使用的 Wi-Fi 路由器與 LoRaWAN 閘道器。此設備以 902 至 928 MHz 的 USA LoRaWAN 頻率工作，同時還支援藍牙連接。(圖片來源：Multi-Tech Systems)

這款 Conduit 閘道器支援 USA 915 MHz 頻段下的 LoRaWAN 網路連線。此閘道器使用瀏覽器型介面來配置 LoRaWAN 封包轉送器，以指向 LNS。工業設備內部的 LoRaWAN 感測器可輕鬆連線到數百英呎以外的 Conduit 閘道器，即使要穿過舊式建築中用鋼材加固的混凝土牆和地板，也不是問題。但即便是現代的建築物，也是會有無線訊號無法抵達的死角。這對大型建築物來說一直都是個問題，而且無法避免。因此，建議至少使用兩個 LoRaWAN 閘道器以確保完全覆蓋。當從兩個或更多個 Conduit 閘道器收到相同的數據封包時，LNS 應用程式可解決任何問題。

瀏覽器介面還可用於配置 Wi-Fi 存取點。MTCDT-247A-915-US-EU-GB 可以針對 802.11a/b/g/n 通訊協定，為工業設施提供 2.45 GHz 和 5 GHz 的 Wi-Fi 存取點。此閘道器隨附有 Wi-Fi 天線。

另外，此瀏覽器介面也可配置藍牙存取點，建立與相容藍牙裝置的連線。對於常開式高數據速率的藍牙裝置，此產品支援傳統藍牙。對於電池供電的藍牙裝置，如平板電腦、筆記型電腦以及某些感測器，支援藍牙 LE 4.1。

與主伺服器的網路連線以及回程連線，將透過背面 RJ45 插孔的有線式 10/100BaseT 乙太網路來完成。

此外，MTCDT-247A-915-US-EU-GB 還支援全球導航衛星系統 (GNSS)。這項技術可用於全球定位，但更重要的是，GNSS 能為 LoRaWAN 封包的時間戳記提供準確的時基，而這是 LoRaWAN 標準確保訊息同步所必須的。

MTCDT-247A-915-US-EU-GB 在一個閘道器中整合了 USA LoRaWAN、Wi-Fi 以及藍牙集線器連線，不僅為這三種無線通訊協定提供了集中的維護點，還簡化了網路連線。這款閘道器經過特別設計，可讓這三種通訊協定不會互相干擾。

對於歐盟的使用，Multi-Tech Systems 推出了 MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB 閘道器；這款閘道器和美國版相同，但工作的頻段是從 863 到 870 MHz 的 EU 868 MHz LoRaWAN 頻段，並額外支援 4G-LTE 蜂巢回程連線。對於在未使用現代蜂巢標準的區域中進行具成本效益的作業，這款閘道器也可透過 3G-HSPA+ 和 2G-GPRS 網路傳送資料。Multi-Tech Systems 特別指明，這款閘道器和所有的歐盟蜂巢網路相容。

MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB 附有相容於大部分歐盟電源插座的配接器。另外，此閘道器還含有一條 Wi-Fi 天線、一條 GNSS 天線，以及兩條蜂巢天線 (圖 2)。

圖 2：Multi-Tech Systems 的 MTCDT-247A-915-US-EU-GB 閘道器，在歐盟國家支援 868 MHz 頻段的 LoRaWAN 連線，同時還支援 4G-LTE 蜂巢回程連線。其附有與大部分國家相容的歐盟 AC 電源配接器。(圖片來源：Multi-Tech Systems)

若想透過 4G-LTE 網路將 LoRaWAN 資料傳送到 LNS，每個閘道器都需要使用標準 SIM 卡，內含無線網路、電話號碼和租戶資訊。

MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB 在裝置正面的銘牌後面有一個 SIM 卡插槽。為了避免有心人士隨意更換 SIM 卡，銘牌以螺絲固定 (圖 3)。為了提供額外的安全性，閘道器應放在未經授權人士無法存取的鎖定位置。重要的是，此位置的四周絕不能有金屬外殼，以免阻礙藍牙和 Wi-Fi 訊號。

圖 3：MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB 閘道器附有 SIM 卡連接埠，移除以小螺絲固定的銘牌後即可存取。(圖片來源：Multi-Tech Systems)

每款支援 4G-LTE 回程連線的 Multi-Tech Systems Conduit LoRaWAN 閘道器都需要從電信業者處購買 SIM 卡以及相應的數據方案。Conduit 閘道器的 SIM 卡和手機數據方案可透過 DigiKey 輕鬆購得。方案的數據容量從每個月 300 KB 至 5 GB 都有。

Multi-Tech Systems Conduit 閘道器提供了一個簡易的集中式存取點，可讓您在一台裝置上使用四種無線連接協定以及 GNSS。對維護人員來說，這讓他們從一個位置就能輕鬆配置這四種無線網路，不僅節省了時間，還提升了可靠性。另外，這也能避免在使用單獨的集線器和閘道器時發生的衝突。

結論

隨著工廠部署 IIoT 應用，無線網路對工業自動化的用途提升。對於這些應用，市面上已經有豐富的生態系統，這些裝置能針對各種應用提供 Wi-Fi 和藍牙支援，通常會跨越不同的頻段工作。如本文所述，在已有 Wi-Fi 和藍牙功能的工業自動化設施中加入 LoRaWAN 感測器連線及其 Sub-GHz 作業，可提升可靠性，尤其是在具有鋼材加固牆的舊設施中。若使用一個支援所有這些協定的閘道器，則可以節省時間和配置成本，同時提升相容性和可靠性。