IoT 無線技術概覽

物聯網 (IoT) 在現代化社會中，既知名卻也默默無聞。這對科技產業及企業界的人來說是相當普遍的詞，但一般民眾可能鮮少聽過，即便物聯網已成為他們生活的一部份。IoT 是指實體物件的連線，例如裝置、車輛、建築物、電子產品以及網路，如此即可進行資料的互動、收集與交換。此技術可應用到上百萬種不同的物品，包括之前未連結網際網路，但已經過翻新的傳統產品。

本文將一覽讓這些裝置進行無線通訊的諸多方法。

資料上雲端的三種方法

IoT 面臨的其中一項挑戰就是，將資料從裝置的感測器傳送到雲端，以便進行資料的利用、處理及儲存。在智慧型手機推動下，Wi-Fi 與藍牙的運用已經相當普及，再加上涵蓋範圍廣闊的行動通訊基地台及公共 Wi-Fi 存取點，IoT 感測器可存取雲端的機會更勝以往。有三種基本方法能讓資料上雲端。

感測器到閘道器再到雲端。在某些應用中，最好的方法就是將感測器資料傳送到閘道器，接著就可透過閘道器有效地傳送到雲端。視應用需求而定，閘道器可以從簡易的繼電器系統，一直到可執行運算密集功能 (稱為邊緣處理) 的「智慧型」平台都有。停車位感測器以及桌面運用感測器等裝置通常都依賴閘道器來傳送資料。Wi-Fi 就是閘道器的一個例子。若是居家用途，則需要安裝 Wi-Fi 閘道器。對於已經安裝閘道器的公共地點來說，Wi-Fi 可直接對雲端操作。其他類型的無線通訊，例如藍牙等，都需要閘道器。另一個 Wi-Fi 居家應用的例子是 Hatch Baby Grow，是一種智慧型尿布台兼連網體重計。此產品採用 Wi-Fi 從尿布台內的體重計傳送資料到家用網路。父母及小兒科醫師就可透過 Android 或 iOS 應用程式追蹤此雲端資訊。

感測器到行動電話再到雲端。在有些情況下，閘道器可以是行動電話。具有 Wi-Fi 或藍牙功能的智慧型手機可當作閘道器，將資料傳送到雲端。以 Voler 為例，就協助開發可監測長輩平衡感的耳塞。其中含有低功耗藍牙無線傳輸功能，可傳送到裝有相關應用程式的智慧型手機。資料會從智慧型手機傳送到雲端，即可進一步處理及分享該資料。

智慧裝置直接到雲端。感測器可透過 NB-IoT、LTE-M 或 LoRa 等技術直接連結雲端。這些技術能以超低功率傳遞數英里，前提是數據傳輸率要低。可透過設備 (通常安裝在行動訊號發射塔) 連結網際網路。這些技術的運作方式幾乎與行動電話相同，除了數據傳輸率及功率大幅減低之外。此外需要支付月租費，但費用通常很低。

規劃 IoT 無線通訊策略時要考量的因素包括：要傳輸多少資料、資料來源離網際網路有多遠、需要多少電力、此服務的成本多高等等。智慧型手機的普及以及 Wi-Fi或藍牙無線電標準的選用，締造如今相當便利的連線能力。更新推出的標準，例如 NB-IoT 與 LTE-M 等，進一步為未來的物聯網提供更多選擇。

為何需要新技術？

IoT 仍在演進中。每一個世代的推出，功耗也跟著降低，無線通訊範圍更遠且提供更優異的功能。新裝置可享受新技術的優勢，並提供更好的效能。

權衡利弊時有何考量

每次 Volder 要設計穿戴式裝置，或電池供電式裝置時，客戶都有以下要求：

• 可長時間操作
• 能遠距傳輸許多資料
• 搭配小型電池

但這些要求彼此衝突，因此要有所取捨。工程設計其實就是一門取捨的學問。不僅要考量需要的系統功能性，還要做出必要的工程取捨，才能在符合系統要求下提供最佳化效能。重要的是，同時還要兼顧令人滿意的使用者體驗。最終的設計成果，其實就是在諸多選擇中達到最佳取捨而已。

取捨時的考量

Voler 近期與一家新創公司合作，要針對其連網產品提升電池續航力。採用 Murata 的 impModule™ 搭配 Arm® 處理器以及 Wi-Fi 收發器作為基礎。他們需要可維持數週的電池續航力，且要在原型製作後不到一週內完成。因此 Voler 修改程式碼來達到目標電池續航力。原本的程式碼無法如期運作。

在無線傳輸中，有三個項目要控管：傳輸所需的功率、數據傳輸率、傳輸距離。挑選正確的無線標準相當重要。針對設計中的 IoT 裝置挑選無線標準時，請參閱以下表格。下表列出 IoT 裝置常見的無線標準及其特性。

表 1：常見的無線標準與其功能。(表格來源： Voler)

不同的無線標準，需要的功率位準差異甚大。需要的功率取決於數據傳輸率及傳輸距離。舉例來說，如表 1 所示，裝置使用 LTE 行動通訊，每秒傳輸 100 位元到一公里的位置需要 120 mW 功率。但使用低功耗藍牙技術傳輸 1 公尺，裝置僅需要 0.15 mW 功率即可。

IoT 無線標準的比較

表 2：無線 IoT 標準的比較。(表格來源：Voler)

常用無線技術的功率需求

若裝置傳輸資料的距離最遠只有 10 公尺，BLE 與藍牙就已經足夠。但工業與商業用的 IoT 裝置，例如庫存管理或健康監測用的穿戴式裝置，可能就需要更遠的通訊距離，如 NB-IoT 或 LTE-M。若裝置會傳輸許多資料，例如攝影機，BLE 就無法應付這項工作。此時需要更高功率的選擇，如 Wi-Fi 和 LTE。

另一方面，行動無線通訊協定 NB-IoT 與 LTE-M 則能讓 IoT 裝置以低功率傳輸資料到遙遠的位置。SigFox 也有異曲同工之妙，最遠可傳輸 50 公里。但 SigFox 與高數據傳輸率的行動通訊標準不同，每秒最多只可傳輸 300 位元的數據。

私人與公用網路

私人網路的閘道器是由供應商安裝與控制，可供一或多個使用者使用。 公用網路的閘道器則可供許多使用者使用，但需支付月租費。行動通訊服務就是一個例子。

公用網路需要建置基礎設施，例如行動訊號塔。手機能普及且可輕鬆漫遊，是因為廣設行動訊號塔的緣故。目前在美國裝設的 SigFox 與 LoRa 基礎設施有限，因此採用此技術的裝置在絕大多數地點可能都無法使用。LoRa 有選項可透過閘道器使用私人網路。

在 2019 年，NB-IoT 及 LTE-M 基礎設施的裝設情況，已經可涵蓋美國人口的 90%。目前更逐漸趕上行動通訊覆蓋率。雖然已推出數年，但這項技術總算可用於新裝置了。此外，其基礎設施也在全球各大國家就位。NB-IoT 及 LTE-M 的運用預計會迅速成長。SigFox 與 LoRa 在公用基礎設施的建設上則落後許多。

以下概述私人與公用的無線選項：

私人

• 通訊兩端皆由私人擁有
• 可安裝在任何地方
• 免執照的頻譜
• 安裝基地台與端點的成本
• 無月租費

公用

• 供應商擁有的網路 - 如行動通訊
• 有基地台的地方才可運作
• 可輕易漫遊
• 需執照的頻譜
• 使用此網路需月租費

電池技術何時才會增進？

若電池是更好的選擇，取捨時就會更簡單。化學儲能方法已經接近其效率極限。即便如此，目前還是有多方研究進行中，希望達到更高的密度與安全性。

若電池在過去 50 年間如半導體一樣有所進展，就只要花銅板費用，用大頭針針頭般大小的電池來發動你的車了。不用多說，這樣的技術目前完全是天方夜譚，甚至永遠無法達成。因此，裝置一定會受到其所需的化學儲能空間限制。

目前的電池大約已經發揮化學儲能極限的 10%，大概跟汽油差不多。但是，汽油會有安全疑慮。有個更有效率的選項就是核能，但同樣也有安全疑慮，更不用提可攜性的問題。電池發展在未來還是會逐漸改善，但改變的速度較緩慢。

成本考量

許多 IoT 裝置製造商為了讓產品價格親民並加快上市速度，在安全性上欠缺投資。在開發階段就整合安全性考量，會大幅增加成本並拉長開發時間。然而，打造的 IoT 裝置若安全性薄弱，可能會導致更多有害後果，不僅危及客戶，也有損製造商品牌，包括生產力損失、法律／合規性的罰款、商譽受損、金錢損失。

針對 IoT 裝置挑選的無線標準會大幅影響其效能、使用性、安全性與可靠性。最適合 IoT 裝置的標準取決於其應用。瞭解裝置的用途有助於決定建構時的關鍵需求，例如需要多少功率才能有效運作、傳輸資料的速度多快、電池續航力要多久等等。

Voler System 專業的 IoT 裝置開發團隊可全程協助設計人員，針對其 IoT 設備挑選適合的無線標準。歡迎洽詢其 IoT 專業人員，進一步瞭解如何在設計 IoT 裝置時挑選適合的無線標準。