通信

LPWAN技术前景看好? 厂商怎么看

字号+ 作者:叶奕纬、王明德 来源:ctimes 2018-06-13 08:38

而近年来LPWAN的技术已逐渐成熟,各家无线通信芯片也蓄势待发,有推出NB-IoT或CatM1单模产品,也有以双模为主,并搭载GPS模块的产品供客户选择,然而在电信商升级基地台前,有几项因素必须谨慎考虑


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根据Gantner报告预测,2020年全球物联网装置将达250亿个,思科预测的数字为500亿个,而近年来LPWAN的技术已逐渐成熟,各家无线通信芯片也蓄势待发,有推出NB-IoT或CatM1单模产品,也有以双模为主,并搭载GPS模块的产品供客户选择,然而在电信商升级基地台前,有几项因素必须谨慎考虑。
 
首先以智慧城市作为案例,将来极有可能会在市、郊区布建上万颗透过LPWAN无线通信技术连网的传感器,因为少了电线充电,因此在电池技术尚未取得突破之前,必须至少每三年手动更换一次电池,因此会造成后续维护上的麻烦。
 
延续上述案例,当三年维护期到后,维修人员到了当初软件包写入的坐标进行电池更换时,竟发现当初安装的传感器已经消失了,原来是因为工程问题,被人员不慎移动到其他位置,而无法寻回。因此,还得加装GPS才能防止此类问题发生。
 
最后,还有可能发生各厂牌的电池规格不一,让后续维护人员作业困难的问题。
 
上述皆是使用者须考虑的维护问题,另外以系统整合商的角度看来,所考虑的重点则在于:授权或非授权、特殊或标准化技术、产业链与导入成本等。与技术有关的项目还包括:带宽、涵盖范围、节点容量、耗电量、安全性、移动支持性、定位功能等,这些都属于使用无线通信模块的考虑重点。
 
LPWAN的优势
 
无线传输最直接的好处,就是免于布线的麻烦,目前也分成两种型态,一种是主动推播数据给用户,例如Beacon以及RFID,它们多半用在智慧仓储和零售上,而在工业环境上,则多半与传感器结合,因此需要符合广域传输的特性,随时主动更新数据,如NB-IoT、LoRa等。
 

图1 : LPWAN具备低功耗广域的通讯传输特性。(source:MDPI)
 
授权频段NB-IoT的优点就是建置容易,因为其仍使用4G频段,因此只需要在既有的基地台上就能进行升级使用,相当节省成本,也拥有一定的安全性保证。
 

图2 : 以网关作作为主要的通讯传输的解决方案。(source:NEXCOM)
 
当前基地台覆盖范围约20公里,NB-IoT适合于定点的应用,可在基地台覆盖范围内维持数据传输的稳定度,而且它可以穿透地面进行讯号传输,非常适合用于智能三表相关的资料收集用途。而针对高速移动的应用,则适合使用LTECatM1的网络,它具备跨基站台不断线的机制,可让装置在移动时仍保持持续的传送数据。
 
此外,只有NB-IoT不须透过有线网络及网关,才能将数据上传至云端分析,而是让装置直接具备联机至云端的能力,而Sigfox以及LoRa都仍需要网关才能将数据上传到网络,因此u-blox也特别看好NB-IoT的发展前景。
 

图3 : u-blox推出ZED-F9P多频GNSS模块,整合RTK技术,适用于高精准度无人机、机器控制。(source:u-blox)
 
应用落地方案
 
在未来的使用情境上,LPWAN的技术除了应用于工业传感器上,同时也会用于智慧城市的布建中,尤其是城市以外不容易布置、并且缺乏有线传输的地方。LPWAN技术适合用于突发的应用场域,因此会加装于户外,如空气质量侦测器、水质监控,甚至是有毒气体泄漏地点等,达成快速布建的目标。
 
李立伟以新汉未来的规划举例:“以通讯技术为考虑来说,主要的应用情境区分为两种,一种是定点式的工业用,第二种是户外型如智慧城市中的传感器。定点式的话,因为不需要额外的定位功能,因此我们会采用单模的NB-IoT技术,但若是户外型的话,我们就是提供双模NB-IoT与CatM1结合的技术,实现定位功能。”
 
新汉也碰到客户疑问,在工厂内有必要采用无线通信技术吗?李立伟认为,若是在固定场域内,仍可以将众多传感器集合在一组网关中,当数量达到一定程度,其成本也不会比无线通信方案高太多,也能省下维护费用。
 
而以使用者的观点来看,购买LPWAN传感器所担心的地方在于可选择的厂家不多,议价空间低,另一方面则是怕停产问题,担心未来卖家中断供货,因此以目前看来,使用者仍倾向于购买便宜的传感器,加装在网关上够用就好,新汉同时提供网关及LPWAN两种选择,网关方面,将提供NB-IoT无线通信技术。
 
此外,半导体厂的客户因为其特殊限制,所以在无线通信的频率上,有一定要求,因为大半的LPWAN技术无法应用于半导体场域,例如频率超过2.4GHz的Zigbee、LoRa、Wi-Fi等,所以新汉采用的是蓝牙低功耗(BluetoothLowEnergy,BLE)技术,借此满足此类客户的需求,虽然BLE仍有无法跨基地台传输的问题,但因为仅应用于工厂内部,并不影响实际应用。
 
应用多元 LPWAN走向双模设计
 
物联网对于低功耗的需求向来旺盛,由于物联网产品传输的数据量无须大量,但须能定时传递,所以低耗能相当重要,因而促使低功耗广域网技术(LPWAN)的诞生,有趣的是,一般人提到诸如NB-IoT、LoRa与Sigfox等LPWAN技术,皆会直觉认定它们只存在着竞争关系;对此意法半导体产品营销经理杨正廉表示,现在已有厂商采取「双模式」做法。
 
杨正廉以LoRa与Sigfox为例指出,这两大技术的应用领域重迭性相当高,也一直是被相关厂商作为相互比较的技术,事实上,LoRaWAN的传输距离远不及Sigfox,不过讯号也可传输数公里;且因LoRa技术具有开放性,意味着对该技术有兴趣的公司皆可布署/营运,因此LoRa在面对跨国传输时,将会产生漫游费用等问题,话虽如此,杨正廉认为,在某一特定范围内/封闭型地区的应用,LoRa将较Sigfox更具有成本优势。
 

图4 : 意法半导体产品营销经理杨正廉认为双模块将会是未来趋势。(摄影/王明德)
 
举例来说,在农场的应用情境中,倘若农场主人欲于每一头牛只上加挂传感器以便追踪;若是采用LoRa技术,使用者只须花费LoRa传感器模块、网关、Wi-Fi,以及云端的建置成本即可做好牛只的管理。且LoRa也可透过现有传统LTE网络,将信息传送至云端,再透过更大范围的NB-IoT网络或者现有的4G LTE网络传送到开放的云端或私有云,整合多个厂区的数据进行汇整分析,就会是智能制造非常有用的信息。
 
但在此一类型的应用情境中采用Sigfox技术,每一头牛即视为单一节点;而Sigfox的特性即是每一节点,每一年皆须向Sigfox公司缴交年费(每一节点的费用将坐落在1~12元美金不等),就以封闭型的应用区域而言,LoRa将更具有成本优势。
 
研华的M2.COM解决方案
 
另一方面,研华则是推出以LoRaWAN为主的解决方案,LoRaWAN具有长距离、低功耗的特点,专为采用无线方式、由电池供电设备组建的智慧城市应用而打造,有利于保障双向通讯、移动性和当地化服务,满足包括环境监控、街道照明、停管系统、智能建筑、智能表头及车队管理等全方位应用需求。
 
研华提供完整的LoRa解决方案,如WISE-DK1510LoRa传感器节点开发工具包、WISE-3610LoRa网关等,是基于M2.COM标准规格并内建Armmbed操作系统,提供开发者丰富的SDK工具与标准链接库,还有研华WISE-Link无线解决方案,可支持LPWAN开发人员在物联网设备和云端安全开发私有网络。
 

图5 : WISE-1510是一款整合了Arm Cortex-M4处理器和LoRa / LoRaWAN连接的无线模块。(source:研华)
 
另外研华也推出一套弹性化模块M2.COM,透过共同规格的电路板与外接端口,模块上的芯片可以换用NB-IoT、LoRa或Sigfox。方便产品开发商进行导入,为工业物联网统一标准之硬件与软件规格开发平台。
 

图6 : M2.COM为工业物联网统一标准之硬件与软件规格开发平台。(source:研华)
 
其模块对外联系接口,来自于M.2标准接口,搭载传感器接口、运算微处理器以及无线传输技术。经由USB、PWM、SDIO、I2C、I2S、UART、GPIO、SPI和ADC等接口可连接IoT传感器和控制端设备进行数据采集和设备控制。
 
系统商面临的挑战
 
以目前看来,LPWAN距离真正落地发酵仍有一段时间,因为仍有电池(接头)规格统一、后续更换电池的维护以及户外电池的过热问题需要解决,除非能与现正火热的非接触式无线充电做结合,才有机会克服困难。
 
然而在技术方面,目前尚未碰到瓶颈,因此已有许多种类的传感器开始进行实测,远传电信也成为首位拿到NB-IoT执照的电信商,中华电信则紧追在后,并也准备递交Cat M1的解决方案。
 
当前绝大多数的使用者,仍是使用有线匣道器的方式进行通讯传输,过去曾有过WiMax事件的惨痛经验,因此在决定使用何种LPWAN时,我们产业链的各个业者无不小心翼翼,跟着国外脚步而动,而非像过去一头热栽进WiMax的大坑中。


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