Allion Labs / Hank Lee

大数据分析与自动化控制是时代的主流,不管是车联网、智慧家庭或是在智慧工厂等场域内,IoT产品都扮演着非常重要的角色;透过无线通信的方式让IoT产品与Server云端相互沟通进而达成数据收集、自动化控制与数据分析等功能。因此,许多厂商开始将传统感测产品加入无线连接功能,并因应不同场域与应用,采用不同无线通信技术。

现行的无线通信技术可根据传输距离与传输速度来分成4大项(如图一):LPWAN、WAN、LAN及PAN。

  1. LPWAN:此应用为传输距离极远(>10km)但传输速度不需太高的场域,大多应用在智能牧场。
  2. WAN:此应用场域为公里等级且要求传输速度快,适合的应用如一般手机通讯与车联网。
  3. LAN:此应用为距离短(<100m)但对于传输速度有一定的需求,例如智慧家庭的场域。
  4. PAN:此应用场域其传输距离小于100m且传输速度需求最低,例如智能工厂

(图一) 无线通信技术应用

一般IoT产品所需要的传输速度需求不会太高,大多为Mbps等级以下即可满足,我们列举常见的低速无线技术与其特性比较整理如表一所示。

(表一)通讯技术的特性

以抗干扰能力来看,蓝牙与NBIoT会有较佳的效果。原因在于虽然蓝牙工作频率与Wi-Fi相同,但采用了跳频技术会自动闪避同频率下较强的干扰讯号;NBIoT则是因为使用了需要执照的频段,自然不容易有干扰讯号。另以通讯距离作比较的话,NBIoT因为有基地台的布建,整体覆盖范围最大,其次是藉由使用低频段(400MHz)讯号达到减少讯号在空气传播损耗的的LoRa。IoT产品厂商应该要了解这些技术的特性并考虑产品使用的环境才能选择最合适的通讯技术。

决定好要使用的通讯技术后,再来就是如何优化IoT产品的无线效能。IoT产品大多都被使用在资料搜集,搜集后的数据会拿来做决策或是执行自动化控制,若无线效能不佳可能会导致以下几点问题:

  1. IoT产品不容易与Server保持稳定联机,装置为了保持联机而增加本身的电力消耗,变得要常常更换装置电池造成额外人力负担与维护的不便。
  2. IoT产品在预定架设的位置根本无法与Server联机,若要增设更多的讯号中继站,相对的建置成本也会提高。
  3. IoT产品无法进行远程控制或是无法回传数值,导致生产异常或是设备无法控制,进而造成生产错误或是机台错误动作,让产线产生额外成本甚至引发生产停摆的严重情形。

而在设计IoT产品时没有对于无线效能做好把关,上述潜在风险就会发生在你的产品上,最终造成用户的不满、失去对品牌的信任,严重的话甚至造成人力与成本损失。

另外,以智慧工厂的场域为例,过去我们也曾遇过一个实际案例。此产品为蓝牙气压传感器(图二),主要用来做实时管线气压压力侦测,避免管线压力过大或过低而造成设备运作产生问题。

(图二)蓝牙气压传感器

此类型产品的无线性能都是以 BT OTA方式来进行测试,OTA测试包含2种指标:TRP(Total Radiation Power) Pattern及TIS(Total Isotropic Sensitivity) Pattern。透过TRP数值可以了解IoT产品讯号发射的效能,当TRP数值越大表示讯号发射的能量越强,这意味着IoT产品效能佳则可减少中继站架设密度。而TIS则是可以知道IoT产品最小可接收到的能量,TIS数值越小表示在较低的接收能量状况下还是能够正常工作。3D Pattern与2D Pattern可以清楚知道IoT产品在哪个方向或位置会有比较好的效能。以图三坐标轴标示可以清楚对应代测物位置与3D Pattern/2D Pattern的结果,而图四、五则为一个无线效能佳的2D/3D Pattern应该长什么样子,场型越接近全向性(能量均匀分布在待测物周围)表示产品不管在哪个角度都不会有死角。

(图三) 蓝牙压力传感器坐标轴

(左图四)俯视角度的3D Pattern、(右图五)侧视角度的全向性2D Pattern

实际测试过蓝牙压力传感器的TRP 与TIS 3D Pattern如下图六、七。图中左边color bar颜色越接近橘色表示无线效能越强,反之颜色越接近紫色讯号发射就越弱。从TRP与TIS场型结果可以观察到蓝牙压力传感器的左边与右下角(红色箭头)会有较佳的效能,而正前方蓝色箭头(+Z方向)为浅蓝色,表示这个方位是蓝牙压力传感器的能量较弱的位置,所以在架设的相对位置上,这个角度较容易发生断线或不易连上线等问题,TRP与TIS场型都有一样的现象。

(左图六) 俯视角度的TRP 3D Pattern、(右图七) 俯视角度的TIS 3D Pattern

而2D Pattern则表示待测物一个2D平面的讯号发射状态,类似计算机断层的切片结果(目前表示为X-Z Cut)。如下图八、九,蓝色箭头标示的位置可以明显地观察到场型凹进去表示能量较弱,而红色箭头标示的位置则是凸出来表示能量较强。在这个平面上蓝牙压力传感器场型的左上方与左下方(蓝色箭头)明显的凹进去表示能量弱,而正左与右下(红色箭头)凸出来为场型较强。以整体趋势来看此传感器上方与下方的无线效能较差,在使用使必须注意产品的摆放,应该将场型较强的角度对到Server的方向才比较能够减少发生问题的机率。此死角可能来自与产品本身上方有钮扣电池与下方为金属筒壳,造成电波无法穿过金属所致。

(左图八) 侧视角度的TRP 2D Pattern、(右图九) 侧视角度的TIS 2D Pattern

近年来随着工业4.0的兴起,越来越多工厂会布建各式各样无线产品来达成自动化控制与数据收集。但是产品的无线效能不佳而造成回传数据有遗漏或是无法精确控制,就会造成不可挽回的损失。唯有了解产品的无线效能才能有效降低问题的发生。百佳泰可以协助验证您IoT产品的无线效能,透过BT OTA测试来分析无线效能进而避免上述问题,提升产品的市场竞争力。