Allion Labs / Hank Lee

大數據分析與自動化控制是時代的主流,不管是車聯網、智慧家庭或是在智慧工廠等場域內,IoT產品都扮演著非常重要的角色;透過無線通訊的方式讓IoT產品與Server雲端相互溝通進而達成資料收集、自動化控制與數據分析等功能。因此,許多廠商開始將傳統感測產品加入無線連接功能,並因應不同場域與應用,採用不同無線通訊技術。

現行的無線通訊技術可根據傳輸距離與傳輸速度來分成4大項(如圖一):LPWAN、WAN、LAN及PAN。

  1. LPWAN:此應用為傳輸距離極遠(>10km)但傳輸速度不需太高的場域,大多應用在智慧牧場。
  2. WAN:此應用場域為公里等級且要求傳輸速度快,適合的應用如一般手機通訊與車聯網。
  3. LAN:此應用為距離短(<100m)但對於傳輸速度有一定的需求,例如智慧家庭的場域。
  4. PAN:此應用場域其傳輸距離小於100m且傳輸速度需求最低,例如智慧工廠。

(圖一) 無線通訊技術應用

一般IoT產品所需要的傳輸速度需求不會太高,大多為Mbps等級以下即可滿足,我們列舉常見的低速無線技術與其特性比較整理如表一所示。

(表一)通訊技術的特性

以抗干擾能力來看,藍牙與NBIoT會有較佳的效果。原因在於雖然藍牙工作頻率與Wi-Fi相同,但採用了跳頻技術會自動閃避同頻率下較強的干擾訊號;NBIoT則是因為使用了需要執照的頻段,自然不容易有干擾訊號。另以通訊距離作比較的話,NBIoT因為有基地台的布建,整體覆蓋範圍最大,其次是藉由使用低頻段(400MHz)訊號達到減少訊號在空氣傳播損耗的的LoRa。IoT產品廠商應該要了解這些技術的特性並考量產品使用的環境才能選擇最合適的通訊技術。

決定好要使用的通訊技術後,再來就是如何優化IoT產品的無線效能。IoT產品大多都被使用在資料蒐集,蒐集後的資料會拿來做決策或是執行自動化控制,若無線效能不佳可能會導致以下幾點問題:

  1. IoT產品不容易與Server保持穩定連線,裝置為了保持連線而增加本身的電力消耗,變得要常常更換裝置電池造成額外人力負擔與維護的不便。
  2. IoT產品在預定架設的位置根本無法與Server連線,若要增設更多的訊號中繼站,相對的建置成本也會提高。
  3. IoT產品無法進行遠端控制或是無法回傳數值,導致生產異常或是設備無法控制,進而造成生產錯誤或是機台錯誤動作,讓產線產生額外成本甚至引發生產停擺的嚴重情形。

而在設計IoT產品時沒有對於無線效能做好把關,上述潛在風險就會發生在你的產品上,最終造成使用者的不滿、失去對品牌的信任,嚴重的話甚至造成人力與成本損失。

另外,以智慧工廠的場域為例,過去我們也曾遇過一個實際案例。此產品為藍牙氣壓傳感器(圖二),主要用來做即時管線氣壓壓力偵測,避免管線壓力過大或過低而造成設備運作產生問題。

(圖二)藍牙氣壓傳感器

此類型產品的無線性能都是以 BT OTA方式來進行測試,OTA測試包含2種指標:TRP(Total Radiation Power) Pattern及TIS(Total Isotropic Sensitivity) Pattern。透過TRP數值可以了解IoT產品訊號發射的效能,當TRP數值越大表示訊號發射的能量越強,這意味著IoT產品效能佳則可減少中繼站架設密度。而TIS則是可以知道IoT產品最小可接收到的能量,TIS數值越小表示在較低的接收能量狀況下還是能夠正常工作。3D Pattern與2D Pattern可以清楚知道IoT產品在哪個方向或位置會有比較好的效能。以圖三座標軸標示可以清楚對應代測物位置與3D Pattern/2D Pattern的結果,而圖四、五則為一個無線效能佳的2D/3D Pattern應該長什麼樣子,場型越接近全向性(能量均勻分布在待測物周圍)表示產品不管在哪個角度都不會有死角。

(圖三) 藍牙壓力傳感器座標軸

(左圖四)俯視角度的3D Pattern、(右圖五)側視角度的全向性2D Pattern

實際測試過藍牙壓力傳感器的TRP 與TIS 3D Pattern如下圖六、七。圖中左邊color bar顏色越接近橘色表示無線效能越強,反之顏色越接近紫色訊號發射就越弱。從TRP與TIS場型結果可以觀察到藍牙壓力傳感器的左邊與右下角(紅色箭頭)會有較佳的效能,而正前方藍色箭頭(+Z方向)為淺藍色,表示這個方位是藍牙壓力傳感器的能量較弱的位置,所以在架設的相對位置上,這個角度較容易發生斷線或不易連上線等問題,TRP與TIS場型都有一樣的現象。

(左圖六) 俯視角度的TRP 3D Pattern、(右圖七) 俯視角度的TIS 3D Pattern

而2D Pattern則表示待測物一個2D平面的訊號發射狀態,類似電腦斷層的切片結果(目前表示為X-Z Cut)。如下圖八、九,藍色箭頭標示的位置可以明顯地觀察到場型凹進去表示能量較弱,而紅色箭頭標示的位置則是凸出來表示能量較強。在這個平面上藍牙壓力傳感器場型的左上方與左下方(藍色箭頭)明顯的凹進去表示能量弱,而正左與右下(紅色箭頭)凸出來為場型較強。以整體趨勢來看此感測器上方與下方的無線效能較差,在使用使必須注意產品的擺放,應該將場型較強的角度對到Server的方向才比較能夠減少發生問題的機率。此死角可能來自與產品本身上方有鈕扣電池與下方為金屬筒殼,造成電波無法穿過金屬所致。

(左圖八) 側視角度的TRP 2D Pattern、(右圖九) 側視角度的TIS 2D Pattern

近年來隨著工業4.0的興起,越來越多工廠會佈建各式各樣無線產品來達成自動化控制與數據收集。但是產品的無線效能不佳而造成回傳數據有遺漏或是無法精確控制,就會造成不可挽回的損失。唯有了解產品的無線效能才能有效降低問題的發生。百佳泰可以協助驗證您IoT產品的無線效能,透過BT OTA測試來分析無線效能進而避免上述問題,提升產品的市場競爭力。