在物聯網中添加【物】的六種方法
【作者: R. Beddor】 2020年07月09日 星期四
物聯網解決方案通常連接成百上千個邊緣設備,隨著更多邊緣設備的加入,成本和電源管理等常見的設計限制也越來越多。本文將概述物聯網應用中最常用的連接方法類型,並可從中權衡選擇及確定如何在物聯網設計時添加「物」。
如果您正在線上閱讀本文,則很可能是透過蜂巢網路、Wi-Fi或乙太網實現網路連接的,儘管這些連接方法在消費性電子產品中應用廣泛,但與物聯網(IoT)邊緣節點並無太多關聯。與消費性產品不同,大多數的邊緣設備不用檢查電子郵件(很幸運)或播放串流電影,因此這些設備無需具備這些產品所使用的高資料速率。
物聯網解決方案通常連接成百上千個邊緣設備,隨著更多邊緣設備的加入,成本和電源管理等常見的設計限制也越來越多。在這種規模下,產品與互聯網的連接方式將決定該解決方案的成功與否。
本文將概述物聯網應用中最常用的連接方法類型。請按照本文權衡選擇及確定如何在物聯網設計中來添加「物」。
[1] 乙太網
乙太網是一種將「物」連接到「網」的快速可靠的方法。乙太網常見於工業和建築自動化行業,尤其適用於在同一網路中包含許多節點的系統。
由於乙太網採用實體接線方式,因此本質上也是一種非常安全的連接方法。還可以使用乙太網電纜,透過乙太網供電(PoE)方式為設備供電,這樣便無需再使用單獨的電源模組來為終端設備供電。
但是,實體接線確實也帶來了巨大的設計挑戰,而且並非適用於所有應用。透過乙太網連接的節點必須靠近路由器,即使在家庭和建築自動化等短距離應用中,乙太網電纜的規模也同樣龐大,如何管理和隱藏纜線是一項重大挑戰。在現代建築中,自動照明系統在施工時使用實體接線方式,但是在未採用相關設計的建築中安裝乙太網物聯網系統通常是不可行的。
[2] Wi-Fi連接
作為網際網路連接的必備工具,Wi-Fi的無線特性極具吸引力。Wi-Fi受到主流設備的廣泛支援,並且不像乙太網一樣存在實體接線限制。
儘管具備普遍性,但是將Wi-Fi功能添加到嵌入式設計中通常很複雜。Wi-Fi之所以有吸引力是因為其無需接線且速度很快,但這種方法也存在安全性漏洞和功耗問題。因此,進行基於Wi-Fi的物聯網設計時,工程師需要在安全性、功耗和成本方面做審慎的權衡。
幸運的是,現在已經有解決方案能夠幫助工程師克服這些障礙。使用針對物聯網優化的Wi-Fi模組,有助於簡化設計並節省開發時間。諸如WINC1500等模組經過全面認證,支援安全協議,而且針對電池供電設備進行了優化,可在不影響成本和功耗的前提下實現Wi-Fi連接。
[3] LPWAN
低功耗廣域網路(LPWAN)在消費性產品中不太常見,因此可能不為人熟悉。物聯網應用的很大一部分是廣域應用,例如環境監控。
使用物聯網進行環境監控的優勢,在於我們可以監控鄉村、近海和通常無法進入的區域,而問題就在於這些地點位於鄉村、近海和通常無法進入的區域,例如無法給漂浮在馬里亞納海溝中的設備快速充電,也無法在撒哈拉沙漠裡連接到Wi-Fi。
典型的LPWAN使用範圍約為10公里左右。資料傳輸速度非常慢,但是,除非物聯網解決方案在檢查電子郵件或播放流媒體視頻,否則不太可能需要高速連接。
儘管常用於農業和偏遠地區,但LPWAN並不局限於此。LPWAN在城市中的利用率正不斷增長,例如用於跟蹤拍賣場中車輛的LPWAN應用,已成為北美最大的商用物聯網部署之一。
有兩種常用的LPWAN協議:LoRaWAN(源自長距離,也稱為LoRa)和Sigfox。兩者之間的一大差異是成本,Sigfox是一項基於訂閱式的服務,其工作方式與蜂巢式網路類似。如果Sigfox在所在的地區可用,則可以透過訂閱本地供應商的服務實現連接。而使用LoRaWAN時,開發人員可以透過創建「自助式」網路省去訂閱費用,但是大多數人仍會選擇使用本地網路供應商的LoRa閘道基礎架構,並且按照使用量付費。
[4] 蜂巢式網路
除了農村深處和偏遠地區,蜂巢式網路可以覆蓋其餘所有地方。對於需要此類覆蓋範圍的嵌入式系統,蜂巢式網路是唯一的選擇。但是蜂巢式網路十分昂貴,必須先選擇網路供應商,而且只有在透過政府監管部門批准後,才能建立自己的網路。對於每個節點來說,嵌入式元件和供應商訂閱的高昂成本,通常會抵消蜂巢式網路廣泛的覆蓋範圍所帶來的優勢。
也就是說,需要權衡使用蜂巢式網路連接「物」和每月為手機服務付費的利弊。物聯網專用的蜂巢式網路正如雨後春筍般興起,與LPWAN形成競爭之勢。LTE CAT-M是一種快速發展的物聯網蜂巢式網路。其中「M」代表「機器」,該網路針對物聯網進行了優化,是一種速度、成本和功耗更低的解決方案。不過,這樣可能會讓手機費用很高,CAT-M計畫的收費標準約為每月7美元,僅提供5 MB的資料。蜂巢式網路物聯網連接的其他選項,還包括CAT-0、CAT-1和新推出的NB-IoT(NB表示「窄頻帶」)。
5G的推出有望推動物聯網領域的創新。儘管5G的價格要比針對物聯網的網路更高,但其更快的速度可以進一步推動尖端物聯網應用(例如自動駕駛汽車)的發展,5G的覆蓋範圍遠遠不及LTE或3G,但仍在不斷擴展。一些行業分析師預測,在未來五年內,5G的使用量將占到全球人口的20%。
[5] 衛星
蜂巢式網路可以覆蓋大多數人口稠密的地區,但是,要如何在偏遠荒涼的地區實現網路連接呢?
衛星連接可用於物聯網應用,例如蜂巢式服務無法覆蓋的地球偏遠地區的運輸物流。雖然隨著衛星技術的發展,情況有望發生變化,但是開發衛星物聯網應用並不像開發其他連接選項那樣容易,許多衛星服務會留作國防用途。
[6] Bluetooth連接
對於藍牙(Bluetooth),您可能並不陌生。Bluetooth Classic和Bluetooth Low Energy (BLE) 的最大範圍均在100公尺以上,但通常用於相距不超過幾公尺的設備。日常生活中,藍牙在手機和電腦配件中隨處可見,廣泛應用於耳機、鍵盤和顯示技術。
得益於低功耗(BLE的功耗尤其低)、廣受支援並且可以快速配對的特性,藍牙非常適合消費性電子產品。與Wi-Fi不同,藍牙不會直接連接到互聯網,需要設置閘道才能接入互聯網,雖然自行設置閘道聽起來很麻煩,但通常操作起來就像使用手機連接Wi-Fi一樣容易。
最近更新的藍牙5.0版本擴展了藍牙的範圍,可以在家庭網路中使用,儘管Bluetooth Classic和Bluetooth LE通常用於連接僅相距數公尺的設備,但整個家庭都可以透過藍牙5.0實現互聯,應用範圍的擴展幫助藍牙成功進軍家庭自動化、照明和工業應用領域。
建議
這些連接方法的主要變化趨勢是簡化實施過程,Wi-Fi和藍牙等常用網路通常是評估和探索IoT設計的最簡單方法,這些網路無需自行搭建閘道或向供應商付費。
消費者可以使用多種Wi-Fi和藍牙原型模組,其中很多都提供開放原始程式碼和程式設計教程,我們建議使用連接模組,因為這樣會使設計更加靈活,當需要針對不同的網路調整設計時,可以更換模組,而不必從頭開始。
簡化設計流程
連接到網際網路只是物聯網設計流程的一部分,物聯網系統應具備以下三個元素:智慧、連接和安全,這些元素分別對應於三個電子元件:微控制器(MCU)、連接模組和安全元件,物聯網設計的挑戰在於如何整合上述三種元件。
Microchip的AVR-IoT WG開發板是精簡型Wi-Fi開發平台的一個範例,這款開發板經過預先的配置,可以安全連接到Google Cloud的物聯網平台,透過將安全元件、Wi-Fi控制器和MCU整合在同一塊開發板上,可以省去許多瑣碎的設計工作,直抵問題核心:以創新和快速的方式將物聯網產品推向市場。
Arduino Uno WiFi Rev 2同樣能夠提供智慧、連接和安全元素,Arduino擁有一個活躍的原型設計社群,線上提供了許多使用教程和開放的原始程式碼。
MikroElektronika click boards是快速原型設計模組,可直接連接到AVR-IoT WG開發板,或透過Arduino Uno WiFi R2的Shield板實現連接,這款模組提供多個連接click板(包括各種LoRa和藍牙模組),可在原型設計階段向物聯網設計中添加連接。
Arduino和AVR-IoT WG開發板等用戶友好型工具,顯著降低了構建物聯網設備的難度。無論是一位嵌入式設計人員、製造商,或只是一個對此領域感興趣的網路粉絲,都可以建立一個物聯網的網路。這種強大的無障礙性再加上日益緊密的網路世界,確保了連接將持續以前所未有的方式,推動網路世界的進步。
附圖:圖一 : 物聯網(IoT)由連接到同一網路的成百上千個設備組成
圖二 : 作為消費性電子產品優先考慮的互聯網連接選項,Wi-Fi具備高速和無需接線等優勢。
圖三 : LPWAN能夠完美應用於農業領域,因為這些網路能夠以極低的功耗覆蓋大面積區域。
圖四 : 雖然衛星適用於蜂巢式網路服務無法覆蓋的偏遠地區,但目前商用物聯網很少選用。
圖五 : AVR-IoT WG開發板經過預先配置,可以安全連接到Google Cloud。
圖六 : MikroElektronika BLE2 click板可輕鬆整合到許多通用開發平台中。
資料來源:http://www.ctimes.com.tw/DispArt-tw.asp?O=HK4797B951MARASTDC&fbclid=IwAR3_OtyFVmk5i0ZfxLYXWDZUkEiA-BiVsDSQmv9B4LcZnntfyUARsRBeXUI
藍牙模組arduino 在 台灣物聯網實驗室 IOT Labs Facebook 的精選貼文
打造創客生態 台灣經濟再起飛
2015/06/01-DIGITIMES企劃
完整生態系未來產業發展的必然趨勢,透過技術的開放,產業規模將會全面翻轉,鋼鐵人實作聯盟創辦人蔡政和剖析目前的產業趨勢,從中分析出未來的產業發展型態。
3D列印將製造權從企業手上下放置一般個人,在此波浪潮下,市場上再次吹起創業風,製造產業鏈中的各環節,都有極具創意的創客投入,而此一產業生態的崛起,將帶動台灣經濟的再復興,在「創客生態系 台灣經濟再起飛的新契機」議題中,鋼鐵人實作聯盟創辦人蔡政和針對台灣目前的創業生態,提出相當精闢的看法。
Hacker與Maker攜手打造生態
蔡政和從資訊科技的演進,點出科技產業生態的變化,他指出IT技術的演進有幾個指標性的設備,像是早期的大型主機、中期的個人電腦、近期的移動式裝置,未來則無疑會是穿戴式裝置,從這些設備的特色,可以看出幾個趨勢,包括設備的體積漸小、效能漸強、計算裝置越來越貼近人體並滲入各式裝置、計算裝置越來越多樣性、開發啟動資本則逐漸降低。
這些趨勢與現在的創業環境息息相關,其中最重要者就是資訊與工具的取得相對容易,過去進入門檻高度降低,新型態市場帶來新型態門檻,新的創業生態已然成型,未來個人將會更有力量,但台灣的創業團隊如何與此一生態結合,獲取更大商機?
蔡政和先解釋傳統創業與新型態創業的不同,他指出傳統創業的過程多是先向親友募資,利用這筆資金設計生產,產品上市後接受市場檢驗決定成敗,現在的創業模式則是先以自有的小筆資金製造出產品原型,有了原型後再到募資平台上展示產品並募資,若原型募資平台上獲得投資人認可,則以募資而來的資金進入開發設計階段,最後在開始量產與銷售,若為市場接受,則可取得第2部分的資金延續生產,由現在的創業模式可以看出,募資平台的出現,可以讓創業者的創意、創新力落實更容易,而不像之前的創業模式的高進入門檻與高風險。
談到新型態的創業變遷,蔡政和指出,現在的Maker族群中常聽到「Arduino」一詞,Arduino代表的意義是開放性硬體(Open Hardware),他進一步表示,硬體設備所費不貲,過去只有大型企業才有能力擁有,但Arduino的出現,使得個人改變世界的成為可能。
Arduino剛問世時,只是單晶片的主機板與簡單介面,後來有部分專業工程師開始投入,有的研發出其擴展版,有的增加其函式庫,Arduino的日益進化,讓沒有相關技術基礎或時間資源不多者,更容易使用,蔡政和表示,過去在原型製作時,就曾透過Arduino取得陀螺儀加速器的函數庫與電路板設計,在短時間內就設計出其原型。
從Arduino的例子可以看出現在的整個創業生態,Arduino上的函式庫是由Hacker所研發,由此可以看到Hacker與Maker的合作,但這兩者的合作絕非如此單純,而是需要一定的系統化與規模化,進而建立基礎平台與開發社群,而非現在一對一的單點合作。
開放讓力量更強大
基礎平台的建立,可以讓技術開放,創造出更多可能與效益,蔡政和指出,過去製造業的技術資訊封閉,產品上市後無人知曉內含的技術為何?但現在企業若能將技術開放分享給外的Maker,則所或的的效益回饋,將會與其使用的Maker數量等比增加,整體的經濟規模將會完全不同。
不過Open source利弊兼而有之,當生產資訊完全公開,競爭力要如何維持?蔡政和表示,當知識成為易於利用的模組後,將可大幅降低Maker的學習成本,也使創作者可專注在創意構思上,而不用花太多心思在子系統的前備知識上,創作就變成類似拼圖或是樂高積木的過程。
這還導致了門檻的降低,不需要資電背景也能透過這些模組來創作,進而規模經濟引來更多廠商的投入,這就像當年大型電腦問世時,主要使用者都是學有專精的的專業人員,但當採開放式架構的個人電腦出現後,多數廠商競相投入,電腦變得越來越容易使用,整體規模也與當年不可同日而語,這就是開放的力量。
蔡政和再舉另一例子,現在Maker在設計電子產品時,常會使之與手機互聯,而目前最常用的通訊標準則是藍牙,以往的實作模式要先安裝藍牙模組,再撰寫通訊協定,但如今已有大陸廠商提供已經撰寫好通訊協定的藍牙模組,Maker只要安裝上去,設備就可與手機以藍牙互通,這種模組提供的方式,不但讓Maker易於使用,同時將本身技術包覆為模組,也可避免其專業資訊全面公開。
這種半開放半封閉的方式,對Maker與廠商來說,都是可接受的方式,一般耳機內建的藍牙,是直接內建在產品中,無法為外界利用,但如今這類藍牙技術設計為模組型態,開放給所有人使用,這就會為世界帶來改變。
產業環境變化帶來的影響,也可從電子書來觀察,當年eBook問世時,吸引了眾人眼光,大家開始討論閱讀習慣將會改變、eBook該如何輕型、省電,但過了一段時間,Apple推出iPad,eBook的聲勢遽跌,如今已不再有人討論。
不過觀察其發展消長,eBook並非因為iPad使用了其技術而消失,而是產品思維的不同,蔡政和進一步指出,過去的產品設計思維是線性思考,把書本內容電子化,就是電子書,而電子書就是下一世代的書籍,但iPad的思維則是將電腦書本化,延續了電腦原有的功能,還將書本內容移植過來,這也就說明了思維不同,就有機會翻轉經濟規模。
結合台灣優勢 站上世界舞台
思維的改變,也會影響到整體商業生態,蔡政和把時序拉回當年IBM的相容PC年代,當年最著名的事件就是Apple PC與IBM相容PC的競爭,後來採相容式架構的Microsoft & Intel贏得這場戰爭,這其中的勝負關鍵就是相容,相容性使得整個產業的廠商都站到同一陣營,無論Apple能力如何強大,也打不贏整個產業,在此情況下輸贏立判。
再把時間往後拉,Apple憑藉著iPhone、iPad再起,憑借的就是當年打敗他的相容性生態系,這次Apple創造了App store,App store吸引了大量的軟體廠商投入,並制定了完善的商業機制,建立起空前成功的生態系。
談到這邊就不難了解,未來產業的成功之道,就是擁抱社群,而這也是鋼鐵人實作聯盟的目標,鋼鐵人實作聯盟目前正在研發如電影「鋼鐵人」中的智慧型頭盔,透過市場上各Open source的力量,打造出可延伸感官的智慧型穿戴裝置,目前此一研發已有所成,蔡政和希望能結合台灣科技產業的力量,匯集成一股翻轉世界的力量,帶領台灣廠商走上世界舞台。
他以電動車大廠Tesla為例,Tesla當年大量採用了台灣廠商的技術,讓Tesla的電動車成為世界焦點,以此來看,台灣廠商的技術已不容質疑,所欠缺者只是整合的力量,蔡政和透露目前已有多數台灣大廠與鋼鐵人實作聯盟合作,蔡政和也希望透過這次的合作,可以打造出台灣的產業生態,將台灣經濟再次推上高峰。
附圖:鋼鐵人實作聯盟創辦人蔡政和。
資料來源:http://www.digitimes.com.tw/tw/b2b/Seminar/shwnws_new.asp…