Allion Labs / Hank Lee

大數(shù)據(jù)分析與自動(dòng)化控制是時(shí)代的主流，不管是車聯(lián)網(wǎng)、智慧家庭或是在智慧工廠等場(chǎng)域內(nèi)，IoT產(chǎn)品都扮演著非常重要的角色；透過無線通信的方式讓IoT產(chǎn)品與Server云端相互溝通進(jìn)而達(dá)成數(shù)據(jù)收集、自動(dòng)化控制與數(shù)據(jù)分析等功能。因此，許多廠商開始將傳統(tǒng)感測(cè)產(chǎn)品加入無線連接功能，并因應(yīng)不同場(chǎng)域與應(yīng)用，采用不同無線通信技術(shù)。

現(xiàn)行的無線通信技術(shù)可根據(jù)傳輸距離與傳輸速度來分成4大項(xiàng)(如圖一)：LPWAN、WAN、LAN及PAN。

1. LPWAN：此應(yīng)用為傳輸距離極遠(yuǎn)(>10km)但傳輸速度不需太高的場(chǎng)域，大多應(yīng)用在智能牧場(chǎng)。
2. WAN：此應(yīng)用場(chǎng)域?yàn)楣锏燃?jí)且要求傳輸速度快，適合的應(yīng)用如一般手機(jī)通訊與車聯(lián)網(wǎng)。
3. LAN：此應(yīng)用為距離短(<100m)但對(duì)于傳輸速度有一定的需求，例如智慧家庭的場(chǎng)域。
4. PAN：此應(yīng)用場(chǎng)域其傳輸距離小于100m且傳輸速度需求最低，例如智能工廠

(圖一) 無線通信技術(shù)應(yīng)用

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

(表一)通訊技術(shù)的特性

以抗干擾能力來看，藍(lán)牙?與NBIoT會(huì)有較佳的效果。原因在于雖然藍(lán)牙?工作頻率與Wi-Fi相同，但采用了跳頻技術(shù)會(huì)自動(dòng)閃避同頻率下較強(qiáng)的干擾訊號(hào)；NBIoT則是因?yàn)槭褂昧诵枰獔?zhí)照的頻段，自然不容易有干擾訊號(hào)。另以通訊距離作比較的話，NBIoT因?yàn)橛谢嘏_(tái)的布建，整體覆蓋范圍最大，其次是藉由使用低頻段(400MHz)訊號(hào)達(dá)到減少訊號(hào)在空氣傳播損耗的的LoRa。IoT產(chǎn)品廠商應(yīng)該要了解這些技術(shù)的特性并考慮產(chǎn)品使用的環(huán)境才能選擇最合適的通訊技術(shù)。

決定好要使用的通訊技術(shù)后，再來就是如何優(yōu)化IoT產(chǎn)品的無線效能。IoT產(chǎn)品大多都被使用在資料搜集，搜集后的數(shù)據(jù)會(huì)拿來做決策或是執(zhí)行自動(dòng)化控制，若無線效能不佳可能會(huì)導(dǎo)致以下幾點(diǎn)問題：

1. IoT產(chǎn)品不容易與Server保持穩(wěn)定聯(lián)機(jī)，裝置為了保持聯(lián)機(jī)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(fù)擔(dān)與維護(hù)的不便。
2. IoT產(chǎn)品在預(yù)定架設(shè)的位置根本無法與Server聯(lián)機(jī)，若要增設(shè)更多的訊號(hào)中繼站，相對(duì)的建置成本也會(huì)提高。
3. IoT產(chǎn)品無法進(jìn)行遠(yuǎn)程控制或是無法回傳數(shù)值，導(dǎo)致生產(chǎn)異?；蚴窃O(shè)備無法控制，進(jìn)而造成生產(chǎn)錯(cuò)誤或是機(jī)臺(tái)錯(cuò)誤動(dòng)作，讓產(chǎn)線產(chǎn)生額外成本甚至引發(fā)生產(chǎn)停擺的嚴(yán)重情形。

而在設(shè)計(jì)IoT產(chǎn)品時(shí)沒有對(duì)于無線效能做好把關(guān)，上述潛在風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)發(fā)生在你的產(chǎn)品上，最終造成用戶的不滿、失去對(duì)品牌的信任，嚴(yán)重的話甚至造成人力與成本損失。

另外，以智慧工廠的場(chǎng)域?yàn)槔?，過去我們也曾遇過一個(gè)實(shí)際案例。此產(chǎn)品為藍(lán)牙?氣壓傳感器(圖二)，主要用來做實(shí)時(shí)管線氣壓壓力偵測(cè)，避免管線壓力過大或過低而造成設(shè)備運(yùn)作產(chǎn)生問題。

(圖二)藍(lán)牙?氣壓傳感器

此類型產(chǎn)品的無線性能都是以 BT OTA方式來進(jìn)行測(cè)試，OTA測(cè)試包含2種指標(biāo)：TRP(Total Radiation Power) Pattern及TIS(Total Isotropic Sensitivity) Pattern。透過TRP數(shù)值可以了解IoT產(chǎn)品訊號(hào)發(fā)射的效能，當(dāng)TRP數(shù)值越大表示訊號(hào)發(fā)射的能量越強(qiáng)，這意味著IoT產(chǎn)品效能佳則可減少中繼站架設(shè)密度。而TIS則是可以知道IoT產(chǎn)品最小可接收到的能量，TIS數(shù)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(chǎn)品在哪個(gè)方向或位置會(huì)有比較好的效能。以圖三坐標(biāo)軸標(biāo)示可以清楚對(duì)應(yīng)代測(cè)物位置與3D Pattern/2D Pattern的結(jié)果，而圖四、五則為一個(gè)無線效能佳的2D/3D Pattern應(yīng)該長(zhǎng)什么樣子，場(chǎng)型越接近全向性（能量均勻分布在待測(cè)物周圍）表示產(chǎn)品不管在哪個(gè)角度都不會(huì)有死角。

(圖三) 藍(lán)牙?壓力傳感器坐標(biāo)軸

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

實(shí)際測(cè)試過藍(lán)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(qiáng)，反之顏色越接近紫色訊號(hào)發(fā)射就越弱。從TRP與TIS場(chǎng)型結(jié)果可以觀察到藍(lán)牙壓力傳感器的左邊與右下角(紅色箭頭)會(huì)有較佳的效能，而正前方藍(lán)色箭頭(+Z方向)為淺藍(lán)色，表示這個(gè)方位是藍(lán)牙壓力傳感器的能量較弱的位置，所以在架設(shè)的相對(duì)位置上，這個(gè)角度較容易發(fā)生斷線或不易連上線等問題，TRP與TIS場(chǎng)型都有一樣的現(xiàn)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(cè)物一個(gè)2D平面的訊號(hào)發(fā)射狀態(tài)，類似計(jì)算機(jī)斷層的切片結(jié)果(目前表示為X-Z Cut)。如下圖八、九，藍(lán)色?箭頭標(biāo)示的位置可以明顯地觀察到場(chǎng)型凹進(jìn)去表示能量較弱，而紅色箭頭標(biāo)示的位置則是凸出來表示能量較強(qiáng)。在這個(gè)平面上藍(lán)牙壓力傳感器場(chǎng)型的左上方與左下方(藍(lán)色箭頭)明顯的凹進(jìn)去表示能量弱，而正左與右下(紅色箭頭)凸出來為場(chǎng)型較強(qiáng)。以整體趨勢(shì)來看此傳感器上方與下方的無線效能較差，在使用使必須注意產(chǎn)品的擺放，應(yīng)該將場(chǎng)型較強(qiáng)的角度對(duì)到Server的方向才比較能夠減少發(fā)生問題的機(jī)率。此死角可能來自與產(chǎn)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(cè)視角度的TRP 2D Pattern、(右圖九) 側(cè)視角度的TIS 2D Pattern

近年來隨著工業(yè)4.0的興起，越來越多工廠會(huì)布建各式各樣無線產(chǎn)品來達(dá)成自動(dòng)化控制與數(shù)據(jù)收集。但是產(chǎn)品的無線效能不佳而造成回傳數(shù)據(jù)有遺漏或是無法精確控制，就會(huì)造成不可挽回的損失。唯有了解產(chǎn)品的無線效能才能有效降低問題的發(fā)生。百佳泰可以協(xié)助驗(yàn)證您IoT產(chǎn)品的無線效能，透過BT OTA測(cè)試來分析無線效能進(jìn)而避免上述問題，提升產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。