我們正處於一個智慧運算無處不在的時代，通訊與運算技術日趨成熟，幾乎所有基於網際網路協議(IP)的連網設備、有線的以及無線的都可以進行連接，各種物件也開始變得智慧，並透過與雲端運算、巨量資料分析相連，將我們帶入一個物聯網(IoT)的新世界。工業物聯網(IIoT)正是其中的一個重要分支，它將在因應社會發展最迫切的挑戰中發揮關鍵作用，例如空氣污染、食品安全、智慧交通、遠端醫療與資訊化教育等。
工業物聯網(IIoT)只是IP連網裝置的三大類之一。其他兩項分類是消費性IoT以及機器對機器(M2M)裝置。比起消費性IoT或傳統M2M，工業物聯網的應用更加嚴格，更強調採用自主對等分佈式控制的M2M通訊架構。
目前以IP實現的物聯網可分為三類：消費性、M2M以及工業M2M。
圖1：目前以IP實現的物聯網可分為三類：消費性、M2M以及工業M2M。
隨著工業控制網路開發商越來越感興趣，物聯網目前正處於密集評估和迅速採用階段。大多數的IT、企業軟體、設備、半導體與服務公司都已經擁有設計物聯網的產品。與廣義的物聯網一樣，工業物聯網涉及的關鍵技術問題包括感測器、射頻辨識(RFID)標籤、嵌入式系統、網路傳輸以及閘道器等技術。
根據市調公司McKinsey Global Institute的統計，全球工業物聯網預計可望在2025年創造出每年約3-6兆美元的市場規模。這為半導體供應商帶來了大好機會，因為智慧化、通訊、感測、自主作業，以及環保都是物聯網的關鍵特性，而這些特性最終將轉化成對於微處理器、無線元件、感測器、電源管理等嵌入式技術的需求。
2025年以前，工業IoT可望創造出每年3-6兆美元的價值。
圖2：2025年以前，工業IoT可望創造出每年3-6兆美元的商機產值；其中，以醫療保健與製造業市場規模最大。
感測器與RFID技術新趨勢
在物聯網中，首先要獲得現實世界的各種資料，而這就需要感測器與RFID技術的支援。感測器技術正不斷地更新與變化，越來越多的智慧技術被應用在感測器上，網路技術也開始與感測器密切結合，例如Bluetooth Smart技術。Nordic Semiconductor戰術行銷經理John Leonard表示，Nordic的nRF51系列SoC是用於物聯網端點的理想方案，不僅支援Bluetooth Smart，還支持 ANT+以及Nordic專有的2.4GHz協議。
他強調，nRF51系列SoC在單一晶片上結合了功能強大的32位元ARM Cortex-M0、多協定2.4GHz無線電和快閃記憶體。Nordic晶片在單一元件上結合了物聯網的連接性以及執行應用程式的運算能力，再加上特別設計的SoftDevice軟體堆疊，為nRF51系列帶來一個清楚分離RF協定和應用程式碼的獨特架構，從而使工程師得以在最低風險的情況下方便且快速地開發應用。
而在RFID系統中，標籤可能預先被嵌入人們日常生活的任何物品中，透過對嵌入的電子標籤進行掃描、定位與追蹤，就能追蹤物品的狀態資訊，包括產地、生產日期、原始方式、材料與真偽等。
HID Global大中華區行銷總監趙建邦看來，RFID電子標籤技術是能夠讓物品自我介紹的一種技術。它可透過貼在物品上的特定標籤來收集物品的資訊，並透過無線通訊網路，把資訊自動傳輸到中央資訊系統，實現物品的辨識，進而以開放性的電腦網路實現資訊交換與分享，以及對物品的‘透明’管理。
HID Global可提供門禁和電腦桌面登入、認證與證件管理、卡片列印與個人化服務、訪客管理系統、安全政府ID，以及工業與物流的應用。對於RFID的應用，他舉例說，“HID Global曾經為澳洲海關與邊境保護署提供一組客製化RFID標籤解決方案，在各工作地點部署先進的資產追蹤系統，其中包括為每一個部門的武器與重要資產安裝標籤。”
“透過這套系統，可即時查看所有使用中的資產和庫存資產，即時獲得相關設備與武器的使用狀態與所在位置，總部也能根據最新資訊做出重要決策。新系統保障在履行職責時，工作人員都能取得適當的設備，而且設備運作正常。此外，該系統還降低了武器被盜或改造的風險。”
先進資料傳輸技術
工業物聯網開啟了將不同自動化系統產生的大量資料移至雲端的趨勢，以便進行先進的資料分析，用於機器診斷、預防性維護以及工業過程最佳化。隨著自動化系統及其相關的感測器/閘道器連接至雲端，半導體元件的用量將會大幅提高，包括傳統的現場匯流排、乙太網路與無線射頻等不同元件，均可用於實現連接性。
各種機器和設備變得越來越智慧化，並且需要網路連接。對此，Vitesse技術與戰略副總裁兼技術長Martin Nuss認為，這種連接最終都會透過乙太網路技術來實現，並為像Vitesse這樣提供低功耗、窄頻到中等頻寬容量與工業級溫度範圍乙太網路解決方案的半導體公司帶來了機會。
Martin Nuss表示，物聯網正經歷快速的成長與蛻變，而且就像先前的電信網路一樣，正朝向十億位元乙太網路(GbE)遷移。Vitesse已經針對工業物聯網的各種不同應用提供了相應的產品。例如針對高能效乙太網路，EcoEthernet 2.0透過支援多種EEE PHY，可在進行主動連結的閒置模式顯著地降低功耗，與全數據速率的1000BASE-T相較，可實現能耗降低高達85%；在安全性方面，Layer-2 IEEE802.1AE MACSec加密技術──Intellisec，則提供了一種低成本、低功耗和易於擴展的網路級安全機制。
此外，對於物聯網網路言，為了確保所連接的設備在進行資料擷取與系統控制時擁有精確的時脈，準確的時間‘同步’至關重要。Vitesse的VeriTime是一款經現場驗證可滿足物聯網網路確定性要求的時間同步解決方案，採用IEEE 1588v2 Precision Time Protocol高精度時間同步協定建置，可實現奈秒級精度的網路授時與同步。
乙太網路的確定性是工業物聯網的關鍵要求。這些系統必須具有可預測性和一致性，更重要的是必須同步，因此關鍵是授時。Martin Nuss舉例說，“在諸如高速封裝的產線上，你會發現數百台馬達必須密切地同步。對於任何高速產線來說，通常都要求達到亞微秒級以上的精確同步。即使只有一個馬達不同步，整條產線系統都可能發生災難。”
此外，Martin Nuss指出，功效在工業物聯網中也非常關鍵。因為更低的功率，通常意味著更低的成本。在許多工業應用中都需要密封罩，以便可在諸如高熱、濕氣、灰塵或甚至水下等惡劣的環境條件下運作。擁有更高能效的晶片可降低成本，並且更易於為這些環境構建解決方案。
針對低功耗，凌力爾特科技Dust Networks產品部總裁Joy Weisss也認同這個看法，她表示，凌力爾特致力於低功耗最佳化的電源管理產品，其中包括利用採集的能量作為電源。她以一個成功的工業物聯網案例表示，隨著工業市場上無線感測器與儀表連網的出現，Dust Networks的SmartMesh Wireless HART無線網格網路成為生產Wireless HART感測器和閘道器的儀器製造商首選。
在無線傳輸方面，ADI針對物聯網推出了AD9361無線收發類比前端。AD9361是一款高性能、高度整合的RF捷變收發器。該元件的可程式設計與寬頻性能使其成為多種收發器應用的理想選擇。該元件集RF前端與靈活的混合訊號基頻部份為一體，整合頻率合成器，為處理器提供可配置數位介面，從而簡化設計導入。AD9361工作頻率範圍為70MHz至6.0GHz，涵蓋大部分授權與免授權頻段，支援從不到200kHz到56MHz的通道頻寬範圍。該元件可用於小型基地台/femtocell等微型基地台設計，便於安裝與除錯以實現工廠自動化。
智慧化工廠的產品主要瞄準工業連網應用。ADI提供從4~20mA、RS-232、RS-485、CAN、LVDS等多種工業通訊協定的晶片，可支援隔離與非隔離、工業溫度範圍、含DC-DC隔離電源等技術；還有一些支援短距離無線通訊技術，提供可涵蓋不同頻段的高性能射頻晶片。這些晶片都為工業網路帶來很大的便利性，例如，ADM2582/2587帶隔離電源的整合RS-485介面晶片、ADM3052/3053帶隔離電源的CAN介面晶片均便於工業網路應用。
當然，在工業物聯網的資料傳輸過程中，除了乙太網路與無線射頻技術以外，也包括以新型感測器介面標準(如IO-Link)，以及廣泛佈設的現場匯流排標準所進行的連接。Maxim Integrated工業應用市場專家Suhel Dhanani表示，Maxim提供獨特的方案，能夠有效因應工業物聯網面臨的連接性與嵌入式安全方面的重大挑戰。Maxim擁有廣泛可靠的收發器PHY產品線，支援各種現場匯流排標準(如Profibus)，以及發展迅速的感測器標準(如IO-Link)。
Suhel Dhanani指出，“IO-Link方案具有先發優勢，在數位感測器這一持續成長的領域擁有較廣泛的市場接受度。我們還提供針對數位I/O卡的介面產品，允許採用一個整合元件因應8通道I/O；此外，還有完整的類比訊號調節器產品線，這類元件在感測器和類比I/O模組中的部署數量呈穩定成長趨勢。”
他還指出，在嵌入式安全領域，Maxim在POS金融終端和ATM設備相關的嵌入式安全方面擁有領先優勢。這一技術也被應用於需要在硬體層面進行保護的工業系統。這些產品的範圍從低成本認證引擎到能夠進行工業標準加密演算法處理的先進安全微處理器。
隨著系統供應商將工業資料移至雲端，使用工業物聯網實現最佳化控制、實現差異化診斷，對於可靠通訊、精確測量以及嵌入式安全產品的需求將持續擴增。Maxim已針對這三個應用領域投入巨大的精力，目前並正開發新一代、支援多通道的整合I/O Link元件、精度更高且功耗更低的資料轉換器，以及具有最新工業標準認證/加密演算法的防篡改嵌入式安全產品。
連網與運算無處不在
物聯網時代是一個運算無處不在的新時代，每個設備與物件都將具備運算能力，基於半導體的整合運算解決方案將在擁抱物聯網方面持續發揮關鍵作用，並將朝向尺寸更小、執行速度更快、功能更靈活、產量更大的方向演進。而開放來源的發展策略也更有利於生態系統的構建。
英特爾中國區嵌入式事業部總監曾明表示，英特爾的物聯網核心策略是透過開發內建Quark、Atom、Core與Pentium等核心的多種運算平台，提供與之配套的軟體解決方案，為更多的設備類別注入智慧，實現端到端的分析能力，並藉助智慧閘道器將傳統設備連接至雲端，以促進原本孤立的系統轉為互連設備，突破‘資訊孤島效應’，從巨量資料中挖掘商業價值，不管是在零售、交通、安全、工廠自動化，還是可穿戴技術領域，都能提供‘端到端’解決方案的開發與部署。
據曾明介紹，英特爾依次從‘物件、平台、資料分析和生態系統’四個層次，針對物聯網提供全面支援。首先，憑藉英特爾Atom處理器E3800系列、Quark系列晶片X1000以及Edison運算平台，英特爾的運算觸角得以從工業物聯網延伸到可穿戴式裝置等日益增長的細分市場。
其次是平台層面，著眼於閘道器的重要性，英特爾推出了軟體和硬體整合的閘道器系列，由英特爾的晶片、Wind River的軟體，以及McAfee軟體整合而成的解決方案，可在既有的系統與新系統之間建立連接的通用介面，支援網路供應商與服務供應者在通用平台上設計網路，從而更快落實可用的工業物聯網方案。
此外，英特爾提供垂直的端到端和分佈式分析能力，使設備與設備、終端系統與資料中心、資料分析與行動終端之間互連互通，繼而將物聯網產生的小量資料彙聚成為巨量資料，並使其經過過濾、分析與分享，最終變成可用的資訊。
最後，英特爾還將與更多當地合作夥伴協同合作，開啟更多創新、建立智慧與互連生態鏈，同時攜手解決各種挑戰。
邁向工業物聯網之路面臨挑戰
雖然工業物聯網的前景看好，但面臨的問題也不少。Joy Weiss認為如今的工業市場非常保守，新產品和新技術在得到廣泛採用之前，一定要實現非常高水準的可靠性。Suhel Dhanani指出，“工業物聯網益處頗多，但需要前期成本投入。成本來自於所有現場設備實現連接，管理工業環境中常見的各種不同標準。＂
此外，“Suhel Dhanani強調還必須說服客戶，使其確信未來所獲得的收益是值得前期網路開發成本投入的。因為無論在世界各地均可獲取工廠資料，以及利用巨量資料演算法進行過程最佳化與診斷。另一個瓶頸在於讓更多的人認清物聯網也可能削弱安全性漏洞、帶來惡意攻擊，甚至是剽竊生產IP/技術。”
網路通訊技術的發展可望促進工業控制的智慧化發展，因為網路通訊技術可將工業控制整合成一個系統，在最佳化的控制系統中實現智慧化，也易於將各個獨立的子系統與節點連接成更大的系統。
ADI市場經理張鵬指出，在工業網路技術領域，軟體技術的發展面臨巨大挑戰，因為真正雙向的通訊、智慧感測器與智慧通訊，都需要更高可靠性的軟體來支援，針對不同的控制物件也需要更多專業化與客製化的軟體。此外，針對工業應用複雜的現場以及特定的環境條件，高溫、高可靠性、需要隔離的元件也需要更多的新技術支援。
工業物聯網將是一個融合多種設備、網路、應用、互連互通的大規模網路。工業物聯網的發展至今尚未出現大規模的應用範例和成熟的商業模式。在曾明看來，這主要是由於缺乏工業物聯網發展規範和技術標準所致。
在工業物聯網的發展道路上，感測器、介面、通訊協議與管理協定等方面都需要建立統一的標準，才能整合與節約資源以及降低成本。曾明強調，“工業物聯網將推動傳統工業的資訊改造，實現產業資訊化、部門資訊化，從而推動社會整體的資訊化。工業物聯網要得到大規模的進展，就必須打破跨產業之間的壁壘，建立新的共用與協同管理體系與生產流程。”(Kevin Cheng)
資料來源:電子工程專輯
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