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| 圖1 研華嵌入式運算事業群專案經理汪嘉翔表示，標準化的介面與整合平台，可以有效解決工業物聯網設備開發上所遭遇到的種種難題。 |
工業物聯網(IIoT)應用範圍遍及各種垂直產業，對產品需求各有不同，本質上屬於高度客製化的應用。為了加快產品開發時程，業界正積極發展各種彈性化、標準化的感測器整合及聯網解決方案，試圖將各種工業物聯網應用所需的功能拆解成一個個如同積木般的模組，藉此減少應用整合所需投注的時間及人力資源，強化自身的競爭力。
感測器整合標準化 研華力推M2.com
研華嵌入式運算事業群(ECG)專案經理汪嘉翔(圖1)表示，工業物聯網是一個多層次的架構(圖2)，從最頂層的雲端運算服務、大數據分析，中層的各種邊緣智慧伺服器(Edge Intelligence Server, EIS)，到最深入作業現場的物聯網感測節點，都有非常多技術與平台可供選擇。要如何串聯起這些功能模組，或依照應用需求快速做出調整，是許多應用開發者共同面臨的問題。有鑑於此，研華與眾多晶片業者合作，力推M2.com。
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| 圖2 工業物聯網系統架構圖 |
M2.com本質上一個公開的介面標準，主要鎖定無線通訊模組與系統主板的連接應用。包含安謀(ARM)、博世(Bosch)、凌力爾特(Linear)、聯發科、高通(Qualcomm)、意法半導體(ST)、Semtech、德州儀器(TI)等晶片業者，都是M2.com介面的支持者。
在通訊技術方面，M2.com模組藍牙、Wi-Fi、IEEE 802.15.4與多種Sub-1GHz窄頻長距離通訊技術，例如LoRA、SIGFOX。在嵌入式作業系統方面，除了可選用安謀提出的mbed嵌入式作業系統外，也可以選用微控制器(MCU)供應商自己開發的即時作業系統(RTOS)。
由於具備廣泛而完整的通訊及作業系統支援，因此M2.com其實不只是個介面標準，更是個應用開發平台。開發者可以很輕鬆地藉由抽換模組來改變應用產品的規格與功能，加快產品開發速度並減少成本。此外，M2.com還具備IoT代理(IoT Agent)跟軟體開發套件(SDK)，可以很輕鬆地讓應用產品連上各種雲端服務，感測器廠商也可以更快完成系統整合作業。
在產品發展路線圖(圖3)方面，目前支援Wi-Fi的M2.com模組已經上市，支援LoRa的模組則預計在2016年第四季推出。到2017年上半，研華還將陸續推出支援LTE-M、SIGFOX、Wi-Fi/藍牙雙模的模組，來滿足客戶的各種應用需求。至於具體應用部分，農業、物件追蹤、智慧電表/水表/瓦斯表、智慧城市、智慧家庭與各種工業應用，都是其鎖定的市場。
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| 圖3 研華M2.com產品發展路線圖 |
FPGA搭配矽智財套件 IIoT應用一網打盡
工業應用一直是現場可編程閘陣列(FPGA)的主要應用市場之一，針對工業市場逐漸導入物聯網概念，FPGA大廠賽靈思(Xilinx)也已經做好準備，推出對應的解決方案。
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| 圖4 賽靈思亞太區工業醫療市場高級經理羅霖認為，工業物聯網產品的系統架構要保持很大的彈性，才能在基本功能之外，添加更多附加價值。 |
賽靈思亞太區工業醫療市場高級經理羅霖(圖4)指出，在工業市場上，MCU與FPGA一直是既競爭又合作的關係。很多基本應用可以靠MCU來實現，但如果要在基本產品之上添加與眾不同的附加價值，FPGA就有發揮的空間。
以聯網通訊為例，工業通訊市場還可以區分成工業乙太網(Industrial Ethernet)及現場匯流排(Field Bus)兩大類，但不管是哪個次領域，基本上都是標準百家爭鳴的狀態(圖5)，即便有些標準有較高的市占率，但領先幅度也不會太大。因此，對應用開發商來說，如何支援各式各樣的通訊協定，一直是很大的考驗。
更有甚者，在這些工業通訊標準協定中，有部分標準是必須要採用客製化的ASIC來實現的，不能只靠修改韌體。例如西門子(Siemens)主推的PROFINET跟PROFIBUS，就要搭配專用的晶片硬體。這對應用開發商來說，是相當棘手的一件事。
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| 圖5 各類工業通訊標準市占率分布圖 |
有鑑於此，賽靈思與矽智財(IP)合作夥伴HMS攜手推出Anybus矽智財套件，目前可支援PROFINET、EtherCAT、Ethernet/IP、POWERLINK、Modbus TCP等常見工業通訊標準，未來還會不斷增加。使用者只要在賽靈思的開發套件中勾選自己想要的通訊標準，設定好相關參數，FPGA就可以支援不同的通訊標準。
針對馬達控制(Motor Control)、機器視覺(Machine Vision)等其他工業上的常見應用，賽靈思也推出類似的解決方案架構，藉由簡單易用的開發環境來整合各種經過驗證的矽智財，協助應用開發商滿足不同的彈性、客製化需求。
值得注意的是，在工業應用進入物聯網時代後，對於系統的功能安全將會更加重視。因為聯網雖然能帶來極大的便利與價值，但同樣會為系統引進新的風險。
圖6是實現系統功能安全的V型模型。每個設計階段都有對應的功能安全驗證，藉此確保系統功能安全無虞。
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| 圖6 功能安全設計與驗證流程圖：V Model |
此外，未來實現更強固、可靠的功能安全特性，應用開發商最好使用兩套異質架構來處理同一個任務。這不是為了冗餘備援(Redundant)，而是要用兩套不同的架構的運算結果來互相比對，確認系統功能正常。這點對於絕對不允許出現任何閃失的應用，例如煉油廠、核電廠、軌道運輸等，特別有其必要性。
而這也是利用FPGA來開發工業物聯網應用一個很大的優勢。許多先進的FPGA都具備夠大的容量，而且先天上就很適合用來做平行運算，可以同時用不同的算法來彼此校驗。
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| 圖7 臣緯實業總經理呂志輝認為，設備溫度監控是工業物聯網裡面非常關鍵的一環。貼附式感測方案將可解決棘手的布建與感測可靠度問題。 |
感測器深入前線 易安裝/高可靠度最關鍵
就如同感測器在一般消費型物聯網中扮演重要角色，在工業物聯網裡面，感測器也是不可或缺的元素，而且往往跟生命財產的安全息息相關。事實上，根據內政部消防署的統計，2015年台灣發生的火災中，有超過4成與電氣有關。
臣緯實業總經理呂志輝(圖7)表示，機電設備無處不在，不管是一般住商大樓還是工業廠房，都一定要有空調、配電等機電系統。不過，機電系統往往也是最容易發生意外事故的地方，因為相關設備的溫度往往不低，而且除了維修保養人員定期檢視外，這些設備的日常運作狀況如何，很少有人會做即時監控。這也是很多重大火警的起火點都在機電室的原因。
現今工廠與大樓供電的高低壓配電系統、中央空調、冷熱水系統常因施工不當、設備所處環境惡劣或疏於保養等原因釀成大禍。貼附式溫度感測器容易安裝，又不用破壞設備表面，幾乎可以安裝在任何設備或管線上，具備很高的布署彈性，是監控設備溫度的理想解決方案(圖8)。
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| 圖8 貼附式溫度感測器具備很大的安裝彈性，幾乎可以應用在任何機電系統跟設備上。 |
呂志輝進一步說明，在貼附型溫度感測設備問世前，要監控設備或管路的溫度，最常見的做法分別是用紅外線測溫槍跟不鏽鋼溫度探棒。但這兩種做法各有其問題，紅外線測溫槍最大的問題在於準確度不夠，測溫槍跟待測設備的距離、背景環境的溫溼度都會影響量測結果，且無法長時間監測；不鏽鋼溫度探棒的應用則有很多限制，例如只能用在液體管線上，而且還要在管線上鑽孔才能安裝。由於是破壞性探測方法，因此可能會造成其他問題。貼附式溫度感測器則沒有上述問題，而且感測精準度極高，其誤差範圍在攝氏0.1度以內。
