低功率廣域網路(LPWAN)技術 激發智慧城市的物聯網應用

物聯網無線傳感平台專家  陳徐臣

從電腦到智慧型手機,連網設備逐漸滲透在日常生活周遭,常見的藍芽、Wi-Fi、3G或LTE等連線方式,伴隨著萬物聯網的趨勢,全球對於低功耗廣域網路(LPWAN, Low-Power Wide-Area Network) 需求增加,區分為使用免費頻譜,如SigFox、LoRa,以及3GPP主推使用授權頻譜的LTE CAT-M和NB-IoT等。低功耗廣域網路 (LPWAN) 雖然有各種不同的無線技術,但都具備共通的特色。
  • 低功耗:大範圍佈建的物聯網應用,會面臨到欠缺電源供應的問題,所以多數會以搭配電池或是太陽能設計,以低資料量傳輸來達到低耗能,避免頻繁的替換電池會造成後續的維護成本過高,因此在應用上會訴求多年或甚至高達十年以上的電池壽命。
  • 廣域的覆蓋範圍:長距離通訊的特色,以單一節點連結到閘道器或基地台,最遠距離可達到數公里甚至十多公里。藉由多個閘道器佈建,達到廣域範圍的網絡覆蓋,覆蓋範圍內的連線裝置即使位於不同區域、連線至不同閘道器,也能互相傳送資料,進一步提升資料傳輸的範圍。

另外,智慧城市需求應用可依照使用情境區分為兩大類:固定式或移動式。                               
  • 固定式:特色為傳輸量小 (<10Kbps),傳輸間隔由數十分鐘到數小時,藉由長時間的休眠達到低功耗,可以透過各類型的傳感器來收集周邊環境資訊,強化對環境的偵測、管理並提供資源分配,達到資訊即時性並可進一步改善生活品質。其中許多裝置的通訊,就仰賴比一般方式更省電的低功耗廣域網路來達成,部署在廣大的區域減少人員的維護或操作,對電池的需求會是以七年以上為需求。典型的案例如智慧電表,透過定時傳送消耗水電瓦斯的數據,取代用人工抄錶方式,可以讓能源消耗的資訊能更精準有效分析,進一步做到能源上的分配規劃。其他的需求應用也可包含警示偵測、智慧路燈、智慧建築、環境偵測、智慧停車、智慧農業等。 
  • 移動式:傳輸量較高於固定式的需求,應用需要較頻繁的連線,現階段多為車隊管理,透過3G或LTE傳送車輛路線位置、油耗及車輛狀態,進一步提供維修警示建議,來改善提升車隊效率。就連近日流行的共享單車,也隨著LPWAN的普及,逐漸更換低功耗廣域的無線技術來降低使用成本。相似的應用需求也包含了:資產管理、人員管理、畜牧偵測、貨櫃管理等。
針對以上的固定式與移動式情境,智慧城市中適合低功率廣域網路的應用包含:
  • 資產追蹤:設備或牛群等資產,搭載GPS或感測器,提供長距離的定位資訊,作為資產追蹤的相關應用。
  • 停車管理:於停車位上佈建感測器,駕駛人可透過平台或APP,搜尋距離最近的停車場與車位,降低車輛尋找車位的油耗,並提高車位使用效率。
  • 環境監測:國土或環境偵測,如:地震、橋梁、道路、土壤、水質及空氣品質等即時偵測資訊,都可以搭載對應感測器,做廣域範圍的環境偵測及資訊分析。
  • 智慧讀表:搭載水、電及瓦斯表,提供遠端自動讀表與洩漏偵測等服務,降低人工作業成本
  • 智慧建築:搭載CO, CO2, 火災、移動及溫溼度感測器,提供中控中心遠端偵測的相關即時資訊,降低佈建上的成本。  
針對智慧城市的應用,研華推出WISE-1510 LoRa 感知節點模組,可依照應用場域的需求搭配不同模式使用,例如: 公開網絡的LoRaWAN模式或是搭配WISE-3610 LoRa Gateway於私有網絡的Private LoRa模式 (圖一)。


圖一: WISE-1510 LoRa 感知節點模組可支援搭載電信商提供的LoRaWAN網絡服務或是搭配WISE-3610 LoRa Gateway適用於私有LoRa網路模式

WISE-1510 搭載Arm推出適用於Cortex-M 的   Mbed OS, 建構在RTOS kernel上並整合所需的物聯網連結性、安全性及共用的Driver API,開發者可以到Mbed開發平台上相關的免費資源,縮短整體開發時程,提升相關的安全性。WISE-1510採用模組化設計,整合了微處理器、收發器及標準化的I/O感測器介面,開發者可利用WISE-1510提供的軟體開發套件及完成的無線認證,減少整體開發費用。WISE-1510 LoRa節點與WISE-3610 LoRa閘道器整合端到雲的平台,可提供兩種WISE-PaaS/RMM 或是 Arm Mbed Cloud平台連結選擇,加速工業物聯網的應用開發。


低功率廣域網路(LPWAN)技術具備遠距離通訊與低功耗等特性,非常適合於智慧城市所需的大規模物聯網應用,市場上相關的無線技術不斷推陳出新,使用免費頻譜的Wi-SUN、SigFox、LoRa,以及3GPP主推使用授權頻譜的CAT-M和NB-IoT,不同於常見的Wi-Fi、Bluetooth智慧型手機上常見的通訊功能,LPWAN也有些缺點,就是因為遠距離及可使用的頻率帶寬,造成可傳輸速度很慢,當企業針對這類技術投入人力資源開發產品時,更應該因時因地依照不同的應用需求選擇適合的無線技術,畢竟很難靠單一無線技術來滿足智慧城市中物聯網的各類不同的要求。

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