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物聯網整合感知新天地!
RFID+ZigBee+NFC+Wi-Fi

【作者: 鍾榮峰】   2011年01月27日 星期四

瀏覽人次:【5588】
  

物聯網:整合感知層的動態網路

當前物聯網(The Internet of Things;IOT)的核心概念,就是讓所有的物體都能夠連結到網際網路,並透過網際網路將所有的物體,聯繫成一整套層次分明的巨型網絡。


網際網路若要能掌握各種物體,就必須要能夠掌握各種物體的物理數據,物聯網就必須建立最基礎的感知層和相關技術。感知層的技術重點就是要把各種物體所表現出來的類比和數位訊號,完整而精確地蒐集到位。在這裡,感知層主要的技術內容幾乎包括所有的短距無線感測技術,強調高讀寫辨識能力、存取時間短、資料讀取傳輸速率更高,涵蓋RFID、二維條碼、ZigBee感測器、Wi-Fi和MEMS等。值得注意的是,近距離無線通訊(Near Field Communication;NFC)也將成為物聯網人與物之間重要的資訊傳遞交流技術,特別是透過智慧型手機這個環節。



《圖一  CES 2011展會上可以聯網的縫紉機家電產品相當引人矚目  攝影:柳林緯》
《圖一 CES 2011展會上可以聯網的縫紉機家電產品相當引人矚目 攝影:柳林緯》

物聯網包含了已經發展一陣子的無線感測網路(Wireless Sensor Network;WSN),但不僅侷限於此,例如目前火紅的智慧電網(Smart Grid),也是物聯網創新架構下重要的環節。2009年9月歐盟的CERP-IOT(Cluster of European Research Projects on The Internet Of Things)研究小組,就進一步擴展物聯網的定義:按照標準架構、可相互運作的通訊協定,並且具有自配置能力的全球動態網路基礎。這裡面物聯網的各類物體,就具備標識、表現、傳遞自身物理屬性和特性的智慧介面。這個智慧介面,就會以整合各種無線通訊和感測元件技術為核心。因此,不僅是感測元件和MEMS晶片或是RFID晶片廠商,更多無線通訊晶片大廠和模組廠商也紛紛投入物聯網的開發整合工程中。


物聯網管物流 RFID正當家作主

二維條碼和無線射頻辨識(RFID)是取代一維條碼的替代技術,儲存資訊容量成幾何倍數增加,兩者的存取時間辨識讀取速度快,可全方位辨識讀取。但由於RFID需要特製晶片,因此成本較高,估計可佔RFID讀取器整體成本的30~65%左右。


(表一) 物聯網主要感知技術特性簡表<製表整理:鍾榮峯>
主要感知技術 工作頻率 規範 讀取範圍 主要應用
RFID 超高頻UHF
(860~960MHz)
ISO 18000-C6
(EPC Class 1 Gen 2)
>1.5m 供應鏈為主
物料清點系統、站版、紙箱、單品、貨車追蹤、工廠自動化
高頻HF(13.56MHz) ISO 14443/15693 ~1.5m 航空行李標籤、電子機票、門禁識別證、智慧卡、圖書館、動物追蹤、
低頻(125~133kHz) ISO 11784/11785 <1.5m 門禁、動物追蹤、汽車防盜
微波(2.45或5.8GHz)   >1.5m 高速公路收費系統
NFC 13.56 MHz ISO/IEC 18092(ECMA 340)
ISO/IEC 21481(ECMA 352)
<20cm 被動式:
非接觸式付款(Contactless Payment)、ID識別門禁卡、信用卡、悠遊卡、電子錢包’、金融卡
主動式:
讀取廣告海報及標籤資訊、下載儲存網址和商品資訊、
ZigBee 2.4GHz(一般) IEEE 802.15.4 <75m 無線感測網路(WSN)、智慧電網(Smart Grid)、家庭監控
868MHz(歐洲)
915MHz(美國)
不過傳統的二維條碼印刷之後就不能修改,RFID可以多次讀寫,儲存量更高,讀取器可同時非接觸式識別多個標籤,可適應各種惡劣環境條件,抗污和耐久性高,因此在物流管理、證件安全辨識、票種驗證等應用上,RFID的發展空間相當大。現在二維條碼廠商也藉由後台服務模式,可進一步解決二維條碼不能多次讀寫和儲存容量有限的問題。 目前手機二維條碼應用正被市場看好未來發展潛力,主要包括讀取數據、解碼上網、解碼驗證和解碼通訊這四種應用模式。解碼驗證和解碼通訊被認為是改變既有商品供應鏈和購物方式的應用模式。 越來越多IC廠商已切入可支援兩種主要頻段的RFID晶片,其一是目前主流的高頻HF(13.56MHz)頻段,主要規範為ISO 14443/15693,其二則是發展潛力可期的超高頻UHF(860~960MHz)頻段,後者主要針對供應鏈管理應用。而以供應鏈應用為主的RFID標準化規格ISO 18000-C6(EPC Class 1 Gen 2),是晶片廠商重要的設計參考架構。RFID還包括125~133kHz低頻段、符合ISO 11784/11785規範的設計架構,而2.45或5.8GHz微波頻段則較少被使用作為RFID應用。


《圖二  CES 2011展會 攝影:柳林緯》
《圖二 CES 2011展會 攝影:柳林緯》

恩智浦(NXP)、英飛凌(Infineon)、德州儀器(TI)、奧地利微電子、Alien和Impinj(2008年收購英特爾RFID部門)、意法半導體(STM)、Hitachi是主要推出RFID晶片方案的國際大廠。例如恩智浦推出可支援超高頻、整合耦合元件和晶片的RFID標籤;意法半導體則推出可支援高頻HF作業的RFID晶片。


低頻RFID讀取範圍較容易受限,大約在1.5公尺之內,高頻RFID則會因為金屬物品接近而無法正常運作,超高頻RFID則會因為頻率相近會產生同頻干擾,在陰暗環境下也有可能影響系統運作,而在日本此頻段範圍則不被作為商業用途,也會影響超高頻RFID在不同區域的應用廣度。整體而言,強化安全性、增加記憶體、提昇資料共享與控制機制、內建防衝突機制設計防止相互干擾、並進一步整合其他感測技術,是下一代RFID晶片的設計重點。


RFID加上感測器就能扮演遙測裝置(Telemetry)的角色。RFID應用在無線感測網路架構時,屬於大規模分散系統(Large scale distributed system),不過RFID若要進一步整合各類多樣性的感測器,彼此電壓也不同,降低耗電、讀取器不相互干擾、避免無線長距離被干擾等技術難題,都有待克服,同時要讓價格成本符合商業化需求才能擴大應用。


炒熱行動電子交易 NFC晶片可望再創高峰

物聯網也包涵應用廣泛的電子交易網路,在這裡NFC(Near Field Communication)技術已經發展多年,今年預估在更多的智慧型手機和平板裝置裡,NFC晶片將會越來越普及。


NFC是以RFID(Radio Frequency Identification)標準為基礎所衍生發展的短距離無線通訊技術,其通訊距離不超過約20公分。NFC工作頻段為13.56 MHz,傳輸速率包含106、212、424 kbps三種,已獲得ISO/IEC 18092(ECMA 340)與ISO/IEC 21481(ECMA 352)標準認證,工作頻段低、傳輸速率低、安全性高,是一套正在實際應用的資料傳輸技術。



《圖三  NFC手機電子交易應用已經開始成為我們生活的一部分  資料來源:NXP》
《圖三 NFC手機電子交易應用已經開始成為我們生活的一部分 資料來源:NXP》

NFC主要應用在被動非接觸式感應卡片領域,以非接觸式付款(Contactless Payment)、ID識別門禁卡、信用卡、悠遊卡、電子錢包金融卡等應用為主,不僅可與恩智浦(NXP)的MIFARE(ISO14443A)、SONY的FeliCa以及ISO14443B、C等主流非接觸式介面規格設備相容,同時也能與Visa的PayWave、MasterCard的 PayPass或American Express的ExpressPay的開放式金融付款系統標準相通。日本公共交通與電子付費普遍採用的智慧卡系統便採用SONY的FeliCa界面規格,台灣捷運悠遊卡則是採用恩智浦的MIFARE規格。


NFC標準也可應用於主動操作模式,可讀取被動式智慧電子標籤的資訊,例如從互動式RFID廣告海報讀取及儲存網址和E-coupons、讀取路邊停車格的NFC標籤資訊、下載NFC Tag指向的音樂服務或商品資訊,或藉由NFC手機消費選單選擇購買指定商品。主動模式裝置作為初始端,亦即NFC系統定義的讀取端,利用本身的電能傳送載波,讓目標端吸收載波電能運作,被動地回應初始端的通訊連結。主動模式亦可藉由讀取外部NFC相容的RFID Tag,觸發各種手機應用服務。


(表二) 晶片大廠投入物聯網感知技術示意表<製表整理:鍾榮峯>
主要晶片大廠 物聯網主要感知技術
RFID ZigBee NFC
恩智浦(NXP)
德州儀器(TI)  
意法半導體(STM)  
英飛凌(Infineon)    
飛思卡爾(Freescale)    
博通(Broadcom)    
瑞薩(Renesas)    
三星電子(Samsung)    
奧地利微電子    
愛特梅爾(Atmel)    
Alien    
CSR    
Digi    
Impinj    
Hitachi    
沖電氣(OKI)    
以往在手機領域,NFC晶片發展並不那麼順遂,除了日本手機市場之外,NFC晶片在全球手機的滲透率不到1%。而在物聯網概念的推動之下,今年可說是NFC晶片在行動裝置領域騰飛的關鍵年。 目前推出NFC晶片的大廠,包括恩智浦、意法半導體(STM)、CSR、博通(Broadcom)、瑞薩(Renesas)等。處理核心授權大廠ARM也推出針對智慧卡及嵌入式安全應用設計的處理器核心架構。除此之外,三星電子也已經確定在今年Q1量產NFC晶片。 恩智浦長期耕耘NFC晶片和標準有成,不僅掌握大部份的NFC晶片市佔率和應用,並且先在行動手機交付和筆電領域站穩根基,例如Google手機Nexus S和聯想筆電ThinkPad,都採用恩智浦的NFC晶片。恩智浦也與意法合作,針對行動手機和Android裝置,開發NFC應用程式介面API。


《圖四  Whirlpool在CES 2011展會上也推出一系列Wi-Fi智慧家電產品  攝影:柳林緯》
《圖四 Whirlpool在CES 2011展會上也推出一系列Wi-Fi智慧家電產品 攝影:柳林緯》

瑞薩則是推出整合NFC和微控制器(MCU)的單晶片方案,可同步支援金融交易卡、捷運卡及身分證的功能。NFC還可整合其他無線連結技術,來增加設備通訊距離或提高資料傳輸速率。博通這次在CES大展上也推出整合NFC、Wi-Fi、Bluetooth和GPS的無線連結整合晶片方案,主要針對平板裝置應用而來。同樣地,三星正在量產的NFC晶片,也是以智慧型手機和平板裝置為主。


低功耗NFC晶片模組所需的電力相當小,內建NFC模組的手機即使在關機狀態,NFC功能可利用電池內僅餘極低電量繼續運作如常。若在電量極低的情況下,NFC晶片模組內某些功能若須與手機本身相互操作,自然就無法啟用。但以悠遊卡為例,即使手機因低電量關機,功能仍可持續運作。


ZigBee無線感測網路Ready Go!

無線感測網路(Wireless Sensor Network;WSN)已成為目前物聯網架構重要的內容之一,其中ZigBee無線感測網路相關技術發展也漸趨成熟。


WSN主要以感測器節點(Sensor Node)、無線閘道器(Wireless Gateway)、PC/NB以及資料處理中心(Data Server)所構成。WSN藉由具有通訊能力、佈建於生活周遭環境的各種微小感測器,感測到目標物的物理或化學變化後,利用隨意網路(Mesh/Ad-Hoc Network)將資訊傳給另一感測器,再將資訊傳輸到Wireless Gateway上,進而將資料傳給附近的PC/NB,再把資料傳輸到Internet,讓使用者可遠端監視控制目標物的變化資訊,並做好相關因應作為。


由於WSN需要佈建大量具有無線傳輸功能的感測元件,因此整體網路必須具備以下特性:低成本、低耗電、設計彈性高、可用度高、容易佈建以及範圍廣、具有容錯功能等。在感測元件上,要符合微細化製程、封裝體積小、可編程、可動態組成等特性。因為WSN應用範圍廣,需要針對不同情境設計出不同的WSN架構,因此並沒有固定的基礎結構(infrastructure),加上目前傳輸標準並沒有被大廠壟斷,有志者均可加入相關開發行列。


(表三) 台廠投入物聯網感知模組示意表<製表整理:鍾榮峯>
物聯網感知技術 台廠代表
RFID 晶彩科技、台揚科技、盛群、亞信電子、聯傑、譁裕、旺玖、工研院
ZigBee 台大系統晶片中心、資策會、達盛電子、瓷微科技、識方科技
NFC N/A
WSN感測硬體平台負責感測器之間溝通的傳輸介質,目前以ZigBee為主要骨幹,並輔以搭配RFID以擴展應用範圍。按照IEEE 802.15.4定義的ZigBee,工作頻段可分為一般的2.4GHz、歐洲的868MHz以及美國的915MHz,傳輸距離不超過75公尺,傳輸速率介於20kbps~250kbps之間。ZigBee晶片在傳輸時消耗功率可控制在27 mA以下,待機可降到0.3μA以下,低耗電待機模式下使用2顆3號電池可驅動6個月之久。 ZigBee網路拓墣支援星狀(Star)、樹狀(Cluster Tree)、任意型(Mesh)三種網路拓樸,能連接最高網路節點數,可依不同型態的WSN加以彈性靈活運用。另外ZigBee的安全性優勢,在於標準定義以128bit AES作為加解密演算法的方式,目前尚未被破解過,加上標準目前仍未被大廠壟斷,因此ZigBee在WSN的應用上更顯相得益彰。

《圖五  公車上的多卡辨識系統將來可辨識多種內建RFID的卡片,讀取卡片餘額並扣款。資料來源:Intel》
《圖五 公車上的多卡辨識系統將來可辨識多種內建RFID的卡片,讀取卡片餘額並扣款。資料來源:Intel》

Zigbee以其網路拓墣特性與成本優勢,可以作為Wi-Fi以及RFID的中介。目前ZigBee SmartEnergy 2.0標準便已經和Wi-Fi整合,進一步應用在家庭智慧電網(Smart Grid)領域,擴大無線感測網路的整合範圍。ZigBee並可結合RFID的識別長處,以達到物品管理、追蹤及定位等目的。ZigBee+RFID標簽成本雖然較被動式高,但仍具較長的傳輸距離(hands-free)、可調整危險區域的感應距離、可傳輸溫度數據、可進行人員與物品定位管理等等。最重要的是,RFID+ZigBee可同時監控龐大的標籤數量。


目前包括德州儀器(TI)、恩智浦(NXP)、飛思卡爾(Freescale)、愛特梅爾(Atmel)、Digi和日本沖電氣(OKI)等晶片大廠,都已經推出各類ZigBee晶片解決方案。


從RFID到ZigBee 物聯網台廠不缺席

目前台廠與研究機構已經陸續切入物聯網領域,相關零組件技術開發與整合作業正不斷持續進行當中。


工研院已針對物聯網智慧生活架構,推出一系列具有創意應用的RFID解決方案,例如微小化UHF RFID讀取器模組,整合Hitachi安全協定設計,可擴大應用於行動服務、定位追蹤、會展產業、工廠物流、安全自動化產業等物聯網環節。此外工研院也推出UHF RFID嵌入PCB智慧標籤產線,整合濕度感測和類比訊號輸入等功能,可應用在綠色電子碳足跡感測與追蹤管理。工研院也推出針對加工食品流通所設計的履歷追蹤系統。


台揚科技所推出的新一代RFID USB Dongle,能快速將資料讀取載入RFID讀取器系統,強調能提供完整軟體模組目錄,從前端的各種介面到後端ERP或資料庫系統,不僅都能下載,還可直接透過網路搜尋引擎尋找產品編碼資訊。此外,包括盛群、亞信電子、聯傑、譁裕、旺玖、晶彩科等都已投入RFID晶片開發行列,盛群也已經開發出整合RFID晶片的微控制器。晶彩科技則推出支援超高頻段(UHF)的RFID晶片,工研院則是推出支援862~956MHz超高頻RFID讀取器模組。



《圖六  日本晶片大廠對於無線感測網路的態度相當積極》
《圖六 日本晶片大廠對於無線感測網路的態度相當積極》

至於在物聯網重要環節的智慧電錶部份,台廠旺玖切入智慧電錶晶片領域、訊舟主攻智慧電錶無線通訊模組、盛達電業提供電力線內建通訊模組、康舒開發智慧電錶錶頭和電力線傳輸、正文和中磊則提供智慧電網傳輸設備等。資策會也與台廠合作開發物聯網重要領域,例如台達電與康舒切入智慧電表、光林與中盟主攻智慧照明領域等。


台大系統晶片中心則是著重於物聯網機器間通訊(M2M)和感知技術,在ZigBee無線感測網路、MEMS和紅外線感測技術上也有最新的研究成果。在ZigBee低功耗射頻技術和WSN應用部份,資策會、達盛電子、瓷微科技和識方科技也有令人矚目的研究成果。


工業電腦大廠研華將先從無線感測器、軟體(Web Access)、嵌入式無線通訊模組著手。而光群雷和鼎翰等台廠則投入二維條碼技術開發。亞信電子也針對M2M和物聯網應用,推出嵌入式Wi-Fi系統單晶片(SoC)方案,強調可應用在網路智慧型家電、工業設備、保安系統、遠端資料獲取、遠端控制監測及管理等物聯網環節。


Wi-Fi+App Store智慧家電物聯網漸成型

在今年1月CES展會上,智慧化居家操控應用也成為眾所矚目的焦點之一。各大資訊家電品牌大廠不約而同地將無線寬頻聯網功能整合在產品當中,同時搭配應用商店(App Store)的後台管理。這並意味著在物聯網整合趨勢下,今年居家智慧化家電產品將會有更嶄新的面貌於市場上出現。


綜觀此次CES展會,資訊家電品牌廠商大多數採用802.11n的Wi-Fi標準,作為路由器或是閘道器角色的Wi-Fi,讓家電裝置本身和相互之間,具備無線寬頻聯網功能。更進一步地,聯網電視扮演居家智慧化資訊管理平台的角色。消費者欲操控聯網電視或是各類聯網資訊家電產品,則可透過智慧型手機或是平板裝置,從App Store下載家電產品相適應的操控程式,便可達到操控目的。


因此無論是英特爾新推出的AppUp、還是三星針對聯網電視設計的App Store、或是Panasonic的Viera Connect、以及LG的App Store,都是將聯網電視視為整合居家智慧化訊息的核心平台,進而預先搶佔平台規格主導權的佈局動作。


大部分電視品牌廠商,是透過Android推出自有應用程式平台,除了LG、三星、Panasonic和Sony之外,中國電視品牌業者也多以Android打造自有平台,包括海信、COSHIP、海爾、TCL或是Skyworth等。


智慧化家庭應用最明顯的例子,就是LG所展示應用在智慧家電控制的THINQ技術,其便採用Wi-Fi作為路由器或是閘道器,透過智慧手機和平板裝置,進一步控制洗衣機和烘乾機、電冰箱和微波爐等家電用品,並結合智慧電表,形成一套居家智慧化的互連強化管理架構。值得注意的是,微軟也針對居家智慧化操控應用,設計出結合語音辨識和體感偵測的操作介面,並進一步提出以遊戲機XBOX作為串聯智慧家庭操控核心平台的架構。此外,藍光播放器也多數內建802.11n標準,連結各類影音終端產品,同樣地也透過DLNA作為傳輸影音內容的規格。三星也推出結合Wi-Fi和圖形化螢幕選單的聯網冰箱;Panasonic則是展示以聯網電視為核心平台、結合Wi-Fi家電產品的解決方案。


不僅如此,居家智慧化的物聯網應用,涵蓋面越來越廣泛,包括GE和英特爾合推家庭遠距照護解決方案,A-Lu和Tantalus合作的智慧電網方案,正文科技展示的家庭資訊裝置等等,Control 4也展示以單一介面操控家電的解決方案。


物聯網感知整合創意無限!

物聯網無所不連、無所不包的智慧管理網路概念和廣泛定義,更延伸出許多想像空間。例如智慧化居家操控應用將會帶動更多的新應用和操作體驗,家電無線化的腳步已經起動;或者藉由內建智慧管理架構的行動上網裝置,電動車駕駛人就可以透過網際網路掌握電動車的充電剩餘容量,並且在行車期間預先了解周遭環境內的充電站地點和數量。


物聯網不僅更擴大了網際網路的應用層面,並且讓物與物和人與物的連結更全面地整合在一起,藉此達到智慧管理、識別、監控、傳遞訊息的目標。物聯網可以給我們怎樣的驚奇,且讓我們拭目以待。


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Madmaniac發言於2011.01.31 08:41:08 PM
這麼快就破圖了, 網站管理實在失敗! 另外, 刊出文章竟然沒標示日期??
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