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物联网整合感知新天地!
RFID+ZigBee+NFC+Wi-Fi

【作者: 鍾榮峰】2011年01月27日 星期四

浏览人次:【9729】

物联网:整合感知层的动态网络

当前物联网(The Internet of Things;IOT)的核心概念,就是让所有的物体都能够链接到因特网,并透过因特网将所有的物体,联系成一整套层次分明的巨型网络。


因特网若要能掌握各种物体,就必须要能够掌握各种物体的物理数据,物联网就必须建立最基础的感知层和相关技术。感知层的技术重点就是要把各种物体所表现出来的模拟和数字讯号,完整而精确地搜集到位。在这里,感知层主要的技术内容几乎包括所有的短距无线感测技术,强调高读写辨识能力、访问时间短、数据读取传输速率更高,涵盖RFID、二维条形码、ZigBee传感器、Wi-Fi和MEMS等。值得注意的是,近距离无线通信(Near Field Communication;NFC)也将成为物联网人与物之间重要的信息传递交流技术,特别是透过智能型手机这个环节。



《图一 CES 2011展会上可以联网的缝纫机家电产品相当引人瞩目 摄影:柳林纬》
《图一 CES 2011展会上可以联网的缝纫机家电产品相当引人瞩目 摄影:柳林纬》

物联网包含了已经发展一阵子的无线感测网络(Wireless Sensor Network;WSN),但不仅局限于此,例如目前火红的智能电网(Smart Grid),也是物联网创新架构下重要的环节。2009年9月欧盟的CERP-IOT(Cluster of European Research Projects on The Internet Of Things)研究小组,就进一步扩展物联网的定义:按照标准架构、可相互运作的通讯协议,并且具有自配置能力的全球动态网络基础。这里面物联网的各类物体,就具备标识、表现、传递自身物理属性和特性的智能接口。这个智能接口,就会以整合各种无线通信和感测组件技术为核心。因此,不仅是感测组件和MEMS芯片或是RFID芯片厂商,更多无线通信芯片大厂和模块厂商也纷纷投入物联网的开发整合工程中。


物联网管物流 RFID正当家作主

二维条形码和无线射频辨识(RFID)是取代一维条形码的替代技术,储存信息容量成几何倍数增加,两者的访问时间辨识读取速度快,可全方位辨识读取。但由于RFID需要特制芯片,因此成本较高,估计可占RFID读取器整体成本的30~65%左右。


(表一) 物联网主要感知技术特性简表<制表整理:钟荣峯>
主要感知技术 工作频率 规范 读取范围 主要应用
RFID 超高频UHF
(860~960MHz)
ISO 18000-C6
(EPC Class 1 Gen 2)
>1.5m 供应链为主
物料清点系统、站版、纸箱、单品、货车追踪、工厂自动化
高频HF(13.56MHz) ISO 14443/15693 ~1.5m 航空行李卷标、电子机票、门禁识别证、智能卡、图书馆、动物追踪、
低频(125~133kHz) ISO 11784/11785 >1.5m 门禁、动物追踪、汽车防盗
微波(2.45或5.8GHz)   >1.5m 高速公路收费系统
NFC 13.56 MHz ISO/IEC 18092(ECMA 340)
ISO/IEC 21481(ECMA 352)
<20cm 被动式:
非接触式付款(Contactless Payment)、ID识别门禁卡、信用卡、悠游卡、电子货币包’、金融卡
主动式:
读取广告海报及卷标信息、下载储存网址和商品信息、
ZigBee 2.4GHz(一般) IEEE 802.15.4 <75m 无线感测网络(WSN)、智能电网(Smart Grid)、家庭监控
868MHz(欧洲)
915MHz(美国)
不过传统的二维条形码印刷之后就不能修改,RFID可以多次读写,储存量更高,读取器可同时非接触式识别多个卷标,可适应各种恶劣环境条件,抗污和耐久性高,因此在物流管理、证件安全辨识、票种验证等应用上,RFID的发展空间相当大。现在二维条形码厂商也藉由后台服务模式,可进一步解决二维条形码不能多次读写和储存容量有限的问题。 目前手机二维条形码应用正被市场看好未来发展潜力,主要包括读取数据、译码上网、译码验证和译码通讯这四种应用模式。译码验证和译码通讯被认为是改变既有商品供应链和购物方式的应用模式。 越来越多IC厂商已切入可支持两种主要频段的RFID芯片,其一是目前主流的高频HF(13.56MHz)频段,主要规范为ISO 14443/15693,其二则是发展潜力可期的超高频UHF(860~960MHz)频段,后者主要针对供应链管理应用。而以供应链应用为主的RFID标准化规格ISO 18000-C6(EPC Class 1 Gen 2),是芯片厂商重要的设计参考架构。RFID还包括125~133kHz低频段、符合ISO 11784/11785规范的设计架构,而2.45或5.8GHz微波频段则较少被使用作为RFID应用。


《图二 CES 2011展会 摄影:柳林纬》
《图二 CES 2011展会 摄影:柳林纬》

恩智浦(NXP)、英飞凌(Infineon)、德州仪器(TI)、奥地利微电子、Alien和Impinj(2008年收购英特尔RFID部门)、意法半导体(STM)、Hitachi是主要推出RFID芯片方案的国际大厂。例如恩智浦推出可支持超高频、整合耦合组件和芯片的RFID卷标;意法半导体则推出可支持高频HF作业的RFID芯片。


低频RFID读取范围较容易受限,大约在1.5公尺之内,高频RFID则会因为金属物品接近而无法正常运作,超高频RFID则会因为频率相近会产生同频干扰,在阴暗环境下也有可能影响系统运作,而在日本此频段范围则不被作为商业用途,也会影响超高频RFID在不同区域的应用广度。整体而言,强化安全性、增加内存、提升数据共享与控制机制、内建防冲突机制设计防止相互干扰、并进一步整合其他感测技术,是下一代RFID芯片的设计重点。


RFID加上传感器就能扮演遥测装置(Telemetry)的角色。RFID应用在无线感测网络架构时,属于大规模分散系统(Large scale distributed system),不过RFID若要进一步整合各类多样性的传感器,彼此电压也不同,降低耗电、读取器不相互干扰、避免无线长距离被干扰等技术难题,都有待克服,同时要让价格成本符合商业化需求才能扩大应用。


炒热行动电子交易 NFC芯片可望再创高峰

物联网也包涵应用广泛的电子交易网络,在这里NFC(Near Field Communication)技术已经发展多年,今年预估在更多的智能型手机和平板装置里,NFC芯片将会越来越普及。


NFC是以RFID(Radio Frequency Identification)标准为基础所衍生发展的短距离无线通信技术,其通讯距离不超过约20公分。NFC工作频段为13.56 MHz,传输速率包含106、212、424 kbps三种,已获得ISO/IEC 18092(ECMA 340)与ISO/IEC 21481(ECMA 352)标准认证,工作频段低、传输速率低、安全性高,是一套正在实际应用的数据传输技术。



《图三 NFC手机电子交易应用已经开始成为我们生活的一部分 数据源:NXP》
《图三 NFC手机电子交易应用已经开始成为我们生活的一部分 数据源:NXP》

NFC主要应用在被动非接触式感应卡片领域,以非接触式付款(Contactless Payment)、ID识别门禁卡、信用卡、悠游卡、电子货币包金融卡等应用为主,不仅可与恩智浦(NXP)的MIFARE(ISO14443A)、SONY的FeliCa以及ISO14443B、C等主流非接触式接口规格设备兼容,同时也能与Visa的PayWave、MasterCard的 PayPass或American Express的ExpressPay的开放式金融付款系统标准相通。日本公共交通与电子付费普遍采用的智能卡系统便采用SONY的FeliCa界面规格,台湾捷运悠游卡则是采用恩智浦的MIFARE规格。


NFC标准也可应用于主动操作模式,可读取被动式智能电子卷标的信息,例如从交互式RFID广告海报读取及储存网址和E-coupons、读取路边停车格的NFC卷标信息、下载NFC Tag指向的音乐服务或商品信息,或藉由NFC手机消费选单选择购买指定商品。主动模式装置作为初始端,亦即NFC系统定义的读取端,利用本身的电能传送载波,让目标端吸收载波电能运作,被动地响应初始端的通信链接。主动模式亦可藉由读取外部NFC兼容的RFID Tag,触发各种手机应用服务。


(表二) 芯片大厂投入物联网感知技术示意表<制表整理:钟荣峯>
主要芯片大厂 物联网主要感知技术
RFID ZigBee NFC
恩智浦(NXP)
德州仪器(TI)  
意法半导体(STM)  
英飞凌(Infineon)    
飞思卡尔(Freescale)    
博通(Broadcom)    
瑞萨(Renesas)    
三星电子(Samsung)    
奥地利微电子    
爱特梅尔(Atmel)    
Alien    
CSR    
Digi    
Impinj    
Hitachi    
冲电气(OKI)    
以往在手机领域,NFC芯片发展并不那么顺遂,除了日本手机市场之外,NFC芯片在全球手机的渗透率不到1%。而在物联网概念的推动之下,今年可说是NFC芯片在行动装置领域腾飞的关键年。 目前推出NFC芯片的大厂,包括恩智浦、意法半导体(STM)、CSR、博通(Broadcom)、瑞萨(Renesas)等。处理核心授权大厂ARM也推出针对智能卡及嵌入式安全应用设计的处理器核心架构。除此之外,三星电子也已经确定在今年Q1量产NFC芯片。 恩智浦长期耕耘NFC芯片和标准有成,不仅掌握大部份的NFC芯片市占率和应用,并且先在行动手机交付和笔电领域站稳根基,例如Google手机Nexus S和联想笔电ThinkPad,都采用恩智浦的NFC芯片。恩智浦也与意法合作,针对行动手机和Android装置,开发NFC应用程序编程接口API。


《图四 Whirlpool在CES 2011展会上也推出一系列Wi-Fi智能家电产品 摄影:柳林纬》
《图四 Whirlpool在CES 2011展会上也推出一系列Wi-Fi智能家电产品 摄影:柳林纬》

瑞萨则是推出整合NFC和微控制器(MCU)的单芯片方案,可同步支持金融交易卡、捷运卡及身分证的功能。NFC还可整合其他无线链接技术,来增加设备通讯距离或提高数据传输速率。博通这次在CES大展上也推出整合NFC、Wi-Fi、Bluetooth和GPS的无线链接整合芯片方案,主要针对平板装置应用而来。同样地,三星正在量产的NFC芯片,也是以智能型手机和平板装置为主。


低功耗NFC芯片模块所需的电力相当小,内建NFC模块的手机即使在关机状态,NFC功能可利用电池内仅余极低电量继续运作如常。若在电量极低的情况下,NFC芯片模块内某些功能若须与手机本身相互操作,自然就无法启用。但以悠游卡为例,即使手机因低电量关机,功能仍可持续运作。


ZigBee无线感测网络Ready Go!

无线感测网络(Wireless Sensor Network;WSN)已成为目前物联网架构重要的内容之一,其中ZigBee无线感测网络相关技术发展也渐趋成熟。


WSN主要以传感器节点(Sensor Node)、无线网关(Wireless Gateway)、PC/NB以及数据处理中心(Data Server)所构成。WSN藉由具有通讯能力、布建于生活周遭环境的各种微小传感器,感测到目标物的物理或化学变化后,利用随意网络(Mesh/Ad-Hoc Network)将信息传给另一传感器,再将信息传输到Wireless Gateway上,进而将数据传给附近的PC/NB,再把数据传输到Internet,让用户可远程监视控制目标物的变化信息,并做好相关因应作为。


由于WSN需要布建大量具有无线传输功能的感测组件,因此整体网络必须具备以下特性:低成本、低耗电、设计弹性高、可用度高、容易布建以及范围广、具有容错功能等。在感测组件上,要符合微细化制程、封装体积小、可编程、可动态组成等特性。因为WSN应用范围广,需要针对不同情境设计出不同的WSN架构,因此并没有固定的基础结构(infrastructure),加上目前传输标准并没有被大厂垄断,有志者均可加入相关开发行列。


(表三) 台厂投入物联网感知模块示意表<制表整理:钟荣峯>
物联网感知技术 台厂代表
RFID 晶彩科技、台扬科技、盛群、亚信电子、联杰、哗裕、旺玖、工研院
ZigBee 台大系统芯片中心、资策会、达盛电子、瓷微科技、识方科技
NFC N/A
WSN感测硬件平台负责传感器之间沟通的传输介质,目前以ZigBee为主要骨干,并辅以搭配RFID以扩展应用范围。按照IEEE 802.15.4定义的ZigBee,工作频段可分为一般的2.4GHz、欧洲的868MHz以及美国的915MHz,传输距离不超过75公尺,传输速率介于20kbps~250kbps之间。ZigBee芯片在传输时消耗功率可控制在27 mA以下,待机可降到0.3μA以下,低耗电待机模式下使用2颗3号电池可驱动6个月之久。 ZigBee网络拓墣支持星状(Star)、树状(Cluster Tree)、任意型(Mesh)三种网络拓朴,能连接最高网络节点数,可依不同型态的WSN加以弹性灵活运用。另外ZigBee的安全性优势,在于标准定义以128bit AES作为加解密算法的方式,目前尚未被破解过,加上标准目前仍未被大厂垄断,因此ZigBee在WSN的应用上更显相得益彰。

《图五 公交车上的多卡辨识系统将来可辨识多种内建RFID的卡片,读取卡片余额并扣款。数据源:Intel》
《图五 公交车上的多卡辨识系统将来可辨识多种内建RFID的卡片,读取卡片余额并扣款。数据源:Intel》

Zigbee以其网络拓墣特性与成本优势,可以作为Wi-Fi以及RFID的中介。目前ZigBee SmartEnergy 2.0标准便已经和Wi-Fi整合,进一步应用在家庭智能电网(Smart Grid)领域,扩大无线感测网络的整合范围。ZigBee并可结合RFID的识别长处,以达到物品管理、追踪及定位等目的。ZigBee+RFID标签成本虽然较被动式高,但仍具较长的传输距离(hands-free)、可调整危险区域的感应距离、可传输温度数据、可进行人员与物品定位管理等等。最重要的是,RFID+ZigBee可同时监控庞大的卷标数量。


目前包括德州仪器(TI)、恩智浦(NXP)、飞思卡尔(Freescale)、爱特梅尔(Atmel)、Digi和日本冲电气(OKI)等芯片大厂,都已经推出各类ZigBee芯片解决方案。


从RFID到ZigBee 物联网台厂不缺席

目前台厂与研究机构已经陆续切入物联网领域,相关零组件技术开发与整合作业正不断持续进行当中。


工研院已针对物联网智能生活架构,推出一系列具有创意应用的RFID解决方案,例如微小化UHF RFID读取器模块,整合Hitachi安全协议设计,可扩大应用于行动服务、定位追踪、会展产业、工厂物流、安全自动化产业等物联网环节。此外工研院也推出UHF RFID嵌入PCB智能标记产线,整合湿度感测和模拟讯号输入等功能,可应用在绿色电子碳足迹感测与追踪管理。工研院也推出针对加工食品流通所设计的履历追踪系统。


台扬科技所推出的新一代RFID USB Dongle,能快速将数据读取加载RFID读取器系统,强调能提供完整软件模块目录,从前端的各种接口到后端ERP或数据库系统,不仅都能下载,还可直接透过网络搜索引擎寻找产品编码信息。此外,包括盛群、亚信电子、联杰、哗裕、旺玖、晶彩科等都已投入RFID芯片开发行列,盛群也已经开发出整合RFID芯片的微控制器。晶彩科技则推出支持超高频段(UHF)的RFID芯片,工研院则是推出支持862~956MHz超高频RFID读取器模块。



《图六 日本芯片大厂对于无线感测网络的态度相当积极》
《图六 日本芯片大厂对于无线感测网络的态度相当积极》

至于在物联网重要环节的智能电表部份,台厂旺玖切入智能电表芯片领域、讯舟主攻智能电表无线通信模块、盛达电业提供电力线内建通讯模块、康舒开发智能电表表头和电力线传输、正文和中磊则提供智能电网传输设备等。资策会也与台厂合作开发物联网重要领域,例如台达电与康舒切入智能电表、光林与中盟主攻智能照明领域等。


台大系统芯片中心则是着重于物联网机器间通讯(M2M)和感知技术,在ZigBee无线感测网络、MEMS和红外线感测技术上也有最新的研究成果。在ZigBee低功耗射频技术和WSN应用部份,资策会、达盛电子、瓷微科技和识方科技也有令人瞩目的研究成果。


工业计算机大厂研华将先从无线传感器、软件(Web Access)、嵌入式无线通信模块着手。而光群雷和鼎翰等台厂则投入二维条形码技术开发。亚信电子也针对M2M和物联网应用,推出嵌入式Wi-Fi系统单芯片(SoC)方案,强调可应用在网络智能型家电、工业设备、保安系统、远程数据采集、远程控制监测及管理等物联网环节。


Wi-Fi+App Store智能家电物联网渐成型

在今年1月CES展会上,智能化居家操控应用也成为众所瞩目的焦点之一。各大信息家电品牌大厂不约而同地将无线宽带联网功能整合在产品当中,同时搭配应用商店(App Store)的后台管理。这并意味着在物联网整合趋势下,今年居家智能化家电产品将会有更崭新的面貌于市场上出现。


综观此次CES展会,信息家电品牌厂商大多数采用802.11n的Wi-Fi标准,作为路由器或是网关角色的Wi-Fi,让家电装置本身和相互之间,具备无线宽带联网功能。更进一步地,联网电视扮演居家智能化信息管理平台的角色。消费者欲操控联网电视或是各类联网信息家电产品,则可透过智能型手机或是平板装置,从App Store下载家电产品相适应的操控程序,便可达到操控目的。


因此无论是英特尔新推出的AppUp、还是三星针对联网电视设计的App Store、或是Panasonic的Viera Connect、以及LG的App Store,都是将联网电视视为整合居家智能化讯息的核心平台,进而预先抢占平台规格主导权的布局动作。


大部分电视品牌厂商,是透过Android推出自有应用程序平台,除了LG、三星、Panasonic和Sony之外,中国电视品牌业者也多以Android打造自有平台,包括海信、COSHIP、海尔、TCL或是Skyworth等。


智能化家庭应用最明显的例子,就是LG所展示应用在智能家电控制的THINQ技术,其便采用Wi-Fi作为路由器或是网关,透过智能手机和平板装置,进一步控制洗衣机和烘干机、电冰箱和微波炉等家电用品,并结合智能电表,形成一套居家智能化的互连强化管理架构。值得注意的是,微软也针对居家智能化操控应用,设计出结合语音识别和体感侦测的操作接口,并进一步提出以游戏机XBOX作为串联智能家庭操控核心平台的架构。此外,蓝光播放器也多数内建802.11n标准,链接各类影音终端产品,同样地也透过DLNA作为传输影音内容的规格。三星也推出结合Wi-Fi和图形化屏幕选单的联网冰箱;Panasonic则是展示以联网电视为核心平台、结合Wi-Fi家电产品的解决方案。


不仅如此,居家智能化的物联网应用,涵盖面越来越广泛,包括GE和英特尔合推家庭远距照护解决方案,A-Lu和Tantalus合作的智能电网方案,正文科技展示的家庭信息装置等等,Control 4也展示以单一接口操控家电的解决方案。


物联网感知整合创意无限!

物联网无所不连、无所不包的智能管理网络概念和广泛定义,更延伸出许多想象空间。例如智能化居家操控应用将会带动更多的新应用和操作体验,家电无线化的脚步已经起动;或者藉由内建智能管理架构的行动上网装置,电动车驾驶人就可以透过因特网掌握电动车的充电剩余容量,并且在行车期间预先了解周遭环境内的充电站地点和数量。


物联网不仅更扩大了因特网的应用层面,并且让物与物和人与物的链接更全面地整合在一起,藉此达到智能管理、识别、监控、传递讯息的目标。物联网可以给我们怎样的惊奇,且让我们拭目以待。


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Madmaniac发言于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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