採用無線技術的理由：無線遠端監控的優勢與挑戰

截至目前為止，業界已經投資大量時間與成本研究遠端監控的無線技術。然而，產業中的大型無線佈署作業卻才剛要起步。雖然縮減遠端監控應用的連接線可擁有多種優勢，卻仍必須克服多項挑戰。如 Wi-Fi 與 ZigBee 的標準規格，正持續於無線感測器網路中成長，卻也不斷產生新的難題。此份技術文件將討論無線技術的發展，與無線遠端監控應用的相關要點。

無線遠端監控的優勢

選擇以無線網路取代傳統連接線，不外乎有 2 個誘因：系統彈性與連接線的成本。

 彈性

由於無線監控系統不需使用連接線，理所當然具有較大的彈性。使用者不需死守著固定網路拓撲或系統設定，卻可擁有開放式的附加功能、升級、擴充，還有更多功能。此可降低設定量測作業的相關成本，並可透過相同系統進行更多量測。無線技術亦擴充了資料擷取作業的可攜性。於廠房進行量測可能必須耗費大量時間與成本。有了無線式感測器，即可大幅縮短設定時間。

且有多種應用並無法使用連接線。舉例來說，如起重機或油井鑽頭的移動式或旋轉式設備，即需使用滑圈 (Slip ring) 或另外固定連接線。這些機具附加物將提高系統的複雜性，並需定期進行維護。滑圈會逐漸耗損，並降低訊號的完整度。而無線技術可讓感測器隨著待測裝置旋轉或移動，幾乎不需要這些機具附加物。亦可縮短類比數位轉換器 (ADC) 與實際訊號源的距離，以提升訊號的完整性。

成本

無線遠端監控系統的彈性，亦可大幅省下成本。以廠房樓地板空間為例，機器使用壽命則與工廠操作方式息息相關。此處有 2 個要素可達到成本節省：縮短停機時間與精簡安裝人力。目前有越來越多的診斷量測作業，可協助檢查機器狀況與生產程序的效率。新增的感測器可讓使用者發現即將故障的零件，藉以縮短停機時間。只要相關資料越詳盡，使用者即可越快進行維修作業，避免發生嚴重問題。當然，這種機器的檢查功能，勢必增加額外的量測成本。當計算新監控系統的投資報酬率 (ROI) 時，亦無法忽略工業環境中的連接線費用。若考慮設計、原料、系統停機，與廠房連接線的成本要素，則連接線的價格可從每呎美金 $10 至 $1000 不等。若為高度分散式量測作業，則即便新增 1 組感測器，亦可能抵銷所可能產生的收益。而無線監控系統僅需極少的安裝與維護成本。

無線遠端監控的挑戰

遠端監控的經濟效益雖然顯而易見，但產業採用此項技術的腳步卻甚為緩慢。安全性、可靠性、整合性，與相關效能，均為無線量測系統在普及之前所必須克服的難題。

安全性與可靠性

大多數工程師在使用無線技術時的首要顧慮，即為安全性。由於早期如 Wired Equivalent Privacy (WEP) 的無線標準，並無法有效阻絕未經授權的存取行為，因此安全性成為首要考量要素。在無線技術普及之前，有 2 個必須先行解決的網路安全問題：存取與加密作業。

就本質來說，由於無線網路是透過電波訊號傳送資料的開放式系統，因此較有線網路 (如乙太網路) 更易於進行存取。當然，目前已有多種避免無線網路遭到隨意存取的方法。ZigBee 與其他低功率個人區域網路 (PAN) 的傳輸範圍均受到限制，因此可輕鬆限制其實際的覆蓋範圍。針對較大型的系統來說，如 IEEE 802.11X 的標準則是以 Extensible Authentication Protocol (EAP) 為架構，提供無線網路的存取權限。網路用戶端在存取網路之前，必須要能驗證自己的身份。針對避免未經授權的網路存取行為，仍有其他較不完整的方式。較安全的無線網路實例則包含 MAC 位址篩選、IP 位址篩選，與服務識別碼 (SSID)。

即便資料開放予未經授權的使用者，卻也未必能達到清楚完整的安全定義。在最近 10 年內，無線網路的資料加密方式，即從純文字 (Clear-text) 的廣播進化為 128 位元加密。進階加密標準 (AES) 目前已成為 NIST 標準，且為所有美國政府部門的必要安裝項目。ZigBee 與 Wi-Fi 均提供 128 位元的 AES 加密選項。可惜的是，大多數的無線使用者並無法利用新的授權與加密技術，使相關教育訓練成為目前無線安全的最大問題。

整合現有系統

無線安全解決方案的常見弱點，即為封閉式 (Proprietary) 網路連結協定。由於封閉式網路 (Proprietary network) 不對外開放，因此一般認為安全性較高。但此解決方案反而可能造成更大的問題。首先，若此協定的稍有閃失，則將危及整組系統。同時，封閉式網路極難以整合至現有的接線式系統。若要選擇封閉式協定，則將受限於使用特定製造商的網路元件，而無法整合現有的其他設備。軟體的情況亦然。轉包 (Turn-key) 所撰寫的資料記錄軟體一般均為封閉式 – 極難以進行修改。若製造商無法永續經營，則由製造商所定義的解決方案將具有極大風險。選擇標準架構的無線解決方案，將可降低上述風險。

使用標準無線網路架構的優點，包含較低成本、可互換不同製造商的產品，並有現成的使用範例。同樣的，如 IEEE 802.11 的標準亦可整合現有乙太網路系統。選擇開放式的軟體系統，則與彈性/整合性同樣重要。舉例來說，NI LabVIEW 即可同時溝通封閉式與標準架構的無線網路。

電池使用壽命

雖然依特定應用而有所差異，不過無線網路的第三項主要挑戰，即為電力問題。舉例來說，化學廠房中的電力問題，遠較網路連結功能來得重要。因此，要能進行網路連接線的最佳化更顯重要。針對其他應用，無線網路必須能夠達到完全不使用連接線。ZigBee 與 802.15.4 即是為了長距離的分散式監控應用所設計。無線感測器或稱為「Mote」的裝置，可限制其所收集的資料量與傳輸的頻率，使其內的電池可維持運作達數年。而業界目前亦正研發替代能源，除了太陽能電板之外，亦有可將振動轉換為電力的微型發電器 (Microgenerator)。

無線技術的未來

根據 Venture Development Corporation (VDC) 市調公司的報告指出，全世界的無線量測裝置與服務產值，將可於 2012¹ 年時超過美金 15 億。

針對工業級現場監控與控制應用，其目前與未來的世界性無線 (RF/微波) 產品的產值比較；

由 Network Interface Classes 公司製作 (單位為百萬美金)¹

無線網路連接協定必須更為成熟，才能夠克服早期技術的挑戰。透過 Wi-Fi 與 ZigBee 的標準，如 LabVIEW 的開放式軟體，無線遠端監控技術將持續普及且茁壯。

參考資料

¹James K. Taylor Venture Development Corporation. The Worldwide Market for RF/Microwave Wireless Monitoring and Control Products in Discrete and Process Manufacturing. March 2008.

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