開發無線量測系統

無線通訊為量測應用提供多項優勢，包含降低接線成本與遠端監控功能。然而，若不知道各項無線標準的優點與缺點，則將難以選擇建置的方法或技術。此篇文件將討論目前市面上的無線技術，並說明 NI 量測硬體與 NI LabVIEW 所提供的無線通訊優點。

適用於量測與自動化的無線技術

在過去數年來，由於消費性電子產品的興起，進而普及了無線通訊技術。目前已有數百家無線設備製造商與多項標準。若能了解各項技術的優點與缺點，則可依自己的需求選擇所需標準。若以無線電波為基礎，量測與自動化的量測資料更形重要。下列為目前可提升量測系統的無線技術。每項均有騎不同的優點與功能。

Wi-Fi 與 802.11 b/g：IEEE 802.11 標準已用於無線 LAN 技術的多項規格。此標準為無線用戶端與基地台的無線傳輸 (Over-the-air) 介面，亦可溝通 2 組無線用戶端。初始 IEEE 802.11 則是以 2.4 GHz 的頻寬達到 1 或 2 Mb/s 通訊傳輸率。傳輸方式則包含跳頻展頻 (Frequency hopping spread spectrum，FHSS) 與直接序列展頻 (Direct-sequence spread spectrum，DSSS)。

802.11b 則針對此標準進而擴充成為 Wi-Fi，並成為家庭與辦公室常見的無線網路。其中不同之處，即為以 2.4 GHz 頻寬達到 11 Mb/s 的傳輸率。

802.11g 則可根據環境與雜訊條件，提供 20 Mb/s 或以上的頻寬。由於 IEEE 802.11 的穩定性、安全性，與市場普遍性，NI 因而選擇該協定成為 Wi-Fi 資料擷取的標準。此份文件後段將進一步說明 NI Wi-Fi 資料擷取 (DAQ) 產品的相關資訊。

IEEE 802.11 的重要功能：

• 操作頻率：b/g – 2.4 GHz
• 資料傳輸率：B/g – 11 Mb/s；g – 54 Mb/s
• 距離：b/g – 100 m
• 網路連結功能：點對多點
• 功率耗用度：高

藍芽 (802.1a)：由易利信 (Ericsson，現為 SonyEricsson)、國際商業機器 (IBM)、英特爾 (Intel)、諾基亞 (Nokia)，與東芝 (Toshiba) 公司共同研發的標準。此項通訊標準主要用於裝置於短距離的簡易通訊，一般為 10 公尺以內。然而，此項標準發展速度並不如 802.11，而主要原因即在於其距離限制與無線晶片的成本。目前電腦週邊連結、電話/免持聽筒的連結，與 PDA 裝置，均配備並使用此項標準。此無線標準亦為 2.4 GHz 頻率範圍，並使用高斯頻移鍵控 (Gaussian frequency-shift keying，GFSK) 以調變資料。該頻率的頻譜可分為 79 個通道，每個通道均相互間隔 1 MHz。如同 802.11，藍芽亦針對安全性使用跳頻，每秒可變換通道最多達 1,600 次。

藍芽的量測難題，即在於其受限的資料傳輸率與傳輸範圍。且其組態與安全性的擴充能力亦不如 802.11g。

藍芽 (802.1a) 的重要功能：

• 操作頻率：2.4 GHz
• 資料傳輸率：1 Mb/s
• 距離：10m–100 m
• 網路連結功能：Ad hoc
• 功率耗用度：中

GPRS、GSM：整合封包無線服務 (GPRS) 為跨行動電話網路的非語音服務，主要是進行資訊的收發作業。只要在無線訊號的涵蓋範圍之內，即可透過 GPRS 立即傳送或接收資料。不同於傳統的連接線，此系統並不需要另外建立連結；該系統一直處於連結狀態。對具有時效性與必須立即反應的事件而言，此則成為高優勢的應用。GPRS 必須依賴現有的全球行動通訊系統 (GSM) 網路，以封包架構的無線介面 (Air interface) 進行通訊。雖然 GPRS 的理想最高傳輸率可達 172.2 kB/s，但前提必須是在關閉防錯機制的情況下，僅有 1 名使用者於指定時間進行通訊作業。然而，其實際傳輸率往往低於固定式網路，並依週邊的通訊架構、無線訊號強度，與使用者的數量而產生極大的變化。

GSM 的重要功能：

• 操作頻率：GSM-850 使用 824–849 MHz，將資訊從移動終端 (Mobile Station) 傳輸至基地台 (Base Transceiver Station)，即為 Uplink 作業：而 869–894 MHz 則屬反向傳輸，即為 Downlink 作業。GSM-1900 使用 1850-1910 MHz，將資訊從移動終端 (Mobile Station) 傳輸至基地台 (Base Transceiver Station)，即為 Uplink 作業：而 1930-1990 MHz 則屬反向傳輸，即為 Downlink 作業。GSM-900 使用 890-915 MHz，將資訊從移動終端 (Mobile Station) 傳輸至基地台 (Base Transceiver Station)，即為 Uplink 作業：而 935-960 MHz 則屬反向傳輸，即為 Downlink 作業。共具有 124 個 RF 通道，並相互間隔 200 kHz。並使用 45 MHz 雙向區間 (Duplex spacing)。GSM-1800 使用 1710-1785 MHz，將資訊從移動終端 (Mobile Station) 傳輸至基地台 (Base Transceiver Station)，即為 Uplink 作業：而 1805-1880 MHz 則屬反向傳輸，即為 Downlink 作業。共具有 299 個通道。雙向區間為 95 MHz。
• 資料傳輸率：172.2 kb/s
• 距離：b35 km
• 網路連結功能：點對點
• 功率耗用度：根據傳輸器的複雜度，可為高至低耗用度。

無線數據機與封閉式 (Proprietary) 網路：目前有多家製造商針對極大的溫度範圍，與高衝擊/振動環境條件，特別設計工業級的數據機。亦有從窄頻 (UHF、VHF) 到免授權展頻的相關產品。窄頻 (Narrow band) 一般均需要經過授權、可提供較大範圍與較佳的衍生功能、不需可目視直線距離 (Line of sight) 亦可進行傳輸，並適用於低頻寬的應用。展頻 (Spread spectrum) 則不需經過授權、提供短、中，與長範圍的功能、一般均需要可目視直線距離 (LOS)，並適用於中至高頻寬的應用。

 

無線技術的優勢

無線技術對量測應用的主要優勢，即是可降低甚至完全不使用連接線或電纜。根據目前的應用與環境先天條件，實體接線可能價格昂貴、不夠便捷，甚至根本無法進行接線。相關範例即為移動/轉動式的平台、行動應用 (如車輛或起重機)，與複雜的接線架構。

無線通訊亦可延伸資料擷取與 I/O 功能的距離，可遠遠超出接線式系統的範圍。因此，如水處理廠與儲藏槽的大型比例作業 (Scale operation)，均廣泛使用無線技術。雖然無線網路硬體的初始投資成本，將高於傳統的接線式硬體，但包含安裝費用與操作成本的總系統成本卻明顯較低。

當決定要建置無線網路時，則有數個因素必須考量：

• 效能
• 範圍
• 安全性

效能
當談到效能，則必須考量到頻譜大小、距離、資料傳輸率、功率、使用者數量，與技術相容性。

雖然不同的無線標準代表特定的資料傳輸率，但實際應用中的資料傳輸率，僅可達到最大理想傳輸率的 30% 或更低。如 RF 干擾與使用者數量的因素，均可影響無線網路的效能。此外，若使用多組可相容的標準，則速度較快的無線標準亦將受限於較慢的標準。舉例來說，若於相同網路中使用 802.11b 與 802.11g 的裝置，則 802.11g 裝置的速度將降低至 802.11b 的資料傳輸率。

因此必須在範圍與傳輸率之間取得平衡點。硬體應該要能夠自動感測訊號強度 (除非使用者自行關閉該功能)，並要能於訊號轉弱時，自行降低傳輸率。舉例來說，802.11b 可自動從 11 Mb/s 降低至 5.5、2，甚至 1 Mb/s 的傳輸率。而針對大多數的網路連結功能來說，此頻寬便已堪用。

範圍

在一般情況下，無線裝置的範圍與其頻率成反比，但亦有例外情況。根據測試結果來看，即使 802.11g 與 802.11b 使用相同的頻率，但 802.11g 的範圍略大於 802.11b。目前市面上可延伸傳輸範圍的無線裝置，均超過 100 mW 的 Wi-Fi 檢驗限制，以提升介面卡的功率。在購買額外的存取點 (Access point) 之前，若當地的主管機關許可，則應先購買延伸無線範圍的介面卡。

定向天線 (Directional antennas) 常用於點對點的作業。此款天線可將訊號轉為窄束 (Narrow beam)，而並非基地台的等向天線 (Isotropic antenna) 一般，將訊號發送為全向。由此可知，若天線的增益越高，則可達到更窄的波束。因此，當增益升高，即必須跟著對準天線的方向。正因為如此，若接收器沒有朝正確的方向，就有可能遺失所傳輸的資料。定向天線的主要賣點，即是其增益額定 (Gain rating)。使用者可參閱天線的「波束寬度 (Beam width)」說明，即可了解增益所產生的影響。

安全性

建置無線網路的主要考量，即是其安全性。無線網路均快速發展並普及於商業區與住宅區，也因此造就包含私人資訊傳輸的多樣應用。隱私需求接著促進無線安全協定的發展，並讓無線技術朝著更高安全性的方向邁進。

初始的 802.11 標準即包含所謂有線等效加密 (Wired Equivalent Privacy，WEP) 安全協定，其加密的資料封包雖足以抵擋大多數的駭客，但仍有其弱點。企業往往需要功能更強大的加密/驗證系統，因此產生了 IEEE 802.11i (即為大家所熟知的 WPA2)。WPA2 具有可延伸式驗證協定 (Extensible Authentication Protocol，EAP) 與進階加密標準 (Advanced Encryption Standard，AES)；為 NIST 所認可的 128 位元加密運算式，並為美國所有的政府機關所採用。

另項提升無線網路安全的方法，即是將超出廠房/設施實際控制範圍之外的無線電波涵蓋範圍降至最低。由於此可降低駭客竊聽與攻擊的機會，因此可立刻提高無線網路的安全性。

若需要更多無線網路安全的相關資訊，則可參閱「Wi-Fi 資料擷取的安全機制概述」技術文件。

  

將無線功能新增至量測系統

Wi-Fi 與 802.11 b/g：NI Wi-Fi 資料擷取 (DAQ) 卡具有高標準且高安全性的技術，可透過高效能的串流功能進行簡單又安全的量測作業。除了可即時檢視資料之外，每通道並透過最高 51.2 kS/s 傳輸率，以串流動態波形量測作業。並內建訊號處理功能，可連接多種感測器，包含熱電偶、加速規、荷重元，還有更多。這些介面卡是以 NI C 系列量測與控制模組為架構，適用於 USB 資料擷取與 NI CompactRIO 可程式化自動控制器 (PAC)。

觀看 Wi-Fi DAQ 導覽 >>

圖 1. NI Wi-Fi DAQ

 

透過目前最高、最普遍的網路安全機制 WPA2，Wi-Fi DAQ 介面卡可避免系統遭到惡意入侵。認證功能將限制僅授權裝置可存取該網路，而加密功能可避免資料封包遭到攔截。Wi-Fi DAQ 介面卡支援多種 EAP 方式，為廣泛用於 DAQ 裝置與無線存取點之間的成熟認證技術。當然亦支援 128 位元的 AES 加密功能，為 NIST 所認可並用於美國所有政府機構的必要機制。透過高安全性的協定，即可整合無線連結功能與現有的企業網路。

Wi-Fi DAQ 介面卡包含 NI-DAQmx 驅動程式與量測服務軟體，搭配直覺式程式設計介面、設定公用程式、I/O 小幫手，與多項工具，可縮短系統設定、組態，與開發時間。

根據所使用的 NI 量測與控制硬體，還有其他選項可搭配作業。所有的 NI PAC 均具有乙太網路埠。如 NI Compact FieldPoint、CompactRIO、Compact Vision System (CVS)，或 PXI 系統，均可透過 NI PAC 連接至如 NI WAP-3701 的 Wi-Fi 存取點。現有系統可立刻透過無線網路進行通訊，且功能與接線式網路完全相同。

若是桌上型電腦或筆記型電腦搭配 NI 資料擷取卡，則可使用電腦的乙太網路埠連接 Wi-Fi 存取點，亦可使用普遍的 PCMCIA 與 PCI Wi-Fi 轉接器。目前幾乎所有新型桌上型電腦與筆記型電腦，均內建 Wi-Fi 功能。

當使用 LabVIEW 與 TCP/IP 的標準通訊協定時，不論是實體的乙太網路線或無線電波，均可於裝置之間來回傳輸資料。

舉例來說，LabVIEW 即內建多項 TCP 通訊的函式 (如圖 2 所示)。不論量測系統透過連接線或無線數據機連接至網路，這些函式均以相同方式進行作業。

 

圖 2. LabVIEW TCP VI

藍芽 (802.1a)：目前的藍芽技術格式 (或新的 Class 1 擴充規格)，最適用於一般作業系統 (如 Windows) 架構的量測系統。若將電腦做為主要量測系統時，則可利用 LabVIEW 所內建的藍芽程式庫 (如圖 3 所示)。目前有多款序列轉藍芽 (Serial-to-Bluetooth) 與 USB 轉藍芽 (USB-to-Bluetooth) 的轉接器，可將藍芽功能新增至桌上型或筆記型電腦。更有多款新型筆記型電腦內建藍芽接收器。多款 PDA 亦包含藍芽通訊功能，搭配 LabVIEW PDA Module 即可進行程式設計。

 

圖 3. LabVIEW 藍芽函式

 

GPRS、GSM：若要將量測系統設定使用 GPRS 網路，以無線功能傳送資料，則較其他技術略微複雜。下列為 GPRS 傳送資料的必要元件：

1. 支援 GPRS 的終端
2. 支援 GPRS 的行動電話網路業者將額外收費 (注意：若要使用 GPRS 則必須特別進行設定。某些行動電話業者可讓使用者直接存取 GPRS 網路，有些業者必須另外進行設定。)
3. 必須了解傳送/接收 GPRS 資料的方式，且將因使用的特定硬體而有所不同；包含軟體與硬體設定。
4. 透過 GPRS 傳送/接收資訊的目標定點 (注意：該標的物可為 URL、支援 GPRS 的裝置、接收資料的應用軟體，或行動電話。)

還有某些特別為 NI 硬體所設計的選項 (如圖 4 所示)，如 S.E.A. Science and Engineering Applications Datentechnik GmbH (SAE) 機構所採用的 CompactRIO GPRS/GSM 模組。透過此模組，即可透過行動電話網路，遠端監控行動式量測系統。若要得知標的物的確實位置，亦可搭配 GPS 模組。分散式系統可透過 RCC 模組達到時間同步 (Time synchronized)。這些量測資料擷取應用的平台，即為 CompactRIO 系統。此平台若整合 cRIO Gxxx 行動模組，則可成為行動系統的解決方案，如車輛、運輸、航太，與電信服務的應用。cRIO Gxxx 行動組合模組則提供 GPRS、GPS，與 Radio Clock 功能。該模組可進行定位，並傳輸量測資料或事件訊息。此外，並可雙向互換小型資料封包/參數與文字 (SMS) 訊息。

 

圖 4. S.E.A. 所使用的 cRIO Gxxx 模組與 NI CompactRIO 系統組合。

 

此項技術的常見應用包含相關設備、ATM 終端、汽車、遠端資料蒐集、燃料幫浦、工業與醫療遠端監控系統、遠端診斷、遠端計量、保全系統，與自動販賣機/遊戲機。

無線數據機與封閉式 (Proprietary) 網路：已有多家公司提供工業級設備，可於自由頻帶或私人授權頻帶中進行作業。封閉式 RF 網路的優點，即是可透過自有系統與頻率進行資料傳輸。除了可即時交換資料之外，並將避免產生額外成本。根據量測設備、距離、安全性，與成本考量，使用者可選擇多款數據機，透過軟體即可進行無線連結功能。

 

結論

將無線通訊功能新增至現有或新的量測系統，即可大幅提升距離、彈性，甚至降低成本。不論是使用 NI Wi-Fi DAQ、搭配資料擷取卡的電腦，或 NI PAC，均有現成配件可進行無線連結功能。一旦無線技術在成本與複雜度上有所突破，即可輕鬆整合無線技術與量測系統。

另請參閱：
Wi-Fi 無線資料擷取
PAC
NI LabVIEW 進行遠端監控