低成本工業自動化智慧聯網系統設計
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物聯網的主要3層架構：裝置端、閘道端、雲端，只要將這些連接起來，便可形成一種智慧聯網系統。而工廠要達到自動化，其智慧聯網系統便包含了行動裝置、智慧閘道器與感測？致動網路，以這樣的架構，便可組合出低成本的工業自動化智慧聯網系統。就讓中央大學的教授，來分享他們的看法與應用實績…
論壇最後，由國立中央大學資訊工程學系專任副教授兼智財技轉中心組長陳慶瀚博士，針對「低成本工業自動化智慧聯網系統設計」之議題做演說，他表示早在上個世紀90年代，曾開發過1位元的微控制器(當時稱作Microprogram Controller)，可控制16個離散狀態的工業設備。
隨著工業控制的需求增加，MCU發展到4、8、16到現在的32位元，傳輸方式從低速到高速、從有線到無線，加上週邊控制器的增加，組合出更多新的功能與應用，讓微控制器快速滲透進的工業自動化應用，特別是新興的工業智慧聯網浪潮。
典型的智慧聯網架構，可分成3層。第1層為感測與控制元件(如感測器、PLC、HMI、運動控制器、DIO裝置、RFID讀寫器)，也就是裝置端層；第2層為智慧閘道器(如RS232/485串列轉換、ZigBee Ethernet，與TCP/IP連結到IP閘道器)，也就是閘道？中繼層；智慧聯網架構的第3層是智慧雲端服務和行動運算平台，亦即透過手機？平板？電腦來進行自動化設備和裝置的遠端開發、部署、監控和管理。
在智慧聯網的第一層和第二層有許多技術的實現，都會運用到微控制器來設計，使得微控制器在工業智慧聯網系統越來越扮演重要的角色。
上述架構，對應到居家？樓宇監控應用中，第1層就變成RFID讀寫器、燈光、亮度、溫溼度感測器、指紋掃描器、攝影機，透過RS485/2.4G RF匯聚到第2層的閘道器，經由TCP/IP傳到第3層雲端伺服器，便可透過手機來管理與監控。
同樣地，若應用在工業自動化領域時，這個智慧聯網架構的第1層就換成許多各式工業感測器(亮度、溫濕度、傾斜？震動、色彩)和致動器？DIO？照明裝置、以及各式自動化設備，如PLC？HMI？工業攝影機等，藉由現場總線連接至乙太網路閘道器，再傳送至第3層雲端交由手機？平板？電腦進行遠端管理與監控。
工控技術挑戰多 選對架構不用愁
工業自動化的智慧聯網系統，涵蓋了：1. 行動裝置；2. 智慧閘道器；3.感測？致動網路。其中1到2為雲端？行動運算，須具備高性能、易擴充、多功能等特性；而2到3為嵌入式運算，須具備低成本、高可靠、即時性等特色。
然而工業智慧聯網技術的挑戰，在於開發週期太長、元件成本高、耗電過高、非即時性、可靠度不足、部署困難、網路節點無法同步、缺乏智能管理機制。因此，可以透過星形拓樸、內建網路IEEE1588精確時間同步協定、Modbus通訊協定、智慧型閘道器及裝置管理引擎，來簡化其系統設計。
陳慶瀚舉例以其微控制器實作工業一個即時、高可靠度的智慧型自動化端子台，包含閘道器平台模組、感測器？致動器模組。並可透過Modbus通訊協定來做DIO(slave)和閘道器(master)通訊。
在Modbus通訊協定的嵌入式軟體實作上，Master端透過功能碼？資料的請求，送到Slave端接收到請求後，即執行操作，然後將響應(操作碼/資料響應)傳回給Master端，以接收響應。MCU實作IEEE1588精密時間同步協定得以使自動化裝置達到精確度極高的同步資料擷取或事件同動。在閘道器端實作了一個嵌入式HTTP伺服器，使遠端使用者可以藉由網頁設定和監控底層裝置網路。
自動化下個目標 智慧感測來代勞
在應用案例部分，以智慧瓦斯表抄表物聯網中，裝置端可以透過無線抄表視覺模組，串連到智慧閘道器，其內含GVM遠端互動核心、RF無線通訊、嵌入式Web伺服器、GPRS模組(透過行動網路來監控)與Ethernet(連接至Internet)。
智慧影像感測網路中，其Camera的MCU具備影像、dPTZ、UART、Modbus slave功能，可將攝錄到的影像透過DCMI、I2C等介面傳至核心MCU，最後在透過USB、UART/SPC/I2C或Wi-Fi傳至PC或其他裝置。
在漁業應用中，以大閘蟹養殖監控物聯網為例，就包含了溶氧量、氨氮、水溫、溢位、溫濕度等5種感應器模組，串連後便連結至物聯網閘道器，然後即可透過Wi-Fi的方式，連至雲端資料庫模組，並透過雲端&行動平台來做監控。
同理，穿戴式感測器網路亦可以透過此架構，在核心內建各式智慧型感測器(如加速計、磁力計、陀螺儀、音訊、溫濕度、環境光等感測器)，讓智慧手錶與雲端做連結。
最後結論，也就是智慧聯網的下一步，就是：1.智慧感測與控制裝置上，要具備自我診斷、記憶、容錯等能力；2.智慧閘道器部分，要有整合異質性網路的閘道器、提供裝置網路與遠端行動裝置的計算服務；3.智慧遠端行動裝置，能具備遠端開發、部署、監控等能力。
