利用堅固安全的藍牙感測器網路提升工業自動化效率

物聯網 (IoT) 感測器網路已證實是工業自動化、再生能源及智慧照明系統的革命性技術，可利用即時資料來提升效率，並透過預測性維護來減少停機時間。然而，隨著系統配備越來越多的無線感測節點，設計人員要在嚴苛環境中可靠地擴大這些工業物聯網 (IIoT) 網路時也面臨挑戰，同時還要將實作與營運的成本降至最低、解決網路擁擠問題，且要確保安全性。

本文將概述設計人員在拓展 IIoT 網路時面臨的問題。接著會介紹來自 Digi 的低功耗藍牙 (BLE) 模組與開發套件，並說明如何加以利用，以便快速有效地解決這些問題。

擴大無線 IIoT 基礎架構的挑戰

IIoT 涵蓋眾多應用，且相當講究資料擷取，以便提升效率與可預測性。以智慧照明為例，無線感測器會採集環境光和佔位資料，即時調整使用率，以節省能源及相關成本。

同樣地，再生能源應用也會使用遠距 IoT 感測器網路來監測多種能量來源，例如太陽能和風能。除了監測系統狀態與效能外，還可預測問題並動態調整電網供電。

如同其他採用工業自動化的領域，從活動零件採集到的資料是實作預測性維護的重要關鍵。在整個工業系統中安裝數百個無線感測器，就可提供詳盡的資料洞察，以便將流程最佳化、減少維護工作並降低運作成本。但是，隨著感測器網路規模擴大，就會出現一些對效能產生負面影響的問題，例如：

• 干擾：工業環境中常有馬達、切換式電源供應器及電弧焊接設備產生的高程度電磁干擾 (EMI) 問題。EMI 可能會導致間歇性問題並降低數據傳輸率，進而影響資料的有效傳輸。
• 網路壅塞：多個無線裝置若在近距離內運作，可能會導致網路飽和，造成延遲增加和連線中斷，進而阻礙即時監測並提高功耗。
• 安全性：駭客入侵是關鍵基礎設施 (如能源或物流) 的一大隱憂，因此感測器網路必須提供強健的安全防護。然而，隨著端點變多，漏洞也隨之增加。

另一項挑戰是將無線感測器整合到標準工業協定中。此整合可能涉及資料重新格式化及壓縮，以便減少網路流量；然而，這些流程需要在裝置上處理，但隨著感測器與通訊協定的數量增加，成本與功耗也會迅速上升。此外，隨著現場感測器變多，維護工作也越來越複雜，因為這些感測器的維護工作無法預測，無論是因為故障還是單純更換電池。

藍牙在大型 IIoT 中的優勢

在眾多 IIoT 無線協定中，藍牙可提供強大的解決方案，可解決隨著感測器網路擴大而產生的多種問題。例如，能透過調適性跳頻 (AFH)，提供高度的抗干擾能力。AFH 能將數據拆成多個小封包，透過多重頻率傳送，然後在接收端重新組合。任何遺失的數據封包若回報為遺失，就會重新傳送，以確保通訊的可靠性，並避免 EMI 導致長訊息遺失。

為避免網路壅塞，藍牙會在建立連線後，依據接收端進行傳輸功率的控制。此作法再搭配 AFH，就有助於節省電力，同時將 EMI 降至最低，能讓數百個無線裝置在同一個空間內運作。此外，藍牙可透過強大的加密技術和彈性的驗證協定來減輕安全漏洞的風險。

在 IIoT 部署中，大規模的藍牙感測器網路主要會透過專門搭配多個裝置的閘道器進行通訊。透過藍牙建立感測器節點，開發人員就能利用智慧型手機和平板電腦達到無縫互通，進而簡化設定與診斷工作，以便提升維護效率。

然而，為了讓無線網路適用於 IIoT，必須能可靠地承受嚴苛的部署條件、具備低功耗、符合成本效益並且容易維護。

在 IIoT 網路中運用工業級 BLE 模組

Digi 的 XBee 3 BLU BLE 5.4 模組和開發套件能讓設計人員以快速直覺的方式部署無線 IIoT 網路。這些模組具有 -40°C 至 +85°C 的工業級溫度耐受度，並採用閒置與睡眠運作模式，因此符合可靠性與電源要求。XBee 3 BLU 裝置分別具有 7.5 mA 和 8 µA 的電流消耗，可在難以接近的地點支援長期的遠端感測器安裝，因此無需定期更換電池就可提供寶貴的洞察。

其他主要特點包括：

• 最大數據傳輸率為 2 Mbits/s可從複雜機械取得詳盡的洞察
• 最大傳輸功率為 +8 dBm，在具有直接視線下，可在室內最高 15 公尺或室外最高 300 公尺下提供高傳真通訊
• 具有 13 個數位 I/O 及四個 10 位元類比轉數位轉換器 (ADC) 輸入，能靈活整合不同的設備及感測器介面
• 1.71 至 3.8 V 電源可提供彈性的電力選擇
• Digi TrustFence 可提供裝置與網路防護，包括安全啟動、受保護的硬體連接埠以及裝置驗證
• 進階 MicroPython 可編程性，能快速開發裝置上的資料處理與決策系統
• 完整的北美 (FCC、IC) 及歐洲 (ETSI) 法規許可

查看 XBee 3 BLU 模組選項

Digi 提供多款 XBee 3 BLU 型號，可滿足不同設計需求及感測器外型尺寸。XB3-24B5UM-J (圖 1) 是一款表面黏著解決方案，具有 U.FL 連接器可連接外部天線。類似的型號可提供晶片與 RF 墊片天線選項。

圖 1：XB3-24B5UM-J 可在工業環境中提供達到強大 BLE 通訊的薄型解決方案。(圖片來源：Digi)

此型式的尺寸為 13 × 19 × 2 mm，非常適合專為高度整合式工業環境而設計的薄型感測器，例如智慧燈具。直接焊接在印刷電路板 (PCB) 上，也能提升感測器在嚴苛環境 (例如工廠組裝線) 中的耐用性及可靠性。

XB3-24B5PT-J (圖 2) 則是通孔式的 XBee 3 BLU 模組款式。此型式採用 PCB 走線天線，並提供 U.FL 選項。

圖 2：XB3-24B5PT-J 屬於通孔式模組，可輕鬆抽換成其他 XBee 模組，以支援不同的無線通訊協定，可提供更大的設計靈活性。(圖片來源：Digi)

儘管具有較大的 24.38 × 27.61 mm 尺寸，此通孔型式能讓開發人員在針對其他多種應用設計 IoT 感測器時享有優勢。在通用的載板上安裝排針座，只要將此模組抽換成龐大 XBee 生態系統的其他模組，就可以相同的感測器設計支援不同的無線通訊協定。如此一來，就可減輕開發人員的設計工作量，並增添 IIoT 基礎架構的靈活性。

使用 XBee 開發套件簡化 BLE 架構的 IIoT 系統開發作業

為了加速專案建置，設計人員可以用 XK3-B5M-WBT XBee 3 BLU 開發套件展開流程 (圖 3)。其配備 XBIB 介面板和關鍵的週邊裝置，可立即支援無線感測器原型設計，包括：

• 電流監測針座器
• 溫度／濕度感測器
• 第三方感測器用的 Grove 連接器
• 可編程使用者按鈕
• USB 或電池供電選項

圖 3：XK3-B5M-WBT 開發套件是設計 BLE 架構 IIoT 感測器網路時的理想起點。(圖片來源：Digi)

此套件亦可存取 Digi XBee Studio。這套免費的多平台應用程式，可利用眾多開發工具加速上市時間，其中包括完整的 BLE 5.4 軟體堆疊，以及額外的說明文件和範例。具有簡易的圖形使用者介面 (GUI) (圖 4)，能對眾多 XBee 裝置同時提供簡易的逐步配置與管理。

圖 4：XBee Studio 是一個完整的軟體環境，可加速 XBee IIoT 節點的開發與測試。(圖片來源：Digi)

除了 XBee Studio 外，Digi XBee Mobile App 亦可進行本機配置與空中 (OTA) 韌體更新，因此方便現場故障排除。Digi Mobile SDK 可支援 iOS 及 Android 系統的應用程式開發，能讓開發人員簡化最終使用者與 XBee 架構感測器網路的互動，達成更簡便且高效的裝置管理。

結論

在設計大規模的 IIoT 感測器網路以進行資料擷取時，開發人員可能會遇到干擾、安全性、整合與維護方面的諸多挑戰。Digi 的 XBee 3 BLU 模組可提供低功耗、工業級的 BLE 解決方案，內建邊緣運算能力，可簡化資料管理作業。這些模組具備彈性的整合選項與完整的開發資源，是可靠的平台，可快速有效地建構並擴大進階的感測器網路系統。