2012年10月25日 星期四

智慧交通浪潮來襲


        物聯網近年來被各國政府視為重點發展項目,以台灣為例,政府在南投推行i236智慧生活科計計畫正是物聯網應用的代表之一。最終的目標則是要打造一個智慧城市,智慧城市除了以物聯網為基礎以外,車聯網也是核心的架構之一。交通是一個城市發展的動脈,唯有良好的交通建設,才有可能帶動一個城市的發展。近年來由於汽車的普及,所造成的交通擁塞、排放汙染都已經成了不可漠視的問題。此外車輛的主被動式安全性,不僅保護著駕駛人的生命安全,也可以減少交通意外所奪走的無辜性命,因此包括智慧運輸系統((Intelligent Transportation SystemITS)、車載資通訊(Telematics)及車用電子(Auto Electronics)等皆可涵括在車聯網的範疇內。

什麼是車聯網
車聯網(Internet of VehicleIOV)是指車與車、車與路、車與人、車與傳感設備能交互聯繫,實現車輛與公眾網路通信的動態移動通信系統。它可以通過車與車、車與人、車與路互連互通實現資訊共用,收集車輛、道路和環境的資訊,並在資訊網路平台上對各方資訊進行加工、計算、共用和即時發布,根據不同的功能需求對車輛進行有效的引導與監控管理,並能提供專業的多媒體與移動互聯網應用服務。


從網路上看,IOV系統是一個「端管雲」三層體系:
第一層(端系統):端系統是汽車的智慧感測器,負責採集與獲取車輛的智慧資訊,感知行車狀態與環境;是具有車內通信、車間通信、車網通信的通信終端;同時還是讓汽車具備IOV定址和網路可信標識等能力的設備。

第二層(管系統):解決車與車(V2V)、車與路(V2R)、車與人(V2H)等的互連互通,實現車輛自組網及多種異構網路之間的通信與漫遊,在功能和性能上保障即時性、可服務性等。

第三層(雲系統):車聯網是一個雲架構的車輛運行資訊平台,它的生態鏈包含ITS、物流、客貨運、特殊車輛、汽車維護、汽車租賃、企事業車輛管理、保險、緊急救援、移動互聯網等,是多源資訊的彙聚,因此需要虛擬化、安全認證、存儲等雲計算功能,其應用系統也是圍繞車輛的資料彙聚、計算、調度、監控、管理與應用的複合體系。       

因此,為了能讓所有車輛靜、動態資訊,都可在資訊網路平臺上進行存取和有效利用,許多感測技術如將電子標籤裝載在車輛上,並透過無線射頻等識別技術,如RFID技術、GPS技術、行動通訊技術、無線網路等,對所有車輛的運行狀態,依照不同需求,進行有效的監管和提供綜合服務,形成一個車與車(V2V)、車與路(V2R)及車與人(V2H)互連互通的「車聯網(Internet of VehicleIOV)」,便成為智慧交通應用能否成功的關鍵。

全球通用的汽車IDGID
IOV最核心的技術之一是根據車輛特性,給汽車開發了一款GID(Global ID)終端。它是一個具有全球連網能力的通信閘道和車載終端,是車輛智慧資訊感測器,同時也具有全球定位和全球網路身分標識(網路車牌)功能。

GID具備了目前車聯網所需要的V2VV2I和全球漫遊與覆蓋功能,不單純是一種Telematics(車載通訊)設備。更突出的是,GID使汽車具備了「網路車牌」或「網路身分證」的能力,解決了物聯網中最困難的移動定址與可信標識無法分離的問題,且增強了網路身分的可信度。此外,配合雲後台系統,GID可隨時把車況、行車狀態,甚至是交通事故黑盒子即時上傳。


GID獲得的多方動態資訊是車聯網、機器移動、ITS、雲計算領域的一種創新型應用技術。當車輛裝載了GID終端後,汽車與交通狀態資訊可以從其衍生的技術被有效蒐集,這些狀態涉及車輛行駛(位置、方向、速度、加速度),車體(內外溫度、空氣流量、胎壓),動力(油壓、轉速、機油),車輛安全(安全帶、氣囊、門窗鎖),環境(天氣、路況、擁塞)等,從而讓車輛從一台台毫不相干的個體成為了解決道路和交通矛盾的智慧互聯主體。

中國智慧交通官方戰略已出爐
目前各國政府包括巴西、印度、日本及美國等,都已經或即將強制所有車輛安裝各種可用來辨別汽車身分的技術,包括GPSRFID、安全ID晶片等,顯示車聯網已經成為未來非常重要的趨勢。


以大陸為例,目前也已大舉投入車聯網的建置規劃,由於中國機動車數量龐大,根據中國公安部的資料,截至20126月底,中國機動車總保有量達2.33億輛,與2011年底相比,增加826萬輛,增長3.67%。其中汽車1.14億輛,摩托車1.03億輛。全國機動車駕駛人達2.47億人,其中汽車駕駛人1.86億人,已成為僅次於美國的第二大汽車消費市場。

目前中國大陸的智慧交通與車聯網產業,才剛剛進入導入期,主要是透過物聯網技術,載入車載資訊終端,高速公路、城市交通的感知設備應用,也才開始普及,一些基本的車載資訊服務如導航、定位、娛樂等功能,也才剛開始應用,但由於車聯網項目已被列為中國國家重大專項中的重要專案,「交通運輸業智慧交通發展戰略(2012-2020)」也已經發布,這將是中國第一部通過政府檔形式發布的智慧交通發展戰略。

中國交通運輸部科技司副司長洪曉楓透露,政策推出後,希望能在公路電子收費、交通資訊服務、交通運行監管、集裝箱運輸、公車輛、營運車輛及船舶動態監管等領域,實現規模應用和產業化,爭取2020年相關產值過人民幣千億元,勢必會引發相關產業的高度關注,造就另一波新商機。

由於目前車聯網相關的研究,皆側重在解決車與車(V2V)、車與路(V2R)、車與人(V2H)等的通訊問題上,然而車聯網的主體還是在車輛本身。因此在跨入車聯網的研究領域,還是需要先從瞭解車輛本身的架構及車內通訊網路開始。然而隨著車輛電子控制系統日趨複雜,且新的車內通訊網路不斷的被開發出來,而各國際汽車大廠間又有各自的通訊格式,對新跨入此領域的學習者而言會造成莫大的負擔。

台灣優奎士推出的智慧車載資通訊實驗系統,是一經過精心設計的實驗平台,搭配由國內知名學者撰寫的教材,不僅介紹了常見的車內訊通網路,並以現今汽車電子系統最常使用的CAN BUS為主軸,講解了CAN BUS的原理並精心設計許多實驗引領使用者入門。本實驗系統並搭配UBIKIT 6612嵌入式實驗系統,其搭載現今最普遍使用的Android 平台,並有CAN BUS控制介面,可教導學生開發Android 應用程式透過CAN BUS去控制 ECU節點。UBIKIT 6612嵌入式實驗系統並具備3.5G行動上網模組,可讓使用者開發雲端相關的應用程式,是一套能符合車聯網所需的實驗平台。


1. 智慧車載資通訊實驗系統

下圖為虎尾科技大學資工系許永和教授基於智慧車載資通訊實驗系統,所開發的車輛翻覆求救系統,參加教育部舉辦的一百年度全國微電腦應用系統設計製作競賽,奪得嵌入式系統類大學部「第二名」的佳績。


2.車輛翻求救系統

Reference
1.      DIGITIMES中文網 原文網址中國官方戰略公佈 牽動智慧交通產業佈局


2.      DIGITIMES中文網 原文網址車聯網與智能交通系統的全球性轉變() 

3.      DIGITIMES中文網 原文網址車聯網與智能交通系統的全球性轉變()

2012年10月10日 星期三

物聯網之物流與自動倉儲應用


情境應用:倉儲自動化的物聯網


以物流自動化倉儲為情境應用目標,設計一物聯網ZigBee情境應用系統開發實驗室。傳統上倉儲自動化以RFID使用為主,透過電子標籤及讀取器改善傳統上需要人工逐一清點及記錄貨物的缺點,大幅的減少時間及人力需求。RFID可分成被動式RFID和主動式RFID兩種,兩者主要的區別在於被動式RFID讀取器和標籤彼此間的通信是透過近距離感應,可分成電磁感應方式及射頻共振感應兩種方式,主動式RFID Tag則內建電池,可以主動發出信號,適合遠距離通信使用。
RFID也有諸多限制,如讀取距離問題,RFID設計構想是要取代條碼應用的低成本、近距離的射頻身份識別系統。電子標籤和讀取器之間是一種主從關係,彼此間的通信完全依賴於RFID標籤耦合或反射出的信號,也因此限制了RFID遠距離通信的能力,此外還有RFID卡的天線方向位置和讀寫器天線方向的匹配問題,系統的靈活度會大打折扣。此種近距離的RFID 應用被稱為被動式RFID



1. 被動式RFID架構圖

RFID 為了改善讀取距離的問題,提供了遠距離讀取的方案,即主動式RFID,其電子標籤內建電池,會主動發射訊號,也因此其成本較被動式RFID高出許多。除了成本提高外,主動式RFID 還有諸多缺點,如抗雜訊能力低、佈建不易、秏電等問題,此外為了達到遠距離讀取,通常會提高天線增益,更有可能會違害人體的健康。


2. 主動式RFID架構圖

為了改善RFID的缺點,可以利用ZigBee無線感測網路來替代其在自動化倉儲中的使用。ZigBee無線感測網路基於IEEE 802.15.4協議,使用無需特別申請的2.4GHz頻段。ZigBee無線感測網路具有相當多的優點,詳列如下:
1.   具有低功秏的特性,當節點未發送訊號的時候是處於低秏電的睡眠狀態,當需要節點工作時,可透過信號將其喚醒工作,藉以節省秏電。
2.   傳輸範圍彈性大,其網路拓撲可分成星狀網路、樹狀網路和網狀網路。若傳輸範圍較小,可使用星狀網路佈建,若傳輸範圍較大,則可採用樹狀或網狀架構佈建,透過router節點當中繼點,轉傳終端節點的信號,進而擴展其傳輸距離。
3.   ZigBee具有自動組網的功能,當設定好節點的父節點和頻道後,會自動加入該無線感測網路,而無需多餘的設定和調整,ZigBee無線感測網路理論值可以支援到65535個節點,足以提供倉儲中大量貨物所使用。
4.   通信方式採用直接序列展頻技術(DSSS),相較於主動式RFID具有較佳的抗雜訊能力。
5.   ZigBee支援AES 128bit加密演算法,可確保資料的安全性。

現今倉儲占地廣大,因此透過自動化管理來減少人力需求及智慧管理的目標,是未來的趨勢之一。本計畫預計透過上述的ZigBee無線感知網路結合嵌入式系統來達到自動化控制功能,透過ZigBee無線感測網路和RFID的結合,強化貨品的管理。

一、貨品管理及資訊顯示
透過使用ZigBee結合MiFare模組來實現貨品數量的管理,在倉儲中每一個貨品架上都使用一個電子標籤,當人員有取出貨品時,直接透過Mifare 模組去感應電子標籤,並透過ZigBee無線感測網路將資訊傳回遠端server自動記錄產品的異動量,並將即時更新的數量及貨品資訊顯示在貨架上的e-paper 顯示器。

二、溫溼度控制
某些貨品如高科技精密儀器,或是生鮮食品等,對溫溼度的要求特別嚴格,因此規畫使用溫溼度感測模組,自動監測溫溼度,並在溫溼度未達標準時,自動啟動空調系統,此外發生異常時也能透過GSM模組發送簡訊通知管理者。

三、燈光自動控制系統及其他應用
由於倉儲佔地廣大,照明需求量大,透過ZigBee光照度模組和LED燈光模組實現燈光自動調節的功能,以達到省電的效果。搭配紅外線感測模組,可以量測人員的體溫,並結合三軸加速度模組可以實作人員跌倒偵測,當人員在倉儲裡發生意外,可以即時前往救助。並配有步進馬達控制模組和陀螺儀模組,多種模組應用於自動化控制上。
為了達到上述的情境應用,可透過ZigBee 感測實驗模組來布建物聯網感測層,並利用UBIKIT 6612當作資料收集器,經由UBIKIT 6612上的通訊模組,將搜集到的資料透過雲端的方式傳往server作數據分析,並開發Android應用程式運行在UBIKIT 6612上,控制ZigBee感測模組,另外倉庫管理者可透過智慧手機和電腦與UBIKIT 6612溝通,真正體現了物聯網應用層、網路層和感測層完整的學習和應用。


3. 情境應用實驗室架構圖

情境應用:物流車管理

UBIKIT 6612嵌入式平台也可結合IP Camera,讓管理者遠端視頻監控倉儲現場,及透過網路追蹤物流車目前的位置。由於交通繁忙,遇上大塞車時,導致物流車不能及時送達貨品,這對物流業者是一大考驗,因此在物流車上可以使用UBIKIT 6612結合GPS,紀錄行車軌跡,透過網路將目前的位置上傳儲存到倉儲端的Server,管理者可以使用UBIKIT 6612或智慧型手機透過網路即時得知目前物流車的位置,進一步安排管理送貨路線,即時避免掉可能塞車的路段,讓貨品準時送達使用者手上,也可讓收件者即時查詢貨品配送情形。
亦可運用CAN BUS在車體上構建一車聯網,加入三軸加速度計可實作車輛翻覆通知,當貨車在路上發生翻覆意外時,透過UBIKIT 6612無線網路模組發送GPS座標及車輛編號至管控中心,即時派人前往救援。在低溫物流車體上可以搭配溫溼度感測模組,全程記錄及監測溫溼度變化,確保貨品的品質在運送過程中不會受損。相關情境應用請參考下圖:


4. 車載資通訊實驗系統



圖5. 物聯網物流實驗室情境應用圖

2012年10月4日 星期四

Zigbee VS. Z-Wave 智慧型無線感測網路分析比較



為解救能源危機,因應節能、環保、安全、健康等趨勢,全球各地紛紛掀起綠建築風潮,透過智慧化、採用資通訊技術,打造優質居家空間。在眾多有線/無線通訊技術當中,以無線感測技術實用性最高,最能滿足綠建築的使用需求。而構建無線感測網路的技術又有許多種,如ZigBeeZ-WaveINSTEON等,彼此之間競爭激烈,其中尤以ZigBeeZ-Wave較受矚目。兩種技術各有其優缺點,ZigBee應用範圍廣泛,Z-Wave則專注於家庭控制及數位家庭市場,兩者在家庭無線感測網路市場上短兵相接。
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無線感測技術脫穎而出  
資訊與通訊技術高度發展,包括微電腦技術、數位通訊技術、自動控制技術、感測器元件微型化技術等,成為綠建築智慧化的重點,可結合智慧建築的有線/無線通訊技術包括紅外線、藍牙、超寬頻、無線區域網路、WiMAXZigBeeZ-WaveINSTEONX10、電力線通訊(Powerline Communication, PLC)等多種技術。相較有線通訊技術,無線通訊技術更受到矚目,且以無線感測網路(Wireless Sensor Network, WSN)最受青睞。   

ZigBee應用層出不窮  
目前無線感測網路可採用的通訊協定包括ZigBeeZensys Z-Wave SmartLabs INSTEON,比較上述技術,以ZigBee的技術可行性最高,其特性包括高資料傳輸速度、高可靠度、低功耗、低成本、支援多樣性的網路架構、低功率長距離、可加密提高資料安全性及使用頻段為免費的2.4GHz/868MHz/915MHz等。ZigBee是開放性標準,由ZigBee聯盟制訂無線通訊協定標準,推動相容性測試(Compliance Test),可確保不同廠商間的產品可以互通。此外,ZigBee的應用可擴展至住宅、辦公大樓、產業環境等領域。  
無線感測網路的感測器節點包含一個微型處理器(通常是低功耗的微控制器)、無線通訊晶片、各種感測器、足夠的記憶體和硬體能力等。ZigBee SWOT分析整理如下:
優勢(Strength)
Ø  IEEE標準化規範
Ø  用途廣
Ø  傳輸量高
Ø  可加密
Ø  節點多
劣勢(Weak)
Ø  成本較高
Ø  市場定位不明確
Ø  穿透性弱
Ø  功耗較Z-Wave
機會(Opportunities)
Ø  廠商開發有明確的規範依循
Ø  開發具有彈性
Ø  許多國際大廠皆為ZigBee聯盟會員
Ø  完整的產業鏈
Ø  技術開放
風險(Threats)
Ø  技術較為複雜、開發時間長
Ø  產品需進行互通測試
Ø  家庭自動化市占率低
1. ZigBeeSWOT分析


Z-wave市場策略精準  
Z-wave是由丹麥公司Zensys所一手主導的無線組網規格,Z-wave聯盟(Z-wave Alliance)雖然沒有ZigBee聯盟強大,但是Z-wave聯盟的成員均是已經在家庭自動化領域有現行產品的廠商。尤其是國際大廠思科(Cisco)與英特爾(Intel)的加入,也強化Z-wave在家庭自動化領域的地位。  
Z-wave鎖定的技術平台就是家庭自動化,Z-wave的角色即為替代現行的X-10規格,目前已經有X-10Z-wave共生的橋接器產品出現。而衍生出的產品琳瑯滿目,在國外許多喜歡自己動手做(DIY)的家庭自動化用戶也都開始注意並使用Z-wave  
在技術面上,Z-wave從原本的9.6Kbit/s提升到40Kbit/s,並宣稱提升後原本的9.6Kbit/s能與40Kbit/s共存。在節點數方面,一個Z-wave網路可支援兩百三十二個點。  
尤其PC與遙控器的使用者介面才是使用者直覺產生使用者經驗的媒介,加上產品造型的工業設計與質感,更是提升價值所在之處,而這些都是所有Z-wave 聯盟廠家願意投資的領域。而其餘的技術,都由平台提供商負責,使得Z-wave的客戶可以專心致力於提升並加強使用者經驗。  

ZigBee VS Z-Wave
ZigBeeZ-Wave皆強調在家庭與建築物自動化與監控方面的應用潛力,除了上述無線通訊技術的不同外,此兩標準仍有許多其他的不同點。  
ZigBee
Z-Wave
使用頻段
2.4GHz, 915MHz, 868MHz
900M Hz
傳輸距離
10m~75m
30m
資料量
250k bps,40k bps,20k bps
40k bps
調變技術
BPSK, OQPSK
GFSK
節點數
65536
232
加密技術
128-AES對稱加密
None
耗電量
Idle: 500 uA
Rx: 37 mA
Tx: 30 mA
Idle: 5 mA
Rx: 21 mA
Tx: 23 mA
2. ZigBeeZ-Wave通訊標準比較

ZigBee可使用16位元短定址或64位元擴充定址,因此在一無線感測器網路內,ZigBee號稱可支援65,536個節點(終端感測元件)的聯網互通。Z-Wave則使用8位元定址,因此在一無線感測器網路內僅可支持200多個感測元件的聯網。  
在電能消耗方面,ZigBee的目標是在不換電池下,依應用需求,可使用半年以上;而Z-Wave號稱在類似情況下可使用十年。這主要是因為Z-Wave 的資料傳輸率較低,通訊協定堆疊較簡易,編碼較簡單所致。ZigBeeZ-Wave皆可運用如80518位元微控制器(MCU)來完成其MAC與基頻協議所需的控制動作。  
並且因為ZigBee是以IEEE802架構做為通訊協定堆疊底層,因此比較能夠和其他IEEE802標準(IEEE802.11)相連通,在IP聯網方面也較容易。日後在IPv6建置完整後,使用者或管理人員可透過IP網路,直接遙控ZigBee無線感測元件。  
另外,ZigBee聯盟可採類似WiFi組織的方式運轉,與IEEE802.15.4工作小組搭配,做好認証工作,使廠商間的ZigBee產品能良好互通,擴大ZigBee的產品應用範圍,這是Z-Wave短期內不容易做到的。  
Z-Wave的通訊協定堆疊較簡單,且資料傳輸率較低,使得其耗電量較低,但也因此限制其應用範圍。Z-Wave較適合應用於低傳輸率、低責任週期(Duty Cycle)、低複雜度與低元件數的無線感測網路。  
雖然目前ZigBee晶片價格大於Z-Wave,但Z-Wave現有能獲得的資料與技術協助多來自Zensys一家廠商,而ZigBee供應商較Z-Wave多出數倍,在日後ZigBee殺手級產品進入成熟期後,晶片價格勢必可大幅度降價。 
ZigBeeZ-Wave最大的區隔在於實際應用面上,Z-Wave只專注於自動化家庭控制系統上,ZigBee則在使用定位上較無受限,通訊架構具有彈性且安全性高,在隱私方面能夠保障使用者不易受破解入侵。
 台灣優奎士推出的ZigBee無線感測網路實驗系統,採用TI CC2530 ZigBee晶片,符合ZigBee 2007/Pro 協議。由於無線感測網路的相關通訊堆疊太過於複雜,牽涉的技術層面甚廣,相對的其學習門檻也甚高,因此將無線感測網路的相關設計與應用變成易學易用的技術,是本實驗系統設計的精神。ZigBee無線感測網路實驗系統備有專屬的教材,透過Visual Basic 開發應用程式,初學的使用者可以不用理會底層的相關協議,即可快速上手快開發相關的應用,教材並整合五個情境應用專題,可供實作如智慧型無線窗簾遙控系統、情境燈光控制系統、太陽光能監控系統、居家照護系統專題及數位家庭智慧型無線門禁系統。


1. 物聯網與ZigBee實驗系統

此外,由於嵌入式系統的普及和物聯網的熱潮,亦有結合ZigBee和嵌入式系統 UBIKIT 6612的相關應用,UBIKIT 6612採用TI DM3730 ARM 核心,NAND 512 MB RAM 256MB,系統為Android 2.3 版本,Android 為目前智慧型手機市場最廣泛使用的系統。透過兩者的搭配,不僅可以學習無線感測網路相關的應用,並能夠學習Android  開發的相關技巧,有別於單純利用Android 手機開發,透過UBIKIT 6612其多樣化的輸出入埠,使用者可以去開發如物聯網、車聯網等在智慧型手機上無法開發的應用,並可以透過UBIKIT 6612多樣化的連網方式,如3.5GWIFIETHERNET等,將採集到的資料透過雲端送出。當使用者具備相關的知識後,即可結合如智慧電錶等,去實作家庭智能網路端的相關應用。


2. 智慧聯網示意圖

Reference:

無線感測網路揮軍綠建築 ZigBeeZ-Wave一較高下
策略/技術未臻顛峰 ZigBee尚缺臨門一腳
無線感測技術競賽起跑 功耗/節點數/價格為致勝關鍵
http://www.2cm.com.tw/coverstory_content.asp?sn=0701010963