NB-IoT

根據愛立信行動趨勢報告指出，大規模物聯網技術NB-IoT和LTE-M持續發展，就目前情況觀察，2G和3G連接仍然占據大多數物聯網應用，但是在2019年，大規模物聯網連接的數量估計已增加了3倍，到年底達到近1億。 大規模物聯網主要由低功耗廣域網路(LPWAN)組成，連接大量具有長電池壽命且較低傳輸速率的低複雜度、低成本終端。NB-IoT和LTE-M技術相輔相成，許多服務供應商都同時部署這兩種技術。 在確定已啟動至少一種NB-IoT或LTE-M技術的114個服務供應商中，近25%的公司同時提供這兩種技術。到2025年底，NB-IoT和LTE-M預計將占所有蜂窩物聯網連接的52%，聯接數量約26億。 寬頻物聯網主要包括需要更高傳輸速率、更低延遲和更大資料量的廣域網路，到2025年底，蜂窩物聯網連接的28%將是寬頻物聯網，而大多數寬頻物聯網將採用4G技術連接。東北亞引領著全球蜂窩物聯網的部署。到2019年底，該地區預計將占所有蜂窩物聯網連接的60%，到2025年將增加到68%。  

Skyworks與思寬(Sequans)聯手於2020年美國消費性電子展(CES 2020)上展示新品SKY66430-11，整合多頻段及多晶片系統級封裝(SiP)，提供RFEE、收發器等多裝置寬頻率範圍執行的同時，亦為5G大規模物聯網(Massive IoT)市場發展帶來嶄新氣象。 Skyworks宣布將加速5G大規模物聯網應用的採用。 Skyworks市場營銷副總裁John O'Neill表示，隨著5G的出現，相較分散式架構，採用Skyworks營運商認證解決方案的物聯網裝置能更快推向市場，且更具成本效益。 Skyworks的LTE多頻段無線電的無線射頻前端(RFFE)SKY66430-11多合一裝置經認證，整合多頻段及多晶片系統級封裝(SiP)，可實現蜂巢式LTE-M/NB-IoT(頻分雙工FDD)體系結構。其前端部分包含Rx低通濾波器、含偏壓控制器的寬頻PA、Tx低通諧波濾波器及天線開關；於接收部分，低通濾波器則將必要的部分整合至SiP中，並阻隔干擾源，比起傳統LTE接收器有更低的插入損失及噪音係數；在發射部分，負載線針對高效而最佳化，整合LPF以抑制PA及收發器的諧波，同時降低最大損耗，進而最佳化發射電流損耗，頻外發射的設計使其與3GPP相容。此外，該產品整合Sequans MONARCH SQN3330晶片，使LTE多頻段無線電的無線射頻前端、收發器、電源管理、記憶體和基頻數據機，得以於700至2200 MHz頻率範圍運作。 由於蜂巢式連接能提供遠距監控，控制或管理所需的安全、實時裝置至雲端連接的能力，因此眼下物聯網製造商正加緊腳步開發。此類低功耗廣域網路(LPWAN)功能適合被廣泛採用於消費性產品，如智慧手表、可穿戴裝置和追蹤器，以及工業和基礎設施應用，如天然氣、水/電表、機器監控、工廠自動化、供應鏈及物流監督等。 物聯網應用需求不斷提升，根據近期5G Americas與推出的5G白皮書指出，蜂巢式物聯網正成為廣域物聯網應用的首選技術；同時愛立信(Ericssion)2019年移動性報告中亦表示，蜂巢式連接的IoT裝置預計將從2018年的10億台成長至2024年的41億台，複合年成長率為27%。其中LTE-M/NB-IoT(大規模物聯網)預計將占其中的45%，遠高於2018的數量。預計本次Skyworks與Sequans的技術合作，將使大規模物聯網的布建加速，連帶提高5G應用。

根據產業研究機構Strategy Analytics的最新研究，到2025年，5G連接將成長到所有IoT連接的三分之一，以NB-IoT與LTE-M為主的蜂巢式物聯網連接的數量將成長到23億。 截至2019年底，當前市場以2G、3G、4G為主，占所有連接技術的79%，但是5G在整個2020年代將占據主導地位。汽車是最主要的應用領域，其他應用包括工業和公用事業、交通運輸和安全等。在政府的大力支持下，亞太地區仍然是最大的市場，尤其是在中國物聯網成長的支持下。 Strategy Analytics企業與物聯網研究執行總監Andrew Brown表示，物聯網連接垂直市場成長的積極前景反映了業界對5G所承諾的新可能性以及其降低成本的趨勢。蜂巢式物聯網模組和低功耗LTE技術(如NB-IoT和LTE-M)的更廣泛可用性。2020年以後，5G物聯網技術NR-Lite將制定完成，並逐步商業化，預計將成為低功耗物聯網技術的主力。  

瑞薩電子與Altair Semiconductor共同宣布合作夥伴關係，致力於將超小型和超低功耗的蜂巢式物聯網解決方案，帶進全球的物聯網市場。蜂巢式物聯網裝置製造商，將能夠使用同級產品中最佳解決方案的組合，來創建足以脫穎而出的物聯網產品和服務，以提供更高的效能，並且更快就能及時上市。這些整合的解決方案會透過瑞薩的銷售管道來提供，連結實現到所有的應用市場。 瑞薩物聯網和基礎設施業務部執行副總裁暨總經理Sailesh Chittipeddi表示，我們很高興與Altair合作，為蓬勃發展的物聯網市場，提供業界最佳的蜂巢式物聯網解決方案。 物聯網市場預計到2024年將有數十億台裝置的潛力，需要即拆即用，可以無縫接軌的產品。無論是感測器、監視攝影機、儀表裝置、追蹤裝置和智慧型裝置，都會很依賴超低功耗。超低功耗的感測器將在現場執行10至20年，而不需要任何硬體維護。 Altair半導體執行長Oded Melamed則表示，這項合作讓Altair的技術，可受到瑞薩的整個客戶和合作夥伴的生態系統所青睞。Altair的差異化蜂巢式物聯網技術，與瑞薩電子領先業界的MCU的整合，讓這項出色的技術可立即運用於物聯網裝置和服務提供廠商的大眾市場。 合作的第一步，瑞薩和Altair計畫開發出使用CAT-M和NB-IoT雙模晶片組和技術的蜂巢式物聯網解決方案。他們還將設計各種開發工具和軟體，針對工業用和消費型應用產品的蜂巢式物聯網解決方案，使得採用解決方案能夠更加的簡化。該合作夥伴關係，將致力於在尺寸的縮小，功耗的降低，以及物聯網的安全性方面，取得技術領導地位。

根據產業研究機構Strategy Analytics的最新研究指出，隨著5G模組於2019年開始緩慢發展，4G IoT模組的出貨量將在三年內達到頂峰，而2023年將成為關鍵轉折點，因為5G模組的數量將超過4G模組。汽車市場將是物聯網蜂巢式模組的最大消費者，並將在2025年之前明顯提高其市場比重。 Strategy Analytics表示，5G的低延遲優勢將使需要即時通訊的物聯網應用成為可能，例如卡車車隊、自動駕駛、低延遲和QoS。製造業以及醫療保健中的遠程手術等領域。當發展至獨立式(SA)5G網路架構以後，用於IoT的5G變得非常有趣。能夠根據客戶要求和eMTC提供網路切片而且NB-IoT標準也與5G NR(新無線電)一起升級到3GPP Release 16的第二階段，很明顯，在預測期內5G將能夠滿足廣泛的IoT需求。” Strategy Analytics認為，預計中國的成長不會放緩，因為它在亞太地區處於領先地位。除了國家對包括智慧家電和高階消費電子產品在內的製造業進行投資之外，中國政府還在工業控制、能源、金融服務和醫療保健等領域促進物聯網的發展。作為官方智慧城市試點項目的一部分，還將向市政當局和經濟開發區提供資金，這些試點項目正在尋求使用物聯網應用來解決主要的城市問題，例如交通阻塞和污染。  

因此，為了了解生存的土地與善盡保護所居住的土壤環境，進而設計此智慧型土壤感測與物聯網系統。其中，結合LoRa與NB-IoT通訊協定，以及整合多種感測器，如土壤感測器與溫溼度感測器。此外，為了讓各個節點可以不受到地域的影響，透過太陽能電池供電，布建出可偵測大範圍面積的適量LoRa節點。最後，進而達到讓整體系統可快速安裝與監測的目的，並可延伸至農漁牧產業等多方面的產業應用。 物聯網感測從消費走向農業 隨著目前的資訊產業與通訊技術不斷地快速發展，將各項消費性產品、智慧感測產品、農業等應用廣泛結合物聯網(Internet of Things, IoT)應用於各大領域，並收集大數據(Big Data)用於改善與突破產品的全方向性能。 這使得產品在安全、可靠度、節能與環保等各方面都有了相對大幅度的進步。但隨著控制單元與智慧單元的增加，需讓裝置的複雜度降低又具有長距離通訊以及保持長續航力發展。其中，NB-IoT就以低功耗廣域網路(LPWAN)規範，能夠在極度節省電力消耗的情況下，進行長距離資料傳輸，以利布署蜂巢式網路的物聯網裝置。 而原本僅在通訊產品或是消費性產品的相關電子技術切入到環境與農漁牧業產業是一個相當重要的課題。目前隨著通訊網路與半導體技術不斷地發展，並加上新的NB-IoT通訊協定被制定與開發出來，使得環境監控系統亦不斷地擴充，並逐漸衍生出各式不同智慧感測設備。 因此，如何使智慧感測產品與環境感測搭配，不論是土壤監測系統、溫度監測系統、溶液PH監測系統值能整合並實現在整個環境監測場域，那麼就須建置與規劃一套完善的通訊協定與雲端資料庫，並讓所有感測資料或是環境資訊可以在雲端內以最完整的網路相連接，進而使單純的環境感測產品發展成為完整的智慧土壤環境監測與聯網系統。 此系統運用LoRa無線網路來實現整個觀測區內的土壤、環境資訊的擷取，並運用NB-IoT的技術將該區土壤感測資訊的資料上傳。其中，運用HT66F2390單晶片來實現LoRa與NB-IoT閘道器與訊號收集與傳輸的核心功能。 物聯網技術可確保農漁牧環境品質 民以食為天，農業產業在日常生活中扮演著不可或缺的角色。而在這高科技工業快速進步的社會裡，如果能將相關高科技電子資訊技術帶入農業產業中，除可節省人力與物力的成本外，亦可在無形中增加土壤種植與農漁牧成長的環境品質。以下列出本系統創新性，完整性與可用性。 ．自行開發設計環境監測的物聯網系統以符合使用者需求。 ．利用NB-IoT和LoRa低功耗的特性，大幅延長節點待機時間，增加系統續航力。 ．系統透過太陽能供電，易於安裝與布建系統。 ．用多種感測器建立物聯網環境監測點。 ．架資料庫即時更新存取環境測點資料。 ．用GPS定位讓使用者易查詢節點位置。 ．系統可依照使用需求增減LoRa節點，減少資源浪費。 ．隨時查詢土地最新資訊，快速掌握土地環境。 智慧型土壤感測工作原理 本系統使用盛群旗下的HT66F2390與土壤感測器、GPS模組、土壤感測器與LoRa模組等元件所設計而成。主要的工作原理包含：GPS、I2C、UART、ADC、物聯網、NB-IoT、LoRa、太陽能發電等設計原理。 MCU核心元件 本系統主要為物聯網技術應用，透過環境測點將數值傳入主機端匯入資料庫。在環境監測點的建立上使用盛群的MCU進行收值，並透過LoRa子節點模組傳送至LoRa主節點模組。最後，再透過NB-IoT模組上傳至雲端資料庫。其中，所有的LoRa與NB-IoT模組都是由MCU以UART介面來控制與驅動。 GPS工作原理 GPS稱之為全球衛星定位系統，為美國國防部研製和維護的中距離圓型軌道衛星導航系統。GPS系統具有多種優點，其包含使用低頻訊號，縱使天候不佳仍能保持相當的訊號穿透性。 而高達98%的全球覆蓋率，且具備高精度三維定速定時，以及快速、省時與高效率。全球定位系統可滿足位於全球地面任一位置或近地空間的用戶端連續且精確的確定三維位置、三維運動和時間的需求。 該系統包括太空中的31顆GPS人造衛星；地面上1個主控站、3個資訊注入站和5個監測站，以及作為用戶端的GPS接收機。除此之外，最少只需其中3顆衛星，就能夠迅速確定用戶端在地球上所處的位置以及海拔高度；如果所在位置能接收到的衛星訊號數越多，那麼解碼出來的位置就會越精確。 在此系統中，所採用的GPS模組型號為NEO-7m，其功能是定位LoRa節點目前位置，以利得知所要感測的土壤資訊。 I2C工作原理 I2C字面上的意思是積體電路之間。如圖1所示，為I2C匯流排示意圖。它是一種串列通訊匯流排，使用具備容錯機制的主從架構，其由飛利浦公司在1980年代為了讓主機板、嵌入式系統或手機用以連接低速週邊裝置所發展的匯流排規格。 圖1　I2C匯流排示意圖 I2C只使用兩條雙向漏極開路(Open Drain)(串列資料(SDA)及串列時脈(SCL))，並利用電阻將電位提升。I2C允許相當大的工作電壓範圍，但典型的電壓準位為+3.3V或+5V。 I2C參考設計使用一個7位元長度的位址空間但保留了16個位址，所以在一組匯流排最多可和112個節點通訊。而常見的I2C匯流排依傳輸速率的不同而有不同的模式：標準模式(100Kbps)與低速模式(10 Kbps)，但時脈頻率可被允許下降至零，這代表可以暫停通訊。而新一代的I2C匯流排可以和更多的節點(支援10位元長度的位址空間)以更快的速率通訊，像是快速模式(400Kbps)與高速模式(3.4Mbps)。雖然最大的節點數目是由位址空間所限制住，但是實際上也會被匯流排上的總電容所限制住，一般而言為400pF。 此外，I2C被應用在簡單且其製造成本較傳輸速度更為要求的週邊上。I2C的另一個強大用途在於微控制器的應用，利用兩條通用的輸入輸出接腳及軟體的規劃，可以讓微控制器控制一個小型網路。 最重要的是，週邊元件或是IC可以在系統仍然在運作的同時，加入或移出匯流排。這代表對於有熱插拔需求的裝置而言是個理想的匯流排。 UART工作原理 UART為串列傳輸縮寫，串列傳輸為CPU與周邊裝置，或者是CPU與CPU間的資料傳輸方法之一。最簡單的串列傳輸只需兩條傳輸線，使用時的方式每次傳輸一個位元的資料，所以具有傳輸線少的優點，並且容易防止雜訊干擾，適合較遠距離的資料傳輸。然而由於資料傳輸一次僅送一個位元，因此傳輸資料的速度慢是其最大的缺點。 串列傳輸的結構雖然簡單，但也由於太簡單所以產生許多問題，必須藉由傳輸協定的設定來解決。其中，最基本的一種非同步式串列介面常被用於一般的串列傳輸應用中。 圖2為UART串列傳輸示意圖，傳輸時間順序由左至右。其中，串列傳輸在傳送一個位元組時，必須以位元的方式來傳遞，至少需要傳送8次以上。而UART的串列傳輸方式是在傳送8個位元資料之前加上1個起始位元，並在傳送8個位元資料之後加上1個停止位元。 圖2　UART傳輸示意圖 串列傳輸協定為傳輸速度，通常以鮑率，即每秒傳輸的位元數來表示。一般UART常使用的鮑率有1,200、2,400、4,800、9,600、19,200bps等，最大的鮑率可到115,200bps。兩種裝置在進行串列傳輸時，必須先定好兩邊要以那一種鮑率來進行資料的相互傳輸。當兩邊的裝置使用同一鮑率時，才能確保資料傳輸正確無誤。 物聯網工作原理 物聯網是網際網路或傳統電信網等資訊承載體，其可讓一般不具獨立運作能力的裝置具備互聯互通的網路，甚至是智慧感知的功能。物聯網一般為無線網路，透過物聯網可以用電腦對機器、電腦對裝置、電腦對人員進行資料收集與監控，進而達到智慧感知的功能。此外，物聯網應用範圍十分廣泛，涵蓋運輸和物流領域、健康醫療領域範圍、智慧環境(家庭、辦公、農漁牧、工廠4.0)領域、個人和社會領域等，已經涵蓋目前各個產業領域。 NB-IoT工作原理 NB-IoT是依據3GPP國際標準規範所研發的新技術，基於授權頻譜的頻段，可直接部署於LTE網路，更可說是5G的前導技術與低功耗廣域網路中最好的解決方案。由於NB-IoT的鏈結僅使用很小的頻寬，因此，能以低功耗實現長距離通訊。 此外，窄頻再加上運作於GHz以下頻帶，意味著NB-IoT擁有極佳的訊號穿透力。而不同於其他競爭的IoT協定需要依賴閘道器，只要當地的網路供應商支援，設計人員僅需在裝置中加入NB-IoT無線電模組就能連接至網際網路。在此系統中，採用遠傳電信公司推出的SIM卡與Sim7020模組實現NB-IoT資料傳輸功能。 LoRa工作原理 LoRa為低功耗廣域網路通訊技術的一種，Semtech公司於2013年發布的超長距離低功耗數據傳輸技術。以往，在LPWAN產生之前，似乎只能在遠距離以及低功耗兩者之間做取捨。而LoRa無線技術的出現，改變了關於傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，不僅可以實現遠距離傳輸，並且同時兼具低功耗、低成本的優點。 在此系統中，採用RYLR890模組，其具備優異的隔絕干擾抑制、低接收電流、高靈敏度等特點。當用於節點資料的傳輸時，不僅可減少資料遺失，亦可提高資料的完整性。 太陽能發電原理 太陽能發電是把光能直接轉變成電能輸出的一種發電方式。主要是透過太陽能作為偏遠地區電力的設備或是以綠色環保為供電的來源。在此，我們將提供單一物聯網節點的供電來源。在此系統中，於每一個節點配置一太陽能板型號Bb06-04，規格功率為1w，電池型號Ai04-04，額定電壓3.7v，輸出規格2,000mAh。 智慧型土壤感測系統結構剖析 如圖3所示，為本系統之架構圖。其中每一個方框則為一個LoRa子節點。此系統運用HT66F2390為主要節點，以及子節點部分則連接土壤感測器與溫溼度感測器。為了使子節點的分布可以更加地分散，並且不會受到地域的影響；因此，本系統透過太陽能電池供電，並可布置出適量的節點數目。 圖3　系統架構圖 而透過此系統的設計，可將所要監測區域內的所有土壤資料經由HT66F2390處理，再將資訊藉由LoRa模組傳到主節點。最後，將所有資訊藉由NB-IoT模組上傳至資料庫儲存。主節點部分同步顯示各節點資料，供使用者觀看，亦可透過網頁從電腦端即時監看，或使用APP在手機上即時瀏覽。 如圖4所示，為本系統之硬體方塊示意圖。其中，標示出每一個模組或是感測器的通訊介面。例如，運用I2C匯流排讀取溫濕度感測器，運用RS-485介面讀取GPS模組所內含資料，以及運用UART介面讀取土壤感測器的數值。 圖4　硬體方塊示意圖 軟體部分 如圖5所示，為本系統之應用程式流程圖。在程式初始化完成後會先與子節點上的LoRa模組進行連線，連線完成後主節點會開始接收子節點端回傳的感測值。若收到的值有超標或是異常，本系統就會立刻在網頁顯示異常數值提醒使用者該注意到監測場域的環境狀況。 圖5　系統流程圖 智慧型土壤感測系統測試方法 如圖6所示，為節點傳輸資料格式，其由左至右分別是定位判斷、緯度、經度、土壤溫度、土壤濕度、電導度、溫度與濕度感測數值。 圖6　感測器傳輸格式示意圖 系統實體設計 如圖7所示，則為實際戶外測試的實體圖。透過多組的LoRa傳輸將可擷取該區農地土質的相關資訊，便於後端的分析處理。 圖7　子節點系統實際安裝實體圖 感測數據收集與呈現 如圖8所示，則為遠端量測的數據值。透過本系統，將可了解農地的土質之大數據分析，並作為監測農地完整的數據呈現。資料庫會將其收到的節點情況資訊(例如，土壤溫度與土壤濕度)與即時分析，並以圖形化的方式呈現，供使用者做後續的追蹤分析。而使用者即可一目了然地掌握土地資訊情況。 圖8　數據呈現圖 GPS衛星定位測試 如圖9所示，為使用者登入後的首頁畫面。除了將各個節點的最新資料顯示於網頁上方，節點所在位置以Google Map顯示之外，也提供進一步的資料查詢，提供更友善的資料查詢。 圖9　衛星定位示意圖 節點耗電量測試 目前子節點耗電數據，透過電力分析儀測試後，可分別測得待機時，消耗0.37mA與運作時，消耗84.7mA。而電池實際可用容量約為2,800mA/h，若系統以10分鐘傳輸一筆資料，且每一次工作時間為10秒的運作時間下，去做每日總耗電量的計算。 與此同時，在經過每日總耗電量的計算之後，我們可以得到以下的數據：                                       (84.7/3600)*10+(0.37/3600)*590=0.295mA/h(每10分鐘總耗電量=待機時間*待機耗電+工作時間x工作耗電)。每日總耗電量=每10分鐘耗電量*每日傳輸資料筆數，則為0.295*144=42.48mA/h。 換句話說，在理想情況，不受外在因素影響下，整體系統完全可以依靠太陽能發電自給自足。即便是連續天日照不足的氣候，也能持續運作超過一個月。 LoRa數據傳輸測試 如圖10所示，為LoRa連線距離傳輸測試。經過我們的傳輸距離測試，至少超過800m，而透過增益天線與電路的匹配設計，傳輸距離可能達數公里之遠。也即是除了減少測試環境對本系統布置的限制外，更能協助我們獲得更完整與大面積範圍的土地資訊。 圖10　LoRa連線距離測試示意圖 NB-IoT數據測試 表1為NB-IoT模組在不同電信公司與地區下的連線測試表。因此，本系統在實際場域周圍的NB-IoT收訊是沒有問題。 導入物聯網技術有效減輕人力負擔 隨著科技化時代的來臨，許多電子產品或智慧生活方面等產品推陳出新，但電子產品應用於農漁牧業的相關場域上，則是較不為人所知的。 而農產品相關的食品安全與環境污染中，如重金屬汙染等問題則是不斷地需要人們更加重視的。在此前提下，本作品實作出一套可應用於目前農業場域的智慧型土壤感測與物聯網系統。 而近年來農漁牧產業的人力嚴重短缺，除了人力不足的問題外，農場場域較大不易管理也是一大需解決的方向，所以更需要大量人力投入管理與監測土地的品質狀況。也因此，需要透過此一環境監測系統來長時間的監測土壤狀況，以達到節省人力成本，以及方便人員監測與管理土壤之效果。 最後，透過在雲林縣農地的實測中，驗證本系統的可行性與應用性。未來將結合農民與相關產業來推廣此系統，以建立智慧農業物聯網的最後一哩路。 (本文作者戴千鈞、謝松展、藍鈞譯、章誌軒皆為國立虎尾科技大學學生，指導老師為許永和教授)

所謂工業4.0可以分為四個階段，第一階段就是收集設備上感測器的資訊，而後分析收集到的資料做格式化、圖型化的轉換，再對這些經過整理的資訊進行預測，例如產品何時要維修、產品生命週期等等。最後一個則是視覺化(Visualization)，包括攝影機、光學電視等具有高數據資料量的應用，而與5G通訊結合的工業應用也因此變得更加重要。 美商優北羅(u-blox)商業開發主任林世澤表示，在工業與車用方面，隨著電信資費的降價、5G基地台越來越普及，將有更多的設備商會直接透過蜂巢(Cellular)科技，將資料上傳到基地台。根據Machina Research的預測，到了2025年蜂巢式網路的物聯網設備連結數目將會達到220萬。 林世澤指出，5G通訊有三大應用，增強型行動寬頻通訊(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)可以結合AR/VR，或是遠距醫療，而超可靠度和低延遲通訊(Ultra-reliable and Low Latency Communications, URLLC)主要用於車輛、工業應用，大規模機器型通訊(Massive Machine Type Communications, mMTC)常用於CAT M1/NB-IoT，其好處是非常省電且可以支援的連結數相當高。 u-blox主要著重在URLLC與mMTC的應用，其中針對CAT M1和NB-IoT兩種通訊協定，林世澤分析道，CAT M1可用於地下室，並可用在移動中物體或行駛中車輛。NB-IoT則可以在地底下(比地下室更深)使用，但是須要用於靜止設備上連接固定基地台，另外，NB-IoT的電池可以使用10年之久，非常適合用於電表等應用。 林世澤進一步說明，對u-blox來說5G應用包括了三大應用場景，物聯網、定位與V2X。在工業物聯網領域，現今應該都還是透過Wi-Fi、ZigBee等通訊協定將感測器資料傳送到設備供應商，供應商再藉由有線上傳雲端或是利用NR、NB-IoT等傳到基地台，但是u-blox在這裡看到了Wi-Fi、5G蜂巢通訊的機會，利用蜂巢式網路就可以直接將資料傳送到基地台；另外，定位方面就是GPS和蜂巢技術的結合，從衛星收到GPS訊號，再藉由5G傳回基地台；最後一個則是V2X，車與車之間或是車與交通設施之間的資訊交換可以直接藉由蜂巢技術傳回基地台。 u-blox商業開發主任林世澤表示，蜂巢式網路的物聯網設備連接數目正大幅成長。  

CEVA和諾領科技(Nurlink)宣佈，已使用諾領科技的NK6010 NB-IoT系統單晶片(SoC)在中國電信NB-IoT網路上成功完成首次無線(OTA)通話。在此一於中國南京進行的測試中，諾領科技的SoC通過NB-IoT網路連接到中國電信的IoT雲平台，此一成果代表諾領科技建基於CEVA-Dragonfly NB2的SoC即將邁入大批量生產的重要里程碑。 諾領科技執行長孔曉驊博士表示，在開始SoC設計不到15個月的時間內，即在世界上其中一個最先進的NB-IoT網路上完成首次無線通話，感到非常自豪。CEVA-Dragonfly NB2平台以及CEVA卓越的技術支援是讓我們可以如此迅速站上此一重要里程碑的堅實基礎。 CEVA副總裁兼無線物聯網業務部門總經理Ange Aznar表示，CEVA致力於通過提供全面的NB-IoT IP解決方案，確保NB-IoT成為物聯網設備遠端連接的首選標準，而我們的NB-IoT IP解決方案可為那些有意尋求將此項技術整合到SoC設計中的企業大幅降低進入門檻。諾領科技所達成的最新里程碑令人擊節讚賞，同時充分肯定了其工程團隊的卓越表現以及CEVA-Dragonfly NB2 IP快速推進NB-IoT SoC設計的強大功能。 NK6010是一款具有超低成本和理想功耗效益的NB-IoT SoC晶片，專為用於大規模物聯網設備(如智慧電錶、穿戴式設備、資產跟蹤器和工業感測器)中的窄頻連接而設計。這款圍繞著CEVA-Dragonfly NB2解決方案所建構的SoC晶片，整合了RF前端、RF收發器、蜂巢式基帶、電源管理單元和應用處理器，以期最大限度地降低晶片的尺寸和解決方案的成本。NK6010隨全球主要營運商支援全NB-IoT頻段，以確保可在世界各地的任何一個NB-IoT商業網路上實現平穩、快速的設備認證。該SoC晶片還包括一個極低功耗的多GNSS子系統，該子系統支援GPS/北斗/Galileo/GLONASS全球導航系統，以容許快速定位並支援高精度的設備跟蹤。目前NK6010正由全球各地的營運商進行測試之中，預計將於今年稍晚進入大批量生產。 CEVA-Dragonfly NB2 IP解決方案是一模組化技術，由CEVA-X1物聯網處理器、最佳化的RF收發器、基帶和協定堆疊組成，以提供可大幅縮短產品推出市場的時間並降低進入障礙的完整Release 14 Cat-NB2數據機IP解決方案。它是一款完全軟體可配置的解決方案，可以通過多衛星GNSS和感測器融合功能進行擴展。這款IP包括完整數據機的參考設計，包括嵌入式CMOS RF收發器和PA、高級數位前端、實體層韌體和協定堆疊(MAC、RLC、PDCP、RRC和NAS)。

低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network, LPWAN)建構在Machine-to-machine應用上，其主要特徵要符合廣覆蓋、低成本、低功耗、大連接等特點，主要的技術則包含Sigfox、LoRa、NB-IoT、CAT-M等；若以技術發展角度，也有近10年以上的開發時程。 首先，考慮技術發展最早的Sigfox以及LoRa，皆於2009年由Sigfox與Cycleo兩家公司開始發展，鎖定Unlicensed Band Network的應用場域。 Sigfox訴求在自建Sigfox基地台，目前涵蓋約60個國家，適用於資料傳輸量較小、且有耗電考量的情境，其技術應用的四大特性就是：低功耗的連線裝置、全球的聯網服務、簡易的使用模式及低營運成本。 至於LoRa技術，訴求是透過系統整合商在場域內架設LoRa閘道器(Gateway)，並且透過WiFi路由器或是乙太網路連線至後端系統。 其中，LoRa與Sigfox不同的地方在於LoRa開放較多的彈性讓系統整合商做自行開發，這對於創客而言是一項利多，創客在執行各自的場域驗証時，可以在不需要認證前提下快速地導入自創LoRa應用產品，有助於LoRa技術的推廣。然而，此一特性雖有助於LoRa得推廣，但另方面則是衍生出創客對LoRa各自表述，即LoRa產品容易在市場上產生不相容問題。 換言之，在整體LoRa應用上，受惠於較多人投入產品應用開發，使得LoRa在一開始的市占稍具規模。 在2016年6月3GPP R13定義NB-IoT的標準，2017年6月確定R14標準，NB-IoT/CAT-M的解決方案也陸續由Intel、Qualcomm、海思等晶片商在2017提出基於R13的晶片方案。 至於後續的進程，原本規畫在R16，5G NR時會將NB-IoT與CAT-M整併到5G mMTC之中，但是目前的整併時程，將會延至3GPP R17時。 應用場景陸續浮現　LPWAN爆發成長可期 參照TSR 2019年出具的市場分析報告「Cellular Modem Market Update」內容，LPWAN的市場出貨量由2016年的1,580萬，到2023年預估的量能4億2,980萬，其平均年複合成長率達到160%。此部分已包含對LoRa、Sigfox、NB-IoT及CAT-M所有LPWAN產品預估值。市場分析指出，2018年LPWAN產品將由8,300萬，跳升到2019年的1億4,660萬，市場需求將再成長176.7%。 有別於智慧型手機，將由總人口數直接限制手機數量。訴求在萬物聯網的IoT產品，其數量完全由應用場景所決定，不會有產品總數的天花板。雖然在初期的LPWAN的應用場景，不乏晶片模組的價格過高、水表應用的通訊掉包、生態系(Ecosystem)尚待建立、缺乏殺手級的產品應用等負面的聲音出現。 然而，在各概念驗證(Proof Of Concept, POC)產品應用在市場上接收到的回饋、更多的成功應用、模組價格大幅下降、政府的公共資源投入，2019年已開始在市場上締造許多成功的案例，如水表、電表與瓦斯表等三表布建、中國大陸鄭州的電動車專案、資產物流老人小孩的追蹤需求、消防感知的需求法制化。智慧建築、智慧農業、智慧商店、智慧醫療、智慧交通等，環繞在智慧城市下環環相扣的應用場景，已成為目前科技發展的顯學，在2019年下半年，需求有機會大爆發。 NB-IoT實現資料傳輸最後一哩路 物聯網的應用面，包含端、管、雲，才能成就其完整的智慧應用場景。負責資料收集的感測器、負責傳輸的通訊技術、提供管理平台的PaaS(Platform As A Service)、提供資訊分析的Cloud環境。 在物聯網的應用中，端點的關鍵在於如何正確的萃取環境或生物等訊息，這些訊息的組成除了巨觀的參數以外，更包含微觀的數值，再利用相互間的特殊關係，產生一個具有意義且可被量化的演算法，種種問題需要多元的產業達人和技術人員共同開發討論，並且在場域環境下可以穩定的、低功耗、高效率、價格合理的無線技術下傳輸。 可以相信的是，讓所有的資料能送至後台是最為關鍵的一環，唯有訊息開始回傳至後台，才是開啟物聯網的重要里程碑。目前各路英雄好漢，均已就定位，提出各自的服務方案，試圖占據市場有利位置。 市場上，也不斷有加速物聯網應用的好消息，著實振奮市場信心。中國鐵塔公司與阿里巴巴簽署戰略合作協議，雙方將在雲計算、邊緣運算、大數據等展開深度合作。 2019年，搭配各家NB-IoT的R14版本的開發完備，運營商也計畫在2019年Q2、Q3完成NB-IoT R14基地台的升級，此3GPP R14的部署，將加速Tracker在移動性、低耗能、軔體更新的應用需求。截至2018年底，中國已陸續布置超過百萬座NB-IoT的基地台，NB-IoT的訊號涵蓋率，已被大幅提昇至全面商用化階段。 迎接IoT應用商機　通訊模組業者蓄勢以待 展望未來科技應用的場景，無論是訴求智慧生產的工業4.0、AI與大數據分析，或是5G的巨量連結，都是建立在物聯網的架構下擴大其應用面。目前工業4.0則成為通訊模組廠商重點推行的技術，例如光寶科技不但讓旗下各規模的工廠逐漸升級成為智慧工廠，更利用大數據分析和AI技術提升製程能力，藉由高端技術的引進，在零組件製造業創造更高價值，產生高毛利的產品，進而成為物聯網時代的重要推手之一。 另外，物聯網的應用，重點在各項技術的整合，在相關技術蓬勃發展下，說明各個技術已開始產生化學反應，代表物聯網的商用年代逐漸來臨。通訊模組供應商也積極布局智慧製造、物聯網網通與智慧應用三大市場。像是光寶便積極投入LPWAN的通訊模組開發，成為具Sigfox、LoRa、NB-IoT量產能力的模組開發商，以完整的通訊產品線布局，營運範圍涵蓋網路通訊模組、網通設備、智慧監控攝影、戶外照明路燈與工業自動化等，迎接需求即將爆發的LPWAN市場。 同時，未來在面對少量多樣化的模組生產需求，光寶也早已導入高度自動化的生產線，利用機械手臂協助模組產品測試，並投入研發人員在製程設備開發，持續展現高彈性的生產優勢，為LPWAN進入大規模商用時代做好準備。 (本文作者為光寶科技通訊模組事業部研發二處處長)

以下是關於食物的幾個重要事實：全世界有四分之三的食物僅來自於十二種植物和五種動物。我們已經種植了足以餵飽100億人口的糧食，但仍有九分之一的人口營養不良。同時，這可能也是歷史上首次，有更多的人是因為飲食失衡而死亡，而不是因為飢餓。現在，請思索一下這些內容。 全球食品產業是一個非常龐大而且複雜，規模高達數兆美元的產業。從農場、牧場和果園、漁場、溫室和屠宰場到超市和便利商店，各類業者種植、採收、加工食材、運輸、包裝，並將它們配送至橫跨全球五大洲的綿密通路之中。 現今，數位科技已經在食物供應鏈中的每個環節扮演著重要角色。也就是說，如果數據是產業數位化的主要驅動力，那麼用來收集、傳輸、儲存和處理數據的技術則是關鍵的促成因素。所謂數位化，其實就是擷取數據、在邊緣或雲端進行分析、以及利用數據來最佳化開發工作。數據品質的提升，以及用來收集、傳輸和分析數據的技術通常會帶來更佳的流程，或是全新的應用。 雖然我們可能須要花幾年時間才能獲得食品產業完全數位化的成果，但其成果將是豐碩的，包括：以較低的環境成本提高農業生產力、以更高的食品安全建立更透明的供應鏈，並減少欺詐。更智慧的包裝可改善物流、延長保存期限、減少浪費，而新的配送系統可以提升便利性。到2050年時，全球人口將逼近100億大關，我們建構的「食聯網」(Internet of Food)對於支撐如此龐大的人口將至關重要。 挑戰傳統與未來 1798年，英國人口學家Thomas Malthus便大膽預言，人類的持續繁衍最終將超過地球的負荷。從20世紀初的工業革命，到本世紀中葉，更新、更強韌的植物品種、人工肥料和農用化學品，以及近年來的基因改造生物，雖然不斷在增加全球糧食的產量，但是，人口成長一直以來都是全球食品科技突破的一大挑戰。 但這次可能會有所不同嗎？到本世紀中葉，全球糧食需求預計將增加約60%。隨著中產階級的人口越來越多，他們對飲食的要求更高，需要更多樣化、更營養的食品，特別是對肉、蛋和乳製品等能量和營養密集的畜牧產品的需求會更高。 隨著氣候變遷，人口成長也對糧食系統帶來了難以預測的後果。例如，土壤的營養成分日益枯竭，影響了全球的農產收成。由於缺水地區的地下含水層日漸乾涸，也使地下水資源受到威脅。而全球糧食系統本身，由於占全球溫室氣體排放量達到驚人的20~30%以及消耗70%的淡水用量，使得問題更加嚴峻。 這種情況是前所未見的，但因應現在所面臨的挑戰，我們所擁有的科技能力也是前所未有的。根據世界經濟論壇的報告，已有十多種新興技術被視為具備重塑食品產業的潛力，其中至少有六項─包括精準農業、即時供應鏈監測以及食品感測等，都與數位科技息息相關。 在大量的低價感測器、雲端上幾乎免費的分析和儲存容量、以及新興無線通訊和定位技術的帶動下，數位化可望把農業生產力推升至全新的境界。 以最新一代的高精準度定位技術u-blox F9為例，透過利用多頻全球導航衛星系統(GNSS)，並與GNSS校正數據結合，可大幅降低技術的擁有成本。此技術不僅將應用擴大至更寬廣的市場，還能為開發新的自主化解決方案奠定基礎，例如自動駕駛農用車或無人運送機等。 數據與分析提升效率/產量 從一開始，農業就是依靠經驗，隨著季節更迭，世代交替，經過艱苦的試錯過程才發展至今。但是隨著農業發展為科學，並成為一門生意，透過最佳化的機械採收並因應人們的消費需求，農業進步的速度越來越快，產量越來越高，品質也越來越趨穩定。 農業的施作方式不斷地進化推展。以農曆時程為基礎，傳統的農民曆已被更合理的科學方法所取代。在可能的範圍內，播種、耕種、施肥和噴灑農藥等所需的體力勞動也都可由機械設備代勞。現今，分散式感測器、高光譜相機和衛星定位的結合，可使所需的農業勞動投入降至最低。它們還有助於保護環境，節約用水，並使消費者更少接觸到具毒性的農藥。 感測器、數據和自動化也改變了畜牧業。今天，有些連網乳牛已配備了計步器和牛隻行為追蹤項圈來監控放牧時間，還有其他的感測器可安裝在它們的乳房、尾巴，甚至胃裡。數位科技和精準畜牧不僅可以提高牧場的效率，還可以更輕鬆地達到高品質標準。 透過配備可捕捉窄頻帶光線(Light Narrow Frequency Bands)的高光譜相機，農民可利用無人機在田野上飛行來遠端監控農作物。由瑞士的Gamaya等新創業者提出的解決方案能讓農民繪製各類地圖(圖1)，包括農作物類型、壓力因素，用水量和生化品數量等。有了這些資訊，農民可以進一步最佳化農業投入的利用率，同時，也能透過幾近手術精準度的無人機來進行噴灑肥料或農藥。 圖1　由瑞士公司Gamaya等新創業者提出的高光譜影像數據，可讓農民繪製各類地圖，包括農作物類型、壓力因素、用水量以及生化品數量等。 改造食物供應鏈 供應鏈的發展歷史與貿易一樣地古老。最早的貿易商品特點是它們不易腐壞。例如，鹽和乾燥香料，它們能夠穿越撒哈拉沙漠或絲路不會變質。今天，我們對於商店所提供的商品有著更高的期望。易腐壞的商品通常必須在幾天內設法通過食品通路到達最終消費者(圖2)。如果未能如此，全世界所生產的糧食中，大約有三分之一都可能面臨風險，也就是說，會有高達13億噸的食物可能被丟棄。在食物供應的過程中，它們被運輸、加工、測試品質、儲存，包裝並運送至全球各地，最後到達消費者附近的超市或餐廳。 圖2　當一顆草莓被摘下、一條魚從水裡被撈出來，或者母雞下了一顆蛋的那一刻，一場對抗時間的比賽就開始了。 數位技術可使供應鏈達到前所未有的資訊透明度。無線資產追踪裝置、智慧包裝和射頻辨識(Radio-Frequency Identification, RFID)標籤都可用來確保商品能準時、完整無缺地透過食物鏈來運送，而且低溫供應鏈不會中斷。蜂巢式數據傳輸和硬體的成本，長期以來一直是廣泛部署無線感測器網路的瓶頸。最新一代授權的低功耗廣域網路，包括LTE-M和NB-IoT，如u-blox SARA-N3 NB-IoT模組，透過提供增強的地理覆蓋範圍、低成本硬體和數據資費方案，以及在某些使用案例中超過10年的電池使用壽命，正迅速地掃除這些限制，包括農作物監測、牲畜監測和車隊追踪等，將會是首波獲益於此技術的應用。 此外，透過利用區塊鏈(一種分散式分類帳Distributed Ledger)，遵循性報告(Compliance Reporting)可以大規模地自動產生，以確保供應鏈中每個步驟的資料準確度。 食物供應鏈智慧化流程革新 雖然食品供應鏈對消費者來說是不透明的，但超市和其他賣場的變化卻很難不被注意到。Amazon Go超市是第一個完全取消人工結賬的超市，沃爾瑪首創的貨架掃描機器人也是自動化的新概念。在不久的將來，物聯網、人工智慧和虛擬實境的結合將提供全面改造和強化購物體驗，並使用互動式表格為消費者提供有關食品出處、營養價值和廢物處理說明的訊息。 透過讓網路中的各個節點傳遞資訊，網狀網路(Mesh Network)技術提供了一種可有效擴展無線感測器網路的新方法，使其能擴展覆蓋範圍，並實現包括連網超市在內的廣泛應用。藍牙網狀網路這類的標準化平台可確保裝置保持互通性，即使它們來自不同的供應商。此外，透過能夠利用行動通訊網路傳輸訊息的節點─形成所謂的毛細管網路網狀網路還能進一步擴展，以實現雲端應用。 然而，若決定在舒適的家中購買生鮮雜貨，那麼，消費者可能會錯過這些發展。據Tetra Pak的研究，有14%的消費者會在網上購買生鮮雜貨，而且有59%的消費者打算這樣做。到2021年，預估電子商務將占所有食品購買量的10%。 不過，購買的產品仍然可以識別，但包裝方式會有所革新。屆時，智慧包裝將告知消費者食物何時過期，以減少被丟棄的過期食物數量。此外，了解顧客在用餐後的體驗也一樣重要，具備特定數位程式碼的個性化智慧包裝將能與顧客互動、提供學習和娛樂特性。而且，生產廠商也可藉此更深入了解他們的消費者。 食聯網將帶動破壞式創新 食物最初是一種生存的手段。當衣食無虞時，它成為身分地位的表徵、情感安慰的來源、全球暖化的貢獻者，甚至有時是有害的成癮物質。社會趨勢都指向了更加豐富的食物多樣性。根據Accenture的報告，對健康的期望已成為消費者的最高目標，他們願意為更健康的食品花更多的錢，同樣地，他們希望食用具備透明資訊和永續來源食材的食品。 那麼十年後，我們會在餐盤上看到什麼呢？或多或少，會與今天吃的東西相同嗎？或者，我們可能會從基於微生物的高營養和可持續食物中獲取主要營養素？還有很多問題尚待解答。未來，人們是否會像過去渴望節慶家庭聚餐一樣地渴望明天的Food X.0？或者，是否會堅持烹飪傳統，只是使用更有效率的種植、加工和運送食材？有一點似乎是肯定的：食物鏈中每個一步驟的量化、數位化和整合都只會加速進行。與此同時，營養基因學和個人化營養、實驗室培養的「肉類」和食用昆蟲等新趨勢也都即將出現。從農園到餐盤─以及在食品工廠、實驗室和商店中─「食聯網」已經推翻了許多習以為常的做法。我們可以深具信心地說，未來，將會出現更多的革命式創新！ (本文作者為u-blox台灣區總經理)