LoRa 閘道將霧運算帶進室內

March 14, 2017 Majeed Ahmad

遠距 (LoRa) 連線不僅具備更低的功耗與更大的數據傳輸範圍,還能在高密度的城市環境中提供高強度訊號,使其成為城市物聯網應用的當紅炸子雞。 LoRa 不僅提供技術上的優勢,更可降低前期基礎架構投資、營運費用以及終端節點的感應器成本,因此價格比窄頻物聯網 (NB-IoT) 等行動數據解決方案還要低廉。

LoRa 主要用於長距離戶外連線,但也能用於大型建築, 例如位於德國代根多夫的嵌入式系統設計公司 congatec 就正在開發一個 LoRa 先導專案,內容包含在大型建築物內針對關鍵安全物件進行地理位置定位。

適用於智慧型建築的 LoRa

congatec 的產品管理總監 Martin Danzer 表示:「LoRa 的關鍵應用之一,就是在有厚壁與干擾性電子設備的大型建築物中,應用於地理位置定位基礎架構。」

GPS 訊號無法涵蓋難以到達的室內區域,但地理位置定位功能則可在 LoRa 的網路網域中發揮完整功能。 因此,LoRa 可在沒有 GPS 元件及不產生額外功耗的情況下實現追蹤應用。

Danzer 補充道:「LoRa 的另一個關鍵優勢,就是其遠距通訊能力可減少基礎架構的元件數量。」 以 LoRa 為基礎的設計讓物聯網開發者無需使用 GPS 硬體,即可為資產追蹤應用導入地理位置定位功能,

降低成本之餘,在沒有 GPS 晶片而不會產生相關功耗的情況下,更能增加物聯網裝置所使用的鈕釦型電池的壽命, 大幅提升物聯網基礎設備的整體效率。

LoRa 閘道設計

congatec 與其嵌入式模組電腦 (COM) 合作夥伴 Expemb 合作設計出以 LoRa 為基礎的物聯網閘道。 Expemb 即將推出的 FlexGate 物聯網設計是以 congatec 的 Qseven COM 為基礎,並以街道照明控制應用為目標。

Expemb 計畫將此專案擴展到其他的城市資產控制,例如供水系統等。 FlexGate 物聯網設計採用 Intel Atom® E3800 及 E3900 處理平台,藉以打造更模組化的閘道,

這樣的靈活彈性能讓 congatec 的系統工程師從現有的 Intel Atom E3800 平台閘道設計立即升級到新的 E3900 平台。 Danzer 表示:「Atom 晶片的可擴充性讓物聯網開發者只需在載板及物聯網應用上變更模組,就能輕鬆換成最新的 Intel 處理器平台。」

更具體地說,Danzer 針對 Expemb 以 LoRa 為基礎的物聯網閘道設計,表示 Atom E3900 處理器 (圖 1) 可讓開發者建立邊緣運算,以足夠的能力導入篩選及地區網際網路存取解決方案。

圖 1. Atom E3900 改善效能功耗比,讓物聯網開發者將更多的運算能力移到邊緣。 (資料來源:Intel)

congatec 與 Intel 的合作不僅止於使用 E3900 處理器, 舉例來說,congatec 提供預先封裝了 Intel IoT Gateway technology 的快速原型製作入門套件。 另一個例子則是 congatec 在其 LoRa 閘道設計中,使用了 Wind River (Intel 子公司) 的 Helix Cloud 解決方案。

接近邊緣的運算能力

2017 年物聯網閘道設計中最重要的趨勢,就是將資料處理任務從雲端中的中央伺服器,逐漸移轉至物聯網網路中的邊緣及霧層級 (圖 2)。

圖 2. 在邊緣執行資料分析可以重新定義對成本錙銖必較的低功耗物聯網閘道設計。 (資料來源:Intel)

霧運算可將資源重新分配至感應器到雲端伺服器價值鏈中最合理的位置。 重新分配讓物聯網閘道裝置擁有足夠的 CPU 週期來進行判斷,例如是否要在感應器資料推送到雲端前,即時地遠端啟用或停用建築物的供水系統。

像霧運算這樣的功能在 LoRa 網路環境中非常重要,因為 LoRa 的長程傳輸範圍會迫使閘道在本地處理更多感應器資訊。 從較遠的感應器中收集資訊再將這些資訊傳送至雲端,一定會發生延遲及抖動問題,

相較之下,霧運算能在物聯網邊緣提供類似雲端的服務, 最小化整個系統的延遲及抖動,也能減少傳送至雲端的資料量。 除了這些優點之外,本地處理更能實現密集的工作負載 (如視覺處理)。

然而霧運算需要更高的 CPU 效能及確定性功能, 這也是 Atom E3900 處理器納入時序協調運算 (TCC) 技術的原因。如此一來,就能在同步週邊裝置及其他網路元件 (如感應器) 時,提供即時分析的決定論, 讓 LoRa 閘道遭遇最少的抖動,加速本地回應的動作。

為什麼需要更高的 CPU 效能功耗比

一般對於物聯網的認識,就是使用廉價的硬體建構模塊 (如微控制器) 連結到雲端運算能力以進行資料分析。 但 congatec 及 Expemb 的 LoRa 閘道設計讓大家瞭解到智慧型建築等物聯網應用現在需要接近即時的分析、本機決策以及更嚴格的本地程序控制。

更高的 CPU 效能功耗比能應用更多技巧 (例如霧運算),還能在物聯網閘道本地執行更多工作。 改用 LoRa 閘道將能減少雲端通訊成本並解決關鍵的物聯網挑戰,例如延遲等等。

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