万物互联时代：物联网IoT

        物联网爆发式的成长趋势开展出新的网络生态系统，其概念核心是在应用各类原本互不通讯的装置，透过感知器收集资料，再将资料透过网络传送资料中心分析整合，再把讯息资源的结果透过网际网路分享传送给其他网络上的物联网装置。如图1。生活中应用的物联网概念延伸可涵盖在Consumer, commercial, industrial and infrastructure space几乎处处都是物联网[1]。

图1. Concept of IoT

        物联网系统架构依据实际应用的装置有所不同，如图2可精简分为三个阶层Device, the Edge Gateway与The Cloud。运作方式是实体装置(Device tier)将原始判读资料透过通讯界面(有线或无线)提供给The Edge Gateway tier，这层会将资料收集，聚合或预处理(Pre-processing)，接着将资料传给The cloud tier做分析与管理[1][2]。

         物联网从1985年被提出应用至今，其装置终端本身的优势在市场调查机构FinancesOnline的研究表示，预估全球连接到物联网的IoT装置将从2015年154.1亿(15.41 billion)台成长到2025的754.4亿台装置(75.44 billion)，此数据在预告物联网已与生活密不可分[3]。

工业应用物联网的趋势Industry IoT Trends

        工业物联网应用的领域主要以生产制造为最大，第二大则是物流与运输相关。其相关调查机构评估到2025年可达9494.2亿美元($949.42 Billion)的规模体量[4]。透过表格1可见应用类别。虽然，制造生产是占工业物联网最大应用，但在公共事业与能源相关领域则是在前期就被应用。

表格1 : Industry IoT应用[5][6]

        公共事业应用中在AMI (Advanced Metering Infrastructure) 架构下可对电力、水、瓦斯与热气的能耗进行测量并提 供给使用者与公共事业机构相关讯息。 AMI系统透过测量，收集和分析能量使用，对系统中的电表，水表，瓦斯表热表 透过周期性的通讯读取资讯回到讯息中心。 AMI系统架构即是可与表计 (Meter) 双向通讯 (two-way communication) 的硬体架构[7]。智能表计应用于公共事业跟住家终端位置，如图2是资料撷取系统示意，针对上下行的资料可应用的通 讯界面有线与无线方式通讯。有线的方式以RS485 / RS232 / PLC为主，而无线的应用则是在物联网的概念下各国都是 以LPWAN为主。

        以有线通讯是采用实体连接线实现为主的介面，大多可见如RS485, RS232与PLC的应用。实体连接线的通讯方式缺 点是需要配线形成一定的成本与后续增加的维护费用，但相对无线通讯界面来说是可较高程度的满足99%以上的通讯 成功率。在无线通讯的应用则是采用LPWAN技术，来提供长距离、低速度、低功耗且支持大数量联接的特点达到M2M 通讯应用。

圖3. Data Acquire System

越智能，越复杂

        智能产品应用提升了生活上的便利以外，我们也开始注意到越智能的电子产品的电磁相容问题越来越复杂，而智能表计也不例外。目前，各国在持续推广有效使用能源概念下，对AMI系统和终端表计(Meter)持续的优化来更有效率的控制能源损耗。透过获取电网效能与各种异常事件自动反馈，降低人力读表维护成本与终端表计(Meter)用户选择性用电时间，并可在最低电价时段选择用电方式。额外增加的功能与外加通讯模块都必须满足相关表计的电磁兼容规范，来保证通讯过程中可能产生的外在干扰。         

        智能电表都会满足ANSI C 12.1或UL 2375标准，此两种法规互不冲突。在UL 2375则有部分涵盖ANSI C 12.1的标准，通常由公共事业处定义参照的法规[8]。其中如Radio frequency conducted and radiated emission (Test No.27: ANSI C63.4)、群脉冲测试EFT (Electrical fast transient/burst - Test No. 25: IEC 61000-4-4)、静电测试(Electrostatic discharge - Test No.28: IEC 61000-4-2)等。         

        智能电表放置室外或是比较严苛的工作环境，当暴露在此环境的干扰将会影响智能电表的正常运作。以专家角度来看，最常导致产品失效三个主要情况有Radiated Emission, Radiated Susceptibility and Electrostatic discharge (ESD)[9]。在静电保护的设计概念，可以采用预留TVS (Transient Voltage Suppressor)元件layout Pad方式设计，方便整机验证时进行适当变动增加弹性。故透过在智能电表设计初期时，考虑适当的放置保护元件于敏感讯号、高频讯号或是电源端口，来通过实验室法规的认证与如何保证联接物联网相关的通讯模块不被干扰，将是身为产品工程师须要仔细考量的一环。

AMC CAN HELP

        AMC (Amazing Microelectronic Corp.) 是静电保护元件的领导者，提供的静电保护器件技术优势有低钳制电压、低寄生电容、高浪涌保护等级与阵列式封装。若能采用具有低钳制电压特性的保护元件，在异常能量进入系统时，仍保证 后端电路被抑制在稳定的电压与讯号电位正常运作。在对高频讯号达到保护的同时，低寄生电容值的保护元件同时符合讯号完整性的要求(Signal Integrity)。智能电表有安装室外的需求，提供高浪涌的保护可在设计上取得更高的信赖度(Reliability)。而阵列式的应用概念可一定程度上降低PCB板子的空间与成本，在产品达到高信赖度的同时也让智能电表制造商得到优化成本的目的。         

        另外，开关式电源是目前智能电表应用的主流，可让表计本身取得更好的效率，但因电路原理特性容易产生EMI问题。 Power EMI filter是针对3.3V电源上对应截止频段于35MHz ~ 3.5GHz的应用，采用主流的封装设计其目的可直接替换电压端的稳压电容，而无须Re-design PCB。         

        针对有线通讯(Wire communication)可提供RS232/RS485/CAN实体层收发器的产品，AMC在收发器本身增加Electrostatic discharge (IEC 61000-4-2)、Electrical fast transient/burst (IEC 61000-4-4) and Surge (IEC 61000-4-5)的保护能力在相关于外部联接总线的讯号上。表格2整理出在AMI系统连接物联网应用参考的设计，分别有物联网通讯模块与智能电表本体。

表格2.无线模块与智能电表应用

Conclusion

        物联网科技连结人类，系统(M2M)与讯息资源应用，预期后续将会衍生更多样且涵盖更广的领域。越智慧的产品将会衍生更复杂的电磁兼容问题，如何在time-to-market的同时又要取得高信赖度的EMC效果，已是重要的课题。对产品设 计角度来说，若能先前评估模拟或预先规划保护元件的选用，将可大大减少产品认证阶段的工作。物联网世代产品的EMC设计不将只是满足检测认证标准，须要确保复杂电磁环境中产品功能的可靠性无误[10]。 AMC将持续在物联网领域扮演解决EMC问题的重要成员。

Reference

1.       B.K. Tripathy, J. Anuradha.(2018) Internet of things (IoT)：technologies, applications, challenges, and solutions. CRC Press Taylor & Francis Group. 

2.       Internet of things. WIKIPEDIA. [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Internet_of_things#cite_note-119 

3.       Jenny Chang. 10 IoT Trends for 2020/2021: Latest Predictions According To Experts. [Online]. Available: https://financesonline.com/iot-trends/ 

4.       Industrial IoT Market Size Worth $949.42 Billion By 2025 | CAGR: 29.4%. GRAND VIEW RESEARCH. [Online]. Available: 　https://www.grandviewresearch.com/press-release/global-industrial-internet-of-things-iiot-market 

5.       Industrial IoT (IIoT) Market by Device & Technology (Sensor, RFID, Industrial Robotics, DCS, Condition Monitoring, Networking Technology), Connectivity (Wired, Wireless, Field Technology), Software (PLM, MES, SCADA), Vertical, Region - Global Forecast to 2025. MarketsandMarkets Research. [Online]. Available: https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/industrial-internet-of-things-market-129733727.html?gclid=Cj0KCQjw-_j1BRDkARIsAJcfmTEQizraMXV6QCZM-BEatLX0d_KE-bUpZmSN3A2sisDFIwYMyC4rM20aArjiEALw_wcB 

6.       Business guide to Industrial IoT (Industrial Internet of Things). i-SCOOP. [Online]. Available: https://www.i-scoop.eu/internet-of-things-guide/industrial-internet-things-iiot-saving-costs-innovation/#Industrial_Internet_of_Things_use_cases 

7.       Smart meter. WIKIPEDIA. [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Smart_meter 

8.       Aaron F. Snyder. Modern Electricity Meter Safety, Accuracy and Performance Testing. EnerNex. [Online]. Available: https://www.enernex.com/whitepapers/modern-electricity-meter-safety-accuracy-and-performance-testing-white-paper/  

9.       Kenneth Wyatt. The Top Five Reasons Products Fail EMI Testing. [Online]. Available: https://interferencetechnology.com/the-top-five-reasons-products-fail-emi-testing/ 

10.    MuRata China. [深度报导] 老问题，新挑战：智能化趋势下的EMC设计. [Online]. Available: http://murata.eetrend.com/article/2019-11/1003181.html