萬物互聯時代：物聯網IoT

        物聯網爆發式的成長趨勢開展出新的網絡生態系統，其概念核心是在應用各類原本互不通訊的裝置，透過感知器收集資料，再將資料透過網絡傳送資料中心分析整合，再把訊息資源的結果透過網際網路分享傳送給其他網絡上的物聯網裝置。如圖1。生活中應用的物聯網概念延伸可涵蓋在Consumer, commercial, industrial and infrastructure space幾乎處處都是物聯網[1]。

圖1. Concept of IoT

        物聯網系統架構依據實際應用的裝置有所不同，如圖2可精簡分為三個階層Device, the Edge Gateway與The Cloud。運作方式是實體裝置(Device tier)將原始判讀資料透過通訊界面(有線或無線)提供給The Edge Gateway tier，這 層會將資料收集，聚合或預處理(Pre-processing)，接著將資料傳給The cloud tier做分析與管理[1][2]。

         物聯網從1985年被提出應用至今，其裝置終端本身的優勢在市場調查機構FinancesOnline的研究表示，預估全球連接到物聯網的IoT裝置將從2015年154.1億(15.41 billion)台成長到2025的754.4億台裝置 (75.44 billion)，此數據 在預告物聯網已與生活密不可分[3]。

工業應用物聯網的趨勢Industry IoT Trends

        工業物聯網應用的領域主要以生產製造為最大，第二大則是物流與運輸相關。其相關調查機構評估到2025年可達9494.2億美元($949.42 Billion)的規模體量[4]。透過表格1可見應用類別。雖然，製造生產是佔工業物聯網最大應用，但在公共事業與能源相關領域則是在前期就被應用。

表格1 : Industry IoT應用[5][6]

        公共事業應用中在AMI (Advanced Metering Infrastructure) 架構下可對電力、水、瓦斯與熱氣的能耗進行測量並提 供給使用者與公共事業機構相關訊息。AMI系統透過測量，收集和分析能量使用，對系統中的電錶，水表，瓦斯表熱表 透過週期性的通訊讀取資訊回到訊息中心。AMI系統架構即是可與表計 (Meter) 雙向通訊 (two-way communication) 的硬體架構[7]。智能表計應用於公共事業跟住家終端位置，如圖2是資料擷取系統示意，針對上下行的資料可應用的通 訊界面有線與無線方式通訊。有線的方式以RS485 / RS232 / PLC為主，而無線的應用則是在物聯網的概念下各國都是 以LPWAN為主。 

        以有線通訊是採用實體連接線實現為主的介面，大多可見如RS485, RS232與PLC的應用。實體連接線的通訊方式缺 點是需要配線形成一定的成本與後續增加的維護費用，但相對無線通訊界面來說是可較高程度的滿足99%以上的通訊 成功率。在無線通訊的應用則是採用LPWAN技術，來提供長距離、低速度、低功耗且支持大數量聯接的特點達到M2M 通訊應用。

圖3. Data Acquire System

越智能，越複雜

        智能產品應用提升了生活上的便利以外，我們也開始注意到越智能的電子產品的電磁相容問題越來越複雜，而智能表計也不例外。目前，各國在持續推廣有效使用能源概念下，對AMI系統和終端表計(Meter)持續的優化來更有效率的控制能源損耗。透過獲取電網效能與各種異常事件自動反饋，降低人力讀表維護成本與終端表計(Meter)用戶選擇性用電時間，並可在最低電價時段選擇用電方式。額外增加的功能與外加通訊模塊都必須滿足相關表計的電磁兼容規範，來保證通訊過程中可能產生的外在干擾。 

        智能電表都會滿足ANSI C 12.1或UL 2375標準，此兩種法規互不衝突。在UL 2375則有部分涵蓋ANSI C 12.1的標準，通常由公共事業處定義參照的法規[8]。其中如Radio frequency conducted and radiated emission (Test No.27: ANSI C63.4)、群脈衝測試EFT (Electrical fast transient/burst - Test No. 25: IEC 61000-4-4)、靜電測試(Electrostatic discharge - Test No.28: IEC 61000-4-2)等。 

        智能電表放置室外或是比較嚴苛的工作環境，當暴露在此環境的干擾將會影響智能電錶的正常運作。以專家角度來看，最常導致產品失效三個主要情況有Radiated Emission, Radiated Susceptibility and Electrostatic discharge (ESD)[9]。在靜電保護的設計概念，可以採用預留TVS (Transient Voltage Suppressor)元件layout Pad方式設計，方便整機驗證時進行適當變動增加彈性。故透過在智能電錶設計初期時，考慮適當的放置保護元件於敏感訊號、高頻訊號或是電源端口，來通過實驗室法規的認證與如何保證聯接物聯網相關的通訊模塊不被干擾，將是身為產品工程師須要仔細考量的一環。

AMC CAN HELP

        AMC (Amazing Microelectronic Corp.) 是靜電保護元件的領導者，提供的靜電保護器件技術優勢有低箝制電壓、低寄生電容、高浪湧保護等級與陣列式封裝。若能採用具有低箝制電壓特性的保護元件，在異常能量進入系統時，仍保證 後端電路被抑制在穩定的電壓與訊號電位正常運作。在對高頻訊號達到保護的同時，低寄生電容值的保護元件同時符合訊號完整性的要求(Signal Integrity)。智能電表有安裝室外的需求，提供高浪湧的保護可在設計上取得更高的信賴度(Reliability)。而陣列式的應用概念可一定程度上降低PCB板子的空間與成本，在產品達到高信賴度的同時也讓智能電錶製造商得到優化成本的目的。 

        另外，開關式電源是目前智能電表應用的主流，可讓錶計本身取得更好的效率，但因電路原理特性容易產生EMI問題。Power EMI filter是針對3.3V電源上對應截止頻段於35MHz ~ 3.5GHz的應用，採用主流的封裝設計其目的可直接替換電壓端的穩壓電容，而無須Re-design PCB。 

        針對有線通訊(Wire communication)可提供RS232/RS485/CAN實體層收發器的產品，AMC在收發器本身增加Electrostatic discharge
(IEC 61000-4-2)、Electrical fast transient/burst (IEC 61000-4-4) and Surge (IEC 61000-4-5)的保護能力在相關於外部聯接總線的訊號上。表格2整理出在AMI系統連接物聯網應用參考的設計，分別有物聯網通訊模塊與智能電錶本體。

表格2.無線模塊與智能電錶應用

Conclusion

        物聯網科技連結人類，系統(M2M)與訊息資源應用，預期後續將會衍生更多樣且涵蓋更廣的領域。越智慧的產品將會衍生更複雜的電磁兼容問題，如何在time-to-market的同時又要取得高信賴度的EMC效果，已是重要的課題。對產品設 計角度來說，若能先前評估模擬或預先規劃保護元件的選用，將可大大減少產品認證階段的工作。物聯網世代產品的EMC設計不將只是滿足檢測認證標準，須要確保複雜電磁環境中產品功能的可靠性無誤[10]。AMC將持續在物聯網領域扮演解決EMC問題的重要成員。

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. [深度報導] 老問題，新挑戰：智能化趨勢下的EMC設計. [Online]. Available: http://murata.eetrend.com/article/2019-11/1003181.html