內建國際無線通訊規格 Wi-SUN FAN之小型 IoT 閘道器開發成功

2017年5月30日
京都大學
ROHM株式會社
NextDrive株式會社
日新Systems株式會社
京都大學資訊學研究所 原田博司教授之研究小組、ROHM 株式會社 (總公司:日本京都市)、NextDrive 株式會社 (總公司:台灣台北市)、日新 Systems 株式會社 (總公司:日本京都市) 共同成功開發內建國際無線通訊規格Wi-SUN FAN之物聯網 (Internet of Things,以下簡稱 IoT )用閘道器 (gateway)。

本次開發的 IoT 閘道器是在 NextDrive 公司所開發之世界最小等級 IoT 閘道器中內建京都大學、ROHM 日新系統所開發且支援 Wi-SUN FAN 的無線通訊模組。傳統 IoT 閘道是與網路相機、溫濕度感測器等組合,收集居家安全、看護、環境量測等所需的資訊,可經由手機通訊系統、Wi-Fi傳送到雲端。本次新支援Wi-SUN FAN,藉由 IoT 閘道器彼此間以多段中繼型式傳送之多重跳接 (Multi-hop) 功能,能將所收集資料以多段中繼型式傳送給另一 IoT 閘道器,且大幅提升通訊區域的面覆蓋率。另外,由於 Wi-SUN FAN 使用與Wi-Fi不同的頻率,因此不僅不會與 Wi-Fi 互相干擾,而且能建構高穩定性之 IoT 網路。並且能將內建 Bluetooth Low Energy (BLE) 之感測裝置轉換為 Wi-SUN FAN 後加以傳送。

本成果於5月24日在東京Bigsight舉辦之「Wireless JAPAN 2017」的Wi-SUN聯盟攤位 (日新Systems展示區) 以及5月30日在台灣台北所舉辦之「COMPUTEX 2017」世貿三館 NextDrive 展位號碼G0117,進行示範展示。

【合作開發背景】

近期盛行家庭內 IoT 系統的開發,此類系統在家庭內設置網路相機及感測器等裝置,並將量測結果儲存於雲端等,以進行居家安全、遠距醫療、遠距看護支援。

NextDrive 株式會社開發的小型 IoT 閘道器「Cube J」,是以網路相機、溫濕度感測器等的組合,收集居家安全、看護、環境量測等所需的資訊,經由手機通訊系統、Wi-Fi 傳送至雲端,目前已經商業化。然而,雖然其 IoT 閘道器彼此間只要有主機與子機即能進行通訊,但目前尚未內建多重跳接 (Muliti-hop) 功能,用以從子機以多段中繼型式傳送給另一子機。

另一方面,京都大學、ROHM 株式會社、株式會社日新Systems已進行研發 Wi-SUN FAN 無線通訊模組,其內建 IP 通訊下的多重跳接 (Muliti-hop) 功能,具優越的遠距傳送性、耐干擾性。該 Wi-SUN FAN 能實現 IEEE 802.15.4g 無線通訊規格下之無線機器間最大 1km 左右之傳送距離,以及 10 段以上之多重跳接 (Muliti-hop) 的多段中繼功能,並且,其安全性與 Wi-Fi 相同,與 Wi-Fi 一樣容易使用。但是,應用於 IoT 之實際系統目前尚未被廣泛使用。

【本次開發成果】

本次開發之 IoT 閘道器是在 NextDrive 株式會社開發之小型 IoT 閘道器「Cube J」 (圖1) 中內建 Wi-SUN FAN 無線通訊模組 (圖1),此模組使用了京都大學、ROHM 株式會社、株式會社日新 Systems 所開發之 ROHM 製無線模組。在尺寸47×47×38 mm 之極小機體中內建 Wi-SUN FAN 無線通訊模組,可將本身所收集之資料藉由 Wi-SUN FAN 下的多段中繼型式傳送到另一 IoT 閘道器中,且提升屋內之面覆蓋率。中繼段數能支援到 10 段以上,在大型設施中也能利用本 IoT 閘道器。

另外,由於 Wi-SUN FAN 使用與 Wi-Fi  (2.4GHz 頻帶、5GHz 頻帶) 不同的頻率 (920MHz頻帶),因此不僅不干擾 Wi-Fi,而且能建構穩定性高的 IoT 用網路。未來將可可連結內建具遠距離傳送特性之 Wi-SUN FAN 的感測器、電錶、及監控機器。

本次開發將用網路相機所取得之圖像經由 USB 傳送給 IoT 閘道器,另外,將溫濕度感測器 (NextDrive 製 ThermoPixi) 所取得之資料經由 Bluetooth Low Energy  (BLE) 傳送給 IoT 閘道器,在內建 Wi-SUN FAN 之 IoT 閘道器間,以多段中繼型式進行傳送後,傳送到主 IoT 閘道器,然後顯示資訊在手機上,證實了可獲得良好的傳送特性 (圖2、3)。

【未來展望】

今後、以上四個單位 (京都大學、ROHM 株式會社、NextDrive 株式會社、株式會社日新 Systems) 為了將本次開發之內建Wi-SUN FAN的 IoT 閘道器商用化,將與Wi-SUN聯盟共同開發。本成果將於5月24日在東京 Bigsight 舉辦之 「Wireless JAPAN 2017」 Wi-SUN 聯盟攤位 (日新 Systems 展示區) 及5月30日在台灣台北所舉辦之「COMPUTEX 2017」世貿三館 NextDrive 展位號碼G0117,進行示範展示。

<參考圖>

圖1:所開發之 IoT 閘道器 (左圖尺寸為47×47×38 mm)及內建之Wi-SUN模組(右圖)

圖2:模擬使用範例

圖3:驗證試驗示意圖<用語説明>

Wi-SUN FAN (Field Area Network)
一種能以感測器、電錶中所內建之IPv6進行多段中繼 (多重跳接式)之通訊規格,其中,該感測器與電錶是將Wi-SUN聯盟所制定之智慧型電錶、實現配電自動化之智慧型電網、及基礎設施管理、先進道路交通系統、智慧型照明所代表之智慧型城市,以無線的方式予以實現。在2016年5月16日制定第1版。由作業小組制定Wi-SUN FAN。在物理層(Physical layer)部採用IEEE 802.15.4g,在資料連結層(Data link layer)採用IEEE 802.15.4/4e,在適應層(Adaptation layer)採用IETF 6LowPAN,並在網路層(Network layer)採用IPv6,ICMPv6,在傳輸層(Transportation layer)採用UDP,且認證方式採用IEEE 802.1x。另外,也提供用來確保製造廠商間之相互連結的測試規格等。京都大學、ROHM株式會社、株式會社日新Systems於2016年11月成功開發了內建Wi-SUN FAN之無線機。詳細請參照http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research/research_results/2016/161116_1.html。

 IoT 閘道Cube J
NextDrive株式會社所開發之輕巧型 IoT 閘道器。採用插頭型的形狀,只要將主機直接插入插座就能設置,能支援作為 IoT 閘道器所需之無線通訊「Wi-Fi」、「Bluetooth」、「Wi-SUN」。備有多樣化配件 (動作感測器、溫濕度感測器、網路相機、紅外線遙控器,及智慧型插頭等)。可在主機上將配件如疊積木般搭配組合,即能將所取得資訊經由「Wi-Fi」、「Bluetooth」、「Wi-SUN」予以傳送。由於全由智慧型手機進行設定,因此無論誰都能輕易操作。其詳細內容請參照http://jp.nextdrive.io/cube/。

IEEE 802.15.4g
內建於可在室外使用的感測器、電錶等中,是進行能源管理等時所需之無線通訊傳送部 (物理層)的國際標準規格。其1跳接(hop)最大1km左右的傳送距離,在都市中也能使用,並具有在低耗電下傳送IPv6等資訊的優點。由美國IEEE802.15委員會所制定。京都大學 原田博司為該標準化委員會副主席,也是圖框同步編碼(Frame Synchronization Code)被採用為標準規格時,在技術上的主要貢獻者。

Wi-SUN聯盟
此聯盟是在IEEE 802.15.4g規格基礎下,為了實現能源管理、防災、工廠等各種應用,而與其他公開的國際標準規格結合,制定可在製造廠商間相互連結之國際無線通訊規格「Wi-SUN Profile」的任意團體。目前全世界有100家以上企業會員。智慧型電錶與室內能源管理系統 (HEMS)間之通訊規格「Wi-SUN ECHONET」被日本全國電力公司採用。目前內建有該規格之智慧型電錶已出貨1000萬台以上。今後預定在東京電力管理區域內出貨2000萬台以上。其詳細內容請參照http://www.wi-sun.org。