嵌入式工業物聯網與XBee無線模組之整合應用

摘要：Digi International XBee是一種可透過協調器(Coordinator)、路由器(Router)及端點(Endpoint)，進行從屬設備無線數據交換的網路模塊，市場上已有眾多與其相容的設備販售，使用者可以靈活地選擇進行無線系統建構。本文將介紹工研院機械所發展的無線裝置應用，透過低功耗的微控制器(MCU)，經過自訂的通訊協議，並以實現雙向控制，避免封包漏失及確保重送機制，完成高強度的雙向控制遠距離節點控制器。含底層負責採擷數據的感測層端點盒(Endpoint Box)，以及透過Digi-Mesh無線傳輸數據的通訊層，中層提供工業物聯網通訊標準閘道器的雙向轉換協作器(Gateway Coordinator)，以及上層後台生管製造或雲端系統。
Abstract：Digi International XBee is a network module that can exchange wireless data between slave devices through Coordinator, Router and Endpoint. Many compatible options are available in the market, so users can  flexibly constrcut wireless system choose the wireless system construction flexibly. This article introduces a wireless device developed by the ITRI/MMSL based on a low-power MCU and a customized communication protocol to achieve two-way control which minimizes packet loss and ensures the re-delivery mechanism. A high-intensity, two-way controller based on this is also introduced. The proposed application is a four-layer architecture including an Endpoint Box as the bottom layer which is responsible for data collection, a communication layer for wireless data transmission through Digi-Mesh, a two-way conversion Gateway Coordinator as the IIoT communication standard gateway, and the upper backstage manufacturing system or cloud system.

關鍵詞：XBee無線模組、工業物聯網、微控制器
Keywords：XBee, Industrial internet of things (IIoT), Microcontroller unit (MCU)

前言
對傳統生產工廠如紡織業、機械加工廠或是化工廠等等，在舊有機台上增加設置感測器擷取數據，都難以避免佈線的成本與查線的困擾，而無線化的技術所帶來的直接效益，就是佈線成本降低 ! 而且無線感測器終端設備，可透過與機台識別ID綁定後端生管製造系統，移機時的移動性相對方便許多。對於傳統產業機台，生產管理真實掌握產線狀況，生產資訊可加速產能的提昇及製程的調整，進行生產線製程異常統計與產能估測，達成製程可視化之效果。
本研究將物聯網分為三個階層，底層負責採擷數據的感測層端點盒(Endpoint Box)，透過Digi-Mesh無線傳輸數據的通訊層，中層提供物聯網通訊標準閘道器的雙向轉換協作器(Gateway Coordinator)，以及上層後台生管製造或雲端系統。底層透過Atmel 8-bit AVR-Microcontroller ATmega328PB實作終端的物聯網裝置，透過Digi XBee S2C模塊，採用Digi-Mesh拓樸韌體，實現雙向控制且經過強化的自訂通訊協議，避免封包漏失及確保重送機制。中層閘道器方案採用Raspberry Pi3整合XBee S2C Pro Coordinator，聚合相同頻道內所有XBee端點(Endpoint)，最後轉換為MQTT pub/sub及OPC UA通訊標準服務架構，介接上層客戶整合既有的生管及製造系統應用。系統架構圖說明如圖1所示。

IIoT使用情境與設備介紹
本研究導入清祿鞋業集團，清祿鞋業是一家運動鞋代工廠，總部位於台南並於中國、越南、印尼皆設有生產基地，集團內原本已有完整上層的生管及製造系統。中間層Raspberry Pi3 負責做為閘道器，與原本客戶既有的上層系統協定轉換串接，底層負責採擷數據的感測層端點盒Endpoint Box，本案例設計的無線輸入及輸出轉換，係依照客戶端的使用情境需求，主要做為現場操作員的機台報修服務(call service)，使不具備連網連線功能的傳統單站機台，獲得作業機台狀態的切換及稼動率資訊，以無線傳輸方式遠端雙向整合控制端點盒Endpoint Box，完成上層的生管及製造系統整合需求。端點盒外殼面板五個組合按鍵SW1~SW5由現場操作員做為輸入或遠端下達控制命令，分別對應到七種機台報修的狀態、四顆LED燈號做為狀態顯示。按鍵部份說明如下：SW1為通知TPM(現場工程師)維修、SW2為通知TL/GL(現場主管)維修、SW3為開始維修CHECK IN(須搭配SW1或SW2的組合鍵)、SW4為完成維修CHECK OUT(須搭配SW1或SW2的組合鍵)、SW5為CANCEL(取消所有狀態)。藍燈LED TPM(閃爍為現場操作員Call TPM，恆亮為TPM抵達Check In，不亮為TPM Check Out)藍燈LED TL/GL(閃爍為操作員Call TL/GL，恆亮為TL/GL抵達Check In，不亮為TL/GL Check Out)、紅燈LED MAINT(當任一藍燈LED恆亮或閃爍時，維護燈號紅燈亮起)、黃燈LED VIBR為振動感應器做動燈號，以振動演算法偵測機台稼動率。本研究底層負責採擷數據的感測層端點盒，其情境說明如圖2所示