各式技術(shù)譜出動(dòng)人物聯(lián)網(wǎng)協(xié)奏曲

 無論是IDC或是其他市調(diào)單位的預(yù)估都相當(dāng)令人振奮，不是嗎?物聯(lián)網(wǎng)(IoT)這個(gè)讓各個(gè)產(chǎn)業(yè)都相當(dāng)興奮的關(guān)鍵詞已逐漸在生活周圍、工廠、城市或商業(yè)區(qū)實(shí)現(xiàn)，2017年甚至被認(rèn)為是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場發(fā)展起飛的一年…

市調(diào)機(jī)構(gòu)IDC預(yù)測(cè)，2017年全球物聯(lián)網(wǎng)(IoT)市場規(guī)模將超過9,300億美元，較去年增加1,000億，今年并有機(jī)會(huì)挑戰(zhàn)破兆。3年后，預(yù)計(jì)市場將達(dá)到應(yīng)用爆發(fā)期，規(guī)模更將翻倍成長達(dá)1.46兆美元。另外，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量成長更快速，5年內(nèi)將翻漲3倍，2015年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量已有121億個(gè)，預(yù)計(jì)2018年將超越手機(jī)，未來3年，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備總數(shù)亦將累積高達(dá)300億個(gè)。

相信，無論是IDC或是其他市調(diào)單位的預(yù)估，都相當(dāng)令人振奮，不是嗎?物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)讓各個(gè)產(chǎn)業(yè)都相當(dāng)興奮的詞，已開始逐漸在生活周圍、工廠、城市或商業(yè)區(qū)實(shí)現(xiàn)，2017年甚至被認(rèn)為是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場發(fā)展起飛的一年。但不可否認(rèn)的是，仍有許多業(yè)者“不甚理解”物聯(lián)網(wǎng)究竟該做什么，更也遑論在物聯(lián)網(wǎng)市場中，能像市調(diào)機(jī)構(gòu)所預(yù)測(cè)，攢到好幾桶金。《電子工程專輯》(EETimes Taiwan)與《電子技術(shù)設(shè)計(jì)》(EDN Taiwan)共同舉辦的TechTaipei——「2017智能互連與嵌入式應(yīng)用研討會(huì)」，邀集業(yè)界關(guān)鍵廠商為403位與會(huì)來賓解惑。

究竟要實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)，必要的條件是什么呢?

《電子工程專輯》副主編鄭伃君指出，物聯(lián)網(wǎng)中的“聯(lián)”字，許多業(yè)者會(huì)使用“連”，但若是談到物聯(lián)網(wǎng)真正的意涵——萬物相連并結(jié)合，則使用字義帶有結(jié)合的“聯(lián)”這個(gè)字，才能貼近物聯(lián)網(wǎng)世界所要表達(dá)的真義。

另外，除了萬物相結(jié)合，物聯(lián)網(wǎng)千萬也別變成“誤聯(lián)網(wǎng)”或“惡聯(lián)網(wǎng)”。連接到不正確或是帶有惡意的網(wǎng)絡(luò)，也會(huì)失去物聯(lián)網(wǎng)真正的涵義。

以說文解字的方式定義物聯(lián)網(wǎng)的意義之后，恩智浦(NXP)大中華區(qū)MICR營銷經(jīng)理黃健洲進(jìn)一步說明實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的必要條件為何。他表示，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的必要條件業(yè)界討論相當(dāng)多，可從物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展挑戰(zhàn)開始探討。

現(xiàn)階段，業(yè)者遭遇的物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)包括：如何使開發(fā)環(huán)境維持一致性，而非片段;如何做到優(yōu)化的安全性，以及如何能讓產(chǎn)品進(jìn)入量產(chǎn)階段。黃健洲認(rèn)為，要克服這些挑戰(zhàn)，并將物聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)化為可實(shí)現(xiàn)的商品或可用之物，傳感器、處理器或微控制器(MCU)，以及連網(wǎng)技術(shù)，即為不可或缺的關(guān)鍵。

不僅如此，物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，從最前端傳感器到后端處理中心整體的安全性，以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)，也須相當(dāng)重視，才能打造一個(gè)完整、便利且能吸金的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)。

無線通信技術(shù)相輔相成

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，有線及無線通信技術(shù)絕不可少，否則無法將萬物相結(jié)合。而在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場域里，主要的通訊技術(shù)會(huì)是以無線通信技術(shù)為主，因?yàn)樵S多深山野嶺，或是具危險(xiǎn)性的地區(qū)，無法鋪設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)，也因此，給予各式各樣無線通信技術(shù)“出頭”的機(jī)會(huì)。

黃健洲指出，物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)內(nèi)的無線通信技術(shù)相當(dāng)多，但彼此間各有所長，業(yè)者可依自己的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用特性進(jìn)行評(píng)估，選擇最適合其中一種或多種無線網(wǎng)絡(luò)。目前各類無線技術(shù)各自占據(jù)的山頭，可以大略區(qū)分為：工業(yè)——以ZigBee為主、消費(fèi)性電子——Wi-Fi或藍(lán)牙(Bluetooth)、家電——Thread，個(gè)人認(rèn)證方面則是近距離無線通信(NFC)較強(qiáng)勢(shì)。

除上述無線通信技術(shù)外，近期還有些無線通信技術(shù)也應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)而生，如使用sub-1GHz頻段的LoRa。Microchip資深應(yīng)用工程師張益洲表示，LoRa為基于線性擴(kuò)頻調(diào)變的網(wǎng)絡(luò)物理層，其物理層支持遠(yuǎn)距離通訊的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)，即可組成LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)，不僅具備低功耗特性，還能擁有較長的傳輸距離。

圖1：根據(jù)應(yīng)用需求比較各類物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)

LoRaWAN具備兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：一為使用者自行架設(shè)網(wǎng)關(guān)(Gateway)及云端(Cloud)即可運(yùn)作;另一種則是須和電信營運(yùn)商合作，可布建范圍更寬廣的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)。張益洲說明，“目前臺(tái)灣業(yè)者大多選擇可自行建置網(wǎng)絡(luò)的LoRaWAN架構(gòu)。”

Silicon Labs臺(tái)灣區(qū)總經(jīng)理寶陸格認(rèn)為，ZigBee技術(shù)推出之時(shí)，許多特性受到業(yè)界的矚目，不過要將設(shè)備接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)得經(jīng)過很多的設(shè)定，不夠友善，因此采用的數(shù)量不多。然而，ZigBee Alliance亦持續(xù)改進(jìn)ZigBee，最新的ZigBee 3.0標(biāo)準(zhǔn)采用開放式系統(tǒng)架構(gòu)(OSI)模型，將網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的各層定義清楚，但網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、對(duì)話層(Session Layer)與展現(xiàn)層(Presentation Layer)卻不是走IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以至于會(huì)出現(xiàn)不兼容的問題。

圖2：支持多重互聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用情境

為“修補(bǔ)”ZigBee的不足，Thread在兩年前現(xiàn)身。寶陸格強(qiáng)調(diào)，Thread是基于IP架構(gòu)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，與ZigBee最大的不同是，使用者可自行定義應(yīng)用層。但ZigBee Alliance亦制定完整的ZigBee應(yīng)用層架構(gòu)，為了避免“浪費(fèi)”，Thread Group將ZigBee應(yīng)用層進(jìn)一步IP化，并架構(gòu)在Thread網(wǎng)絡(luò)上，使Thread網(wǎng)絡(luò)擁有從上到下完整的架構(gòu)，而這樣完整的Thread網(wǎng)絡(luò)，ZigBee Alliance將其命名為“dotdot”。無論是Thread或是dotdot網(wǎng)絡(luò)皆可望在智能家居應(yīng)用中，擁有一片天。

此外，針對(duì)工業(yè)應(yīng)用，已并入亞德諾(ADI)的凌力爾特(Linear Technology)則是推出自有的Dust網(wǎng)絡(luò)。該公司市場應(yīng)用經(jīng)理陳柔文表示，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2025年全球物聯(lián)網(wǎng)市場產(chǎn)值將有60%落在工業(yè)領(lǐng)域，但工業(yè)與家庭應(yīng)用的需求大不相同，因此不能以家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無線技術(shù)直接套用在工業(yè)市場，必須有更多“堅(jiān)持”。

工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ诰珳?zhǔn)度與可靠度相當(dāng)要求，亦需長距傳輸能力。而Dust與LoRa、ZigBee或Thread網(wǎng)絡(luò)底層都建基于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，惟在網(wǎng)絡(luò)上層設(shè)計(jì)有所不同，使Dust能夠?qū)鬏斁嚯x擴(kuò)展至1,200公尺，并具備低功耗、低成本與簡易安裝特性，且維持較佳訊號(hào)穿透性表現(xiàn)。

不過，每一種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用并非仰賴單一無線通信技術(shù)就足夠。寶陸格以智慧家庭為例，家電的總控制設(shè)備可能是由一個(gè)嵌在墻上的總控制器執(zhí)行，這些都可以Thread技術(shù)相互連結(jié)，但消費(fèi)者的行動(dòng)設(shè)備如智能手機(jī)、平板設(shè)備也會(huì)身兼控制中心，這時(shí)就需要利用行動(dòng)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)配備的Wi-Fi或藍(lán)牙透過網(wǎng)關(guān)與Thread介接。

因此物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)師不僅要考慮應(yīng)用中需要導(dǎo)入那些無線技術(shù)，也須留意各無線技術(shù)在各國開放的頻段也有差異。例如sub-1GHz各國開放的頻段，日本310MHz、中國大陸470MHz、歐洲433MHz~868MHz，臺(tái)灣則是915MHz。

微控制器更滿足市場所需

另一個(gè)讓物聯(lián)網(wǎng)概念變?yōu)閷?shí)際的是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的“大腦”——處理器或微控制器。針對(duì)各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)備所需，業(yè)者須選擇最合適的處理器或微控制器，才能在功耗、效能與成本上取得平衡。

張益洲指出，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，若是節(jié)點(diǎn)設(shè)備，則須要使用功耗非常低的微控制器，這是由于這些節(jié)點(diǎn)設(shè)備都以電池供電、且無法時(shí)常替換電池;若是用于中控中心或有市電供電的設(shè)備時(shí)，則就不需要太計(jì)較組件功耗，反而需要關(guān)注處理效能。

GigaDevice資深產(chǎn)品市場經(jīng)理金光一表示，近期有越來越多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備加入了生物辨識(shí)技術(shù)，不但保護(hù)設(shè)備的安全性，也保障使用者的財(cái)物不會(huì)輕易被有心人士盜取。此時(shí)，微控制器就需要加入新的功能與提升演算效率，但卻不能因?yàn)樵鎏砹诵鹿δ芏尦杀?ldquo;無限上綱”。

不僅如此，面對(duì)通用型微控制器無法滿足某些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時(shí)，業(yè)者也須提供訂制化的微控制器予客戶，并提供完整開發(fā)支持與生態(tài)系統(tǒng)。

另一方面，無線通信技術(shù)也須使用微控制器進(jìn)行通訊協(xié)議的處理，而現(xiàn)階段，單一無線技術(shù)無法“通吃”全部應(yīng)用，因此微控制器需要支持多重?zé)o線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。更重要的是，針對(duì)對(duì)于無線技術(shù)沒有概念的業(yè)者，如何讓設(shè)計(jì)人員能夠簡單設(shè)計(jì)微控制器，使其滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所需，將多多少少影響物聯(lián)網(wǎng)市場的發(fā)展。

所幸，在業(yè)者的努力下，微控制器已越來越能符合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的要求。有鑒于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所需的無線通信技術(shù)各不相同，甚至前一代與下一代物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品就得支持不同的無線技術(shù)，這時(shí)如果廠商因?yàn)橹С值臒o線通信技術(shù)不同，而需要重新進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，將有極大可能喪失市場先機(jī)。

德州儀器(TI)營銷與應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)總監(jiān)詹勛琪表示，微控制器要賦予物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接性，內(nèi)部必須整合無線通信的通訊協(xié)議，若是微控制器基礎(chǔ)架構(gòu)都相同，透過類似堆棧樂高的方式，廠商僅需替換通訊協(xié)議的部分，或是再加上另一個(gè)無線通信協(xié)議，即可無須重頭設(shè)計(jì)，如此一來，將可節(jié)省時(shí)間與人力成本。詹勛琪補(bǔ)充，“未來支持雙模無線通信的技術(shù)的產(chǎn)品將越來越受市場歡迎。”

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場也相當(dāng)看重產(chǎn)品上市時(shí)間。換句話說，業(yè)者開發(fā)的產(chǎn)品能夠越快進(jìn)入市場越能搶占市場大餅。詹勛琪認(rèn)為，要加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)程，支持連網(wǎng)技術(shù)的微控制器設(shè)計(jì)要能越簡單越好，廠商花越少的時(shí)間“糾結(jié)”微控制器的軟硬件設(shè)計(jì)或無線通信協(xié)議的了解，將能給予終端產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)更多的時(shí)間及人力，更能設(shè)計(jì)出“驚世絕艷”的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用終端。

此時(shí)，微控制器業(yè)者提供的設(shè)計(jì)套件或軟件相關(guān)資源越豐富，越能節(jié)省客戶時(shí)間。而大多數(shù)的微控制器業(yè)者，也戮力專注于開發(fā)資源或套件的完整度，更透過社群軟件，讓開發(fā)者能夠相互交流，期可協(xié)助客戶盡快設(shè)計(jì)出所期望的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

內(nèi)存容量/穩(wěn)定性需求增

不僅微控制器順應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)市場逐漸變化，內(nèi)存也是如此。富士通(Fujitsu)市場部總監(jiān)馮逸新表示，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備大多是以電池供電，甚至不需電池，且產(chǎn)品尺寸也需小型化，再加上許多節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)感測(cè)環(huán)境的工作，有時(shí)需配置在較為嚴(yán)苛的環(huán)境，對(duì)傳統(tǒng)的內(nèi)存來說，是一大考驗(yàn)。

為解決上述問題，寫入速度快、數(shù)據(jù)漏失較少的鐵電隨機(jī)存取內(nèi)存(FRAM)，可以說相當(dāng)適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中。馮逸新指出，F(xiàn)RAM可降低印刷電路板(PCB)占位面積、減少物料清單(BOM)成本，加上沒有讀寫次數(shù)的限制，因此相較于EEPROM、SRAM或DRAM具備較多優(yōu)勢(shì)，因此物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)中的各種RFID標(biāo)簽，F(xiàn)RAM即相當(dāng)有用武之地。

此外，由于FRAM可為微控制器提供高儲(chǔ)存容量與讀寫速度、更低功耗…等優(yōu)勢(shì)，因此許多微控制器業(yè)者也開始將FRAM內(nèi)建在微控制器中。根據(jù)Semico Research的統(tǒng)計(jì)，2017年一顆系統(tǒng)單芯片(SoC)中，將有84%是內(nèi)存，邏輯的部分僅占16%，未來內(nèi)存的比重也將越來越高。

圖3：富士通展示無電池RFID的創(chuàng)新物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用—利用FRAM RFID實(shí)現(xiàn)的無線鍵盤

厚翼科技(HOY)資深協(xié)理王炳興表示，隨著無論是傳統(tǒng) 或FRAM內(nèi)存開始大量內(nèi)建在單核及多核心微控制器中，如何測(cè)試內(nèi)建于微控制器的內(nèi)存效能，甚至進(jìn)一步有效修復(fù)內(nèi)存，都將是微控制器或是SoC的重要課題。

不可否認(rèn)，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場中，降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本已成為業(yè)者追求的終極目標(biāo)之一。王炳興認(rèn)為，“透過更有效的內(nèi)存測(cè)試與修復(fù)解決方案，將能有效降低物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)成本。”

建構(gòu)服務(wù)平臺(tái)不再傷腦筋

阻礙物聯(lián)網(wǎng)加速開發(fā)的絆腳石包含基礎(chǔ)建設(shè)的成本、設(shè)備與聯(lián)機(jī)端的安全性，以及開發(fā)時(shí)，人員及時(shí)間成本。不僅如此，物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的建置，對(duì)于沒有太多資源或是概念的產(chǎn)品制造商來說，也是令其相當(dāng)頭痛的部分。

ARM物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)群業(yè)務(wù)總監(jiān)粘靜芳表示，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品發(fā)展的成功要素是使用開放性標(biāo)準(zhǔn)、避免采用單一廠商擁有的技術(shù)、安全性與設(shè)備完整的開發(fā)工具支持;再者就是服務(wù)平臺(tái)的建立，產(chǎn)品收集的相關(guān)信息才能進(jìn)一步傳輸?shù)皆贫似脚_(tái)分析，或是遠(yuǎn)程更新韌體與管理、追蹤產(chǎn)品狀況。

不過，要開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)，或是將產(chǎn)品鏈接到云端，說起來很容易，實(shí)作上相當(dāng)難。粘靜芳認(rèn)為，要讓設(shè)備順利鏈接到云端平臺(tái)，若是選擇與第三方云端平臺(tái)供貨商合作，業(yè)者無論選擇哪一家廠商，都要注意其平臺(tái)是否支持開放原始碼、是否擁有服務(wù)器或和其他服務(wù)器廠商合作，以及是否已架接好應(yīng)用程序編程接口(API)。

如此一來，才不會(huì)需要花許多時(shí)間或成本去調(diào)整，甚至出問題還得花人力與更多資源去修復(fù)。粘靜芳說：“目前有許多公司已開始將目光從物聯(lián)網(wǎng)可以賺多少錢，轉(zhuǎn)向物聯(lián)網(wǎng)可以為企業(yè)省下多少成本。”

若是廠商要自行開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，該如何省成本?Ayla大中華區(qū)管道市場與區(qū)域銷售總監(jiān)張家源表示，對(duì)于資本雄厚的大企業(yè)來說，自行建置物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)，可能不會(huì)有太大的問題;但對(duì)于中小企業(yè)而言，要升級(jí)、轉(zhuǎn)型至開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，光就人才難尋且“價(jià)格高”這一點(diǎn)，就很有可能扼殺中小企業(yè)進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)市場的機(jī)會(huì)。

圖4：Ayla在現(xiàn)場展示透過其端對(duì)端的物聯(lián)網(wǎng)IoT平臺(tái)，輕松實(shí)現(xiàn)以Echo語音控制切換家中照明開關(guān)

也因此，張家源建議，企業(yè)可以尋找專門的業(yè)者合作，將產(chǎn)品到連網(wǎng)、通路、云端平臺(tái)這一段補(bǔ)齊，僅需專心研發(fā)并銷售產(chǎn)品。此外，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品也需跟隨市場潮流進(jìn)行「改版」，最快且便利的方式就是透過云端，因此選擇合作廠商時(shí)，也需考慮其技術(shù)平臺(tái)是否能夠擴(kuò)充，并與其他業(yè)者的云端平臺(tái)接軌。

事實(shí)上，物聯(lián)網(wǎng)不是眼睛所看到的那么簡單，背后需要非常多的技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)市場也不是廠商說要進(jìn)入就能順利進(jìn)入，業(yè)者需要“做”的功課非常多，開發(fā)的產(chǎn)品要如何“一站到位”，真正滿足市場需求，還要兼顧產(chǎn)品上市時(shí)間與成本，有志進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)市場的業(yè)者們真的需要努力再努力。