便利新時代：物聯(lián)網(wǎng)的控制與聯(lián)機選擇

[導(dǎo)讀] 有別于以往所經(jīng)歷過的一切，我們來到了聯(lián)機與便利新時代的開端。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）有望實現(xiàn)隨時隨地了解及掌握居家和工作環(huán)境的愿景，它或許已然降臨，就好比杰弗里·摩爾（Geoffrey Moore）所說的“鴻溝（Chasm）”，你是站在哪一側(cè)？ 關(guān)鍵詞：家居互聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)

有別于以往所經(jīng)歷過的一切，我們來到了聯(lián)機與便利新時代的開端。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）有望實現(xiàn)隨時隨地了解及掌握居家和工作環(huán)境的愿景，它或許已然降臨，就好比杰弗里·摩爾（Geoffrey Moore）所說的“鴻溝（Chasm）”，你是站在哪一側(cè)？如今通過聯(lián)網(wǎng)可以聯(lián)機監(jiān)控居家環(huán)境，確保家人安全無憂，使家中的能源獲得最妥善的運用，查看寵物，而這一切皆能在家里或在路上就能搞定。其中的引爆點在于，有極少數(shù)創(chuàng)新的消費產(chǎn)品與服務(wù)，即使是最近的采用者都無法忽略。此后，物聯(lián)網(wǎng)的到來就毋庸置疑了。

假如這種情況還沒有發(fā)生，公司的管理團隊不久后也會推出產(chǎn)品來參與物聯(lián)網(wǎng)。各位要如何應(yīng)對？好消息是，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用如今有很多現(xiàn)成的應(yīng)用的協(xié)議棧架構(gòu)，就等著各位和所屬團隊來發(fā)揮本身的創(chuàng)意專長。在本文中，我們將探討家居互連的常見架構(gòu)，以及有助于駕馭物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)考慮。

大家都想要把握住家與家人的安全，而唯有在失火或失竊時，這方面的需求才會浮現(xiàn)在我們的腦海。有些新創(chuàng)公司和有線電視業(yè)者已針對家居互連推出了產(chǎn)品，以提供消防、安全和便利方面的服務(wù)。典型的家居互連系統(tǒng)架構(gòu)包含了一些從簡單到復(fù)雜的感測節(jié)點、有網(wǎng)關(guān)可供無線上網(wǎng)并且可能需提供本地化智能系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)，以及鏈接移動裝置的云端服務(wù)。類似的家居互連架構(gòu)如圖1所示。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員在設(shè)計網(wǎng)關(guān)或感測節(jié)點時，必須考慮到有沖突的需求，舉例來說像是處理速度、存儲容量、法規(guī)考慮、功耗、系統(tǒng)延遲、聯(lián)機選擇、系統(tǒng)分隔、安全要求、互操作性、未來的遷移和系統(tǒng)成本。

圖1：家居互連

系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)可能是有線電視機頂盒，也可能是獨立的系統(tǒng)。典型網(wǎng)關(guān)架構(gòu)范例可參見圖2。網(wǎng)關(guān)的微控制器（MCU）最有可能采用基于ARM的Cortex-M或Cortex-A型處理器搭配上鏈接選擇，如以太網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi、ZigBee和sub-GHz/ISM。在挑選最理想的微控制器時，所要考慮的包括通訊協(xié)議棧和網(wǎng)關(guān)服務(wù)的存儲容量與處理要求、“實時”或脫機運作的系統(tǒng)延遲要求，以及聯(lián)機。在挑選無線射頻子系統(tǒng)時，所要考慮的則包括當(dāng)?shù)氐姆ㄒ?guī)（FCC、ETSI等）、要不要連結(jié)至更大的生態(tài)系統(tǒng)（此時就必須有標(biāo)準(zhǔn)），或是協(xié)議堆棧要求、鏈路預(yù)算（以轉(zhuǎn)換為無線射頻的范圍）和系統(tǒng)成本，假如系統(tǒng)是自成一體的話（可采用專屬協(xié)議棧）。無線接收器的能耗與系統(tǒng)架構(gòu)息息相關(guān)，因為它會影響到感測節(jié)點的范圍與電池的壽命。

迷你網(wǎng)關(guān)在把感測和環(huán)境數(shù)據(jù)傳到云端時，只會通過以太網(wǎng)絡(luò)或無線射頻子系統(tǒng)，所以使用較小、較便宜的Cortex-M型處理器應(yīng)足以應(yīng)付，特別是將通訊的協(xié)議棧要求降到最低。迷你網(wǎng)關(guān)的優(yōu)點在于，節(jié)點之間的情報與互操作性可以靠云端服務(wù)來管理，但缺點是可能要繞上一圈來等待云端服務(wù)處理并回復(fù)指揮與控制指令。另一個極端則是“智能型”網(wǎng)關(guān)，它提供本地指揮與智能控制，并具有最小延遲與全功能的優(yōu)點 - 假如云端斷線的話。不過，智能型網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用必須管理商業(yè)邏輯，在支持系統(tǒng)升級方面也必須經(jīng)得起未來的考驗。沒有人希望今天所買的無線照明控制系統(tǒng)到明天就要換新的網(wǎng)關(guān)。

圖2：家居互連網(wǎng)關(guān)架構(gòu)范例

聯(lián)機住家的基本節(jié)點可能是大門傳感器、無線照明或煙霧偵測器，如圖3所示。微控制器大部分使用低功耗的8位器件或32位的ARM Cortex-M型器件。在挑選最理想的微控制器時，所要考慮的存儲容量與處理要求包括無線射頻協(xié)議棧與傳感器管理、能源消耗、小封裝及成本。在挑選無線射頻協(xié)議時，所要考慮的則包括功耗、鏈路預(yù)算和成本。無線連接的選擇一般包含了專用的sub-GHz/ISM協(xié)議棧、ZigBee、藍(lán)牙或Wi-Fi。在這些選擇中，sub-GHz和ZigBee是居家自動化最常使用的協(xié)議，因為它們最具能源效率、長效的電池壽命（一般是三至五年），以及廣大的范圍以偵測室內(nèi)各區(qū)的感測節(jié)點，以避免經(jīng)常更換電池的麻煩。對許多無線感測節(jié)點的應(yīng)用來說，藍(lán)牙缺乏足夠的范圍，因為它不支持中繼器。藍(lán)牙對電源的要求也遠(yuǎn)高于ZigBee。Wi-Fi所需要的耗能大過ZigBee和sub-GHz，所以并不適合以電池供電的應(yīng)用，因為電池?zé)o法輕易充電。

對于sub-GHz的星形節(jié)點或泛洪的（flooding-capable）無線射頻協(xié)議棧以及像感測節(jié)點這種空間受限的應(yīng)用，最省成本的解決方案或許是小封裝、超低功耗的8位微控制器和無線射頻接收器，或是將微控制器和接收器整合在一起的系統(tǒng)單芯片。對于ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，最佳的選擇是將微控制器和無線射頻子系統(tǒng)整合在一起的系統(tǒng)單芯片，尤其是在印刷電路板這種對于空間錙銖必較的地方。在尋找微控制器和無線射頻接收器時，供貨商要能提供低功耗的8位和32位的ARM Cortex-M型微控制器以及無線系統(tǒng)單芯片，并滿足無線射頻協(xié)議棧的布建要求加以簡化的開發(fā)工具。

圖3：基本的感測節(jié)點架構(gòu)

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