市調機構IDC預測,2017年全球物聯網(IoT)市場規模將超過9,300億美元,較去年增加1,000億,今年並有機會挑戰破兆。3年後,預計市場將達到應用爆發期,規模更將翻倍成長達1.46兆美元。另外,全球物聯網裝置數量成長更快速,5年內將翻漲3倍,2015年全球物聯網裝置數量已有121億個,預計2018年將超越手機,未來3年,全球物聯網裝置總數亦將累積高達300億個。

相信,無論是IDC或是其他市調單位的預估,都相當令人振奮,不是嗎?物聯網這個讓各個產業都相當興奮的詞,已開始逐漸在生活周遭、工廠、城市或商業區實現,2017年甚至被認為是物聯網應用市場發展起飛的一年。但不可否認的是,仍有許多業者「不甚理解」物聯網究竟該做什麼,更也遑論在物聯網市場中,能像市調機構所預測,攢到好幾桶金。《電子工程專輯》(EETimes Taiwan)與《電子技術設計》(EDN Taiwan)共同舉辦的TechTaipei——「2017智慧互連與嵌入式應用研討會」,邀集業界關鍵廠商為403位與會來賓解惑。

究竟要實現物聯網,必要的條件是什麼呢?

《電子工程專輯》副主編鄭伃君指出,物聯網中的「聯」字,許多業者會使用「連」,但若是談到物聯網真正的意涵——萬物相連並結合,則使用字義帶有結合的「聯」這個字,才能貼近物聯網世界所要表達的真義。

另外,除了萬物相結合,物聯網千萬也別變成「誤聯網」或「惡聯網」。連接到不正確或是帶有惡意的網路,也會失去物聯網真正的涵義。

以說文解字的方式定義物聯網的意義之後,恩智浦(NXP)大中華區MICR行銷經理黃健洲進一步說明實現物聯網的必要條件為何。他表示,實現物聯網的必要條件業界討論相當多,可從物聯網的發展挑戰開始探討。

現階段,業者遭遇的物聯網挑戰包括:如何使開發環境維持一致性,而非片段;如何做到最佳化的安全性,以及如何能讓產品進入量產階段。黃健洲認為,要克服這些挑戰,並將物聯網轉化為可實現的商品或可用之物,感測器、處理器或微控制器(MCU),以及連網技術,即為不可或缺的關鍵。

不僅如此,物聯網架構中,從最前端感測器到後端處理中心整體的安全性,以及物聯網應用服務平台,也須相當重視,才能打造一個完整、便利且能吸金的物聯網應用架構。

無線通訊技術相輔相成

物聯網架構中,有線及無線通訊技術絕不可少,否則無法將萬物相結合。而在物聯網的應用場域裡,主要的通訊技術會是以無線通訊技術為主,因為許多深山野嶺,或是具危險性的地區,無法鋪設有線網路,也因此,給予各式各樣無線通訊技術「出頭」的機會。

黃健洲指出,物聯網架構內的無線通訊技術相當多,但彼此間各有所長,業者可依自己的物聯網應用特性進行評估,選擇最適合其中一種或多種無線網路。目前各類無線技術各自佔據的山頭,可以大略區分為:工業——以ZigBee為主、消費性電子——Wi-Fi或藍牙(Bluetooth)、家電——Thread,個人認證方面則是近距離無線通訊(NFC)較強勢。

除上述無線通訊技術外,近期還有些無線通訊技術也應物聯網而生,如使用sub-1GHz頻段的LoRa。Microchip資深應用工程師張益洲表示,LoRa為基於線性擴頻調變的網路實體層,其實體層支持遠距離通訊的網路協定和系統架構,即可組成LoRaWAN網路,不僅具備低功耗特性,還能擁有較長的傳輸距離。

20170807_IoT_NT31P1 圖1:根據應用需求比較各類物聯網無線通訊技術 (來源:Microchip)

LoRaWAN具備兩種網路架構:一為使用者自行架設閘道器(Gateway)及雲端(Cloud)即可運作;另一種則是須和電信營運商合作,可佈建範圍更寬廣的LoRaWAN網路。張益洲說明,「目前台灣業者大多選擇可自行建置網路的LoRaWAN架構。」

Silicon Labs台灣區總經理寶陸格認為,ZigBee技術推出之時,許多特性受到業界的矚目,不過要將裝置接入ZigBee網路得經過很多的設定,不夠友善,因此採用的數量不多。然而,ZigBee Alliance亦持續改進ZigBee,最新的ZigBee 3.0標準採用開放式系統架構(OSI)模型,將網路架構的各層定義清楚,但網路層、傳輸層、對話層(Session Layer)與展現層(Presentation Layer)卻不是走IPv4/IPv6網路架構,以至於會出現不相容的問題。

20170807_IoT_NT31P2 圖2:支援多重網際網路通訊協議物聯網應用情境 (來源:Silicon Labs)

為「修補」ZigBee的不足,Thread在兩年前現身。寶陸格強調,Thread是基於IP架構的網狀網路,與ZigBee最大的不同是,使用者可自行定義應用層。但ZigBee Alliance亦制定完整的ZigBee應用層架構,為了避免「浪費」,Thread Group將ZigBee應用層進一步IP化,並架構在Thread網路上,使Thread網路擁有從上到下完整的架構,而這樣完整的Thread網路,ZigBee Alliance將其命名為「dotdot」。無論是Thread或是dotdot網路皆可望在智慧家庭應用中,擁有一片天。

此外,針對工業應用,已併入亞德諾(ADI)的凌力爾特(Linear Technology)則是推出自有的Dust網路。該公司市場應用經理陳柔文表示,根據統計,2025年全球物聯網市場產值將有60%落在工業領域,但工業與家庭應用的需求大不相同,因此不能以家庭物聯網應用的無線技術直接套用在工業市場,必須有更多「堅持」。

工業領域對於精準度與可靠度相當要求,亦需長距傳輸能力。而Dust與LoRa、ZigBee或Thread網路底層都建基於802.15.4標準,惟在網路上層設計有所不同,使Dust能夠將傳輸距離擴展至1,200公尺,並具備低功耗、低成本與簡易安裝特性,且維持較佳訊號穿透性表現。

不過,每一種物聯網應用並非仰賴單一無線通訊技術就足夠。寶陸格以智慧家庭為例,家電的總控制裝置可能是由一個嵌在牆上的總控制器執行,這些都可以Thread技術相互連結,但消費者的行動裝置如智慧型手機、平板裝置也會身兼控制中心,這時就需要利用行動裝置標準配備的Wi-Fi或藍牙透過閘道器與Thread介接。

因此物聯網應用中的無線通訊技術,設計師不僅要考慮應用中需要導入那些無線技術,也須留意各無線技術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,台灣則是915MHz。

微控制器更滿足市場所需

另一個讓物聯網概念變為實際的是物聯網裝置的「大腦」——處理器或微控制器。針對各種物聯網應用裝置所需,業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,物聯網應用中,若是節點裝置,則須要使用功耗非常低的微控制器,這是由於這些節點裝置都以電池供電、且無法時常替換電池;若是用於中控中心或有市電供電的裝置時,則就不需要太計較元件功耗,反而需要關注處理效能。

GigaDevice資深產品市場經理金光一表示,近期有越來越多的物聯網裝置加入了生物辨識技術,不但保護裝置的安全性,也保障使用者的財物不會輕易被有心人士盜取。此時,微控制器就需要加入新的功能與提升演算效率,但卻不能因為增添了新功能而讓成本「無限上綱」。

不僅如此,面對通用型微控制器無法滿足某些物聯網應用時,業者也須提供客製化的微控制器予客戶,並提供完整開發支援與生態系統。

另一方面,無線通訊技術也須使用微控制器進行通訊協定的處理,而現階段,單一無線技術無法「通吃」全部應用,因此微控制器需要支援多重無線通訊技術標準。更重要的是,針對對於無線技術沒有概念的業者,如何讓設計人員能夠簡單設計微控制器,使其滿足物聯網應用所需,將多多少少影響物聯網市場的發展。

所幸,在業者的努力下,微控制器已越來越能符合物聯網應用的要求。有鑑於物聯網應用所需的無線通訊技術各不相同,甚至前一代與下一代物聯網產品就得支援不同的無線技術,這時如果廠商因為支援的無線通訊技術不同,而需要重新進行產品設計,將有極大可能喪失市場先機。

德州儀器(TI)行銷與應用嵌入式系統總監詹勳琪表示,微控制器要賦予物聯網裝置連接性,內部必須整合無線通訊的通訊協議,若是微控制器基礎架構都相同,透過類似堆疊樂高的方式,廠商僅需替換通訊協議的部分,或是再加上另一個無線通訊協議,即可無須重頭設計,如此一來,將可節省時間與人力成本。詹勳琪補充,「未來支援雙模無線通訊的技術的產品將越來越受市場歡迎。」

物聯網應用市場也相當看重產品上市時間。換句話說,業者開發的產品能夠越快進入市場越能搶佔市場大餅。詹勳琪認為,要加快產品設計時程,支援連網技術的微控制器設計要能越簡單越好,廠商花越少的時間「糾結」微控制器的軟硬體設計或無線通訊協議的了解,將能給予終端產品開發設計更多的時間及人力,更能設計出「驚世絕豔」的物聯網應用終端。

此時,微控制器業者提供的設計套件或軟體相關資源越豐富,越能節省客戶時間。而大多數的微控制器業者,也戮力專注於開發資源或套件的完整度,更透過社群軟體,讓開發者能夠相互交流,期可協助客戶盡快設計出所期望的物聯網裝置。

記憶體容量/穩定性需求增

不僅微控制器順應物聯網市場逐漸變化,記憶體也是如此。富士通(Fujitsu)市場部總監馮逸新表示,物聯網節點裝置大多是以電池供電,甚至不需電池,且產品尺寸也需小型化,再加上許多節點負責感測環境的工作,有時需配置在較為嚴苛的環境,對傳統的記憶體來說,是一大考驗。

為解決上述問題,寫入速度快、資料漏失較少的鐵電隨機存取記憶體(FRAM),可以說相當適用於物聯網應用中。馮逸新指出,FRAM可降低印刷電路板(PCB)佔位面積、減少物料清單(BOM)成本,加上沒有讀寫次數的限制,因此相較於EEPROM、SRAM或DRAM具備較多優勢,因此物聯網應中的各種RFID標籤,FRAM即相當有用武之地。

此外,由於FRAM可為微控制器提供高儲存容量與讀寫速度、更低功耗…等優勢,因此許多微控制器業者也開始將FRAM內建在微控制器中。根據Semico Research的統計,2017年一顆系統單晶片(SoC)中,將有84%是記憶體,邏輯的部分僅佔16%,未來記憶體的比重也將越來越高。

20170807_IoT_NT31P3 圖3:富士通展示無電池RFID的創新物聯網應用—利用FRAM RFID實現的無線鍵盤

厚翼科技(HOY)資深協理王炳興表示,隨著無論是傳統 或FRAM記憶體開始大量內建在單核及多核心微控制器中,如何測試內建於微控制器的記憶體效能,甚至進一步有效修復記憶體,都將是微控制器或是SoC的重要課題。

不可否認,在物聯網應用市場中,降低產品設計成本已成為業者追求的終極目標之一。王炳興認為,「透過更有效的記憶體測試與修復解決方案,將能有效降低物聯網開發平台的設計成本。」

建構服務平台不再傷腦筋

阻礙物聯網加速開發的絆腳石包含基礎建設的成本、裝置與連線端的安全性,以及開發時,人員及時間成本。不僅如此,物聯網服務平台的建置,對於沒有太多資源或是概念的產品製造商來說,也是令其相當頭痛的部分。

安謀國際(ARM)物聯網事業群業務總監粘靜芳表示,物聯網產品發展的成功要素是使用開放性標準、避免採用單一廠商擁有的技術、安全性與裝置完整的開發工具支援;再者就是服務平台的建立,產品收集的相關資訊才能進一步傳輸到雲端平台分析,或是遠端更新韌體與管理、追蹤產品狀況。

不過,要開發物聯網服務平台,或是將產品連結到雲端,說起來很容易,實作上相當難。粘靜芳認為,要讓裝置順利連結到雲端平台,若是選擇與第三方雲端平台供應商合作,業者無論選擇哪一家廠商,都要注意其平台是否支援開放原始碼、是否擁有伺服器或和其他伺服器廠商合作,以及是否已架接好應用程式介面(API)。

如此一來,才不會需要花許多時間或成本去調整,甚至出問題還得花人力與更多資源去修復。粘靜芳說:「目前有許多公司已開始將目光從物聯網可以賺多少錢,轉向物聯網可以為企業省下多少成本。」

若是廠商要自行開發物聯網平台,該如何省成本?Ayla大中華區管道市場與區域銷售總監張家源表示,對於資本雄厚的大企業來說,自行建置物聯網服務平台,可能不會有太大的問題;但對於中小企業而言,要升級、轉型至開發物聯網產品,光就人才難尋且「價格高」這一點,就很有可能扼殺中小企業進入物聯網市場的機會。

20170807_IoT_NT31P4 圖4:Ayla在現場展示透過其端對端的IoT平台,輕鬆實現以Echo語音控制切換家中照明開關

也因此,張家源建議,企業可以尋找專門的業者合作,將產品到連網、通路、雲端平台這一段補齊,僅需專心研發並銷售產品。此外,物聯網產品也需跟隨市場潮流進行「改版」,最快且便利的方式就是透過雲端,因此選擇合作廠商時,也需考量其技術平台是否能夠擴充,並與其他業者的雲端平台接軌。

事實上,物聯網不是眼睛所看到的那麼簡單,背後需要非常多的技術才能實現。物聯網市場也不是廠商說要進入就能順利進入,業者需要「做」的功課非常多,開發的產品要如何「一站到位」,真正滿足市場需求,還要兼顧產品上市時間與成本,有志進入物聯網市場的業者們真的需要努力再努力。