由《電子工程專輯》/《電子技術設計》(EE Times/EDN Taiwan)聯手主辦的TechTaipei系列——「2016年物聯網&嵌入式應用研討會」於7月5日在南港展覽館盛大舉行,邀請科技大廠包括ARM、NXP、Silicon Labs、TUV、GigaDevice、Fujitsu、Nexcom以及藍牙技術聯盟等業界專家針對「物聯網」與「嵌入式系統」兩大主軸分享最新技術趨勢與設計應用,現場並展示來自世平、益登、貿澤、敏博與凌特科技的創新方案,吸引來自248家科技公司約420名工程師的熱情參與。

「2020年預計將會有200億部連網裝置,但要到2025年才正式展開IoT時代,並帶來近200億美元的商機。」eMedia總裁Brandon Smith一開場即引用市場研究資料強調IoT將帶來龐大商機,他並提醒與會工程師必須在此之前為迎向這一商機作好準備,而在此扮演把關工具的就是讓IoT回到最基本的原則:改善人們的生活。

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Brandon Smith指出,IoT的設計目標就在於讓人們更智慧,但在面對設計瓶頸時,「也不要想得太複雜,只要單純地回歸設法解決各種問題的初衷,就能創造價值,讓人們的生活更美好。」

但要如何簡化複雜的IoT設計?ARM物聯網事業群業務總監粘靜芳在主題演講中表示,「當萬物互連後,無法再以傳統或封閉的OS來開發日益複雜的裝置,因此,我們希望在面對不同開發環境時,開發人員在各種平台上花費的時間與精力,能夠重覆用於不同的裝置設計。」

粘靜芳說,ARM在近年來成立了IoT事業群與mbed平台,期望在底層打造一個通用的OS平台,讓所有的開發人員都能透過標準化與安全的mbed平台快速進入物聯網市場。而在過去兩年來,mbed由於提供了Open Source開發環境與安全性因而被廣泛且快速地接受,真正協助了廣大的開發社群簡化各種IoT裝置與應用,進一步推動智慧連網的新生活。

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MCU、感測器成打造便利生活關鍵元件

「大家都在談IoT,目的就是希望IoT能改變人們的生活,」恩智浦半導體(NXP)大中華區MICR行銷經理黃健洲也呼應說,IoT其實已經存在一段時間了,目前每個人大約都有3.5個IoT裝置,預計在2020年至少會增加到6.5個裝置,主要的原因就在於它帶給人們便利性。

特別是隨著邊緣節點的感測器成本降低、智慧型手機無處不在、頻寬與無線覆蓋普及、巨量資料分析以及IPv6興起等因素拉抬,IoT如今又開始熱門起來了,黃健洲說,「IoT在連網方面已不是問題,但仍不斷出現諸多挑戰以及各種聯盟興起,主要的原因就在於隨之而來的安全顧慮以及整體架構的發展。」

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不久前才與飛思卡爾(Freescale)完成合併的NXP正持續轉型,從晶片、硬體擴展到完整解決方案,因此,黃健洲說,針對從邊緣網路到PAN/LAN網路、再到閘道器連結WAN網路至雲端的整個IoT架構過程,如今NXP更能完整地提供包括NFC、6LowPAN、Sub-Gig、RFID、Cellular、ZigBee、GPS或BT/BT LE等解決方案,甚至與合作夥伴聯手提供Wi-Fi模組,進一步為個人/消費裝置、工廠自動化、汽車與智慧家庭等領域擴展IoT跨界應用。

芯科科技(Silicon Labs)則直接將打造智慧物聯生活的嵌入式IoT設計分為感應、運算、連接與工具等四個關鍵的建構元素。台灣區總經理寶陸格解釋,「在裝置進行環境感測、收集資料後必須進行低功耗的運算,並將資料透過(無線)傳輸連接至雲端,最後再用工具簡化開發與整合,加速產品上市;」而在此過程中,最重要的就是低功耗與高準碓度。

感應部份包括無處不在的溫濕度、光學與心率等各種感測器,這一市場目前已經達到了56億美元的市場規模;「而在一個IoT環境中也同時存在Wi-Fi、ZigBee、藍牙、Thread、網狀網路(Mesh)以及專有技術等無線標準,」因此,寶陸格指出,針對不同的IoT設計應用與環節,芯科推出一系列SoC與模組,能夠協助工程師打造出更聰明、更省電以及連結性更好的IoT設計。

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例如,芯科即將推出的最新霍爾感測器,不僅能實現高準確度與低功耗,更有機會取代昂貴的磁感測器;從低成本的8位元EFM8到高性能的32位元EFM32系列MCU,以及無需寫入韌體的TouchXpress電容式按鍵與USB Type-C方案則專為不同的運算需求所打造;最新的Thread與Wireless Gecko等無線模組也滿足了傳輸距離、低功耗以及IPv6的IP-based等要求。此外,芯科還提供兼容各種無線連接技術的Simplicity Studio開發工具,內建資料表查找、設計編碼、編譯器與封包追蹤等功能,設計與除錯均可在同一環境完成,協助工程師簡化設計。

要利用IoT應用使人們的生活變得更美好,除了各種感測器之外,MCU也扮演著重要角色。兆易創新(GigaDevice)資深產品市場經理金光一指出,IoT應用世界中,對MCU的需求包括結合感測能力以採集外界訊號、整合無線技術強化資料數據傳輸效率,以及運算能力的再提升,也因此MCU一路從8位元(bit)發展到16位元,再到現階段幾乎已成主流的32位元。

為跟上MCU發展腳步,打造最適切的IoT應用所需MCU,GigaDevice採用ARM Cortex-M3 MCU核心,推出一系列高效、省電與低成本兼具的MCU。不僅如此,GigaDevice亦發佈開發套件,以協助IoT相關廠商快速開發基於MCU的各式應用與終端產品。

無線技術使IoT應用得以串連

串連IoT應用打造的智慧新生活中,無線通訊技術可是不可或缺的一環。其中藍牙、ZigBee、RFID…等短距無線通訊技術更是位居第一線「要職」,將各種最前端的IoT應用無縫連結。藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)技術項目經理任凱以藍牙技術未來發展的技術藍圖說明,有鑑於2020年藍牙裝置安裝數量約為140億個,因此為了讓IoT藍牙裝置發揮更大作用,藍牙SIG在6月公佈新一代Bluetooth 5技術規範,預計於今年底明年初即可正式底定規格。

Bluetooth 5新的技術規範包含增加4倍傳輸距離,讓智慧家庭(Smart Home)、工業自動化等物聯網應用可不需受到短距無線通訊技術傳輸距離受限的影響,可更無遠弗屆;提升兩倍的傳輸速度,讓穿戴式、醫療設備的數據同步可以更快速;廣播封包數據長度擴展,使資料封包容量提高800%,可乘載更多數據,未來甚至可以直接放網址(URL)、方向運算數據,協助IoT業者開發更多如室內定位等應用。

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另外,IoT應用中需連結許多裝置,比如工廠自動化或智慧電網(Smart Grid),因此點對點(P2P)或星狀網路相對無法滿足需求,為讓藍牙技術能在IoT世界中從消費性電子跨足到其他領域,藍牙SIG規劃了藍牙網狀網路(Mesh)標準,待標準底定之後,即可供藍牙技術相關開發商使用。任凱認為,Bluetooth 5、網狀網路與Becaon應用,將可讓藍牙在IoT應用中,更深一層影響人們現在的生活,並使人們的週遭環境變得更智慧。

針對藍牙於IoT的應用,ARM則可透過提供Cordio系列無線IP,為各種裝置提供低功耗解決方案;ARM無線通訊事業群技術行銷經理竇振誠表示,IoT裝置大都是訴求「永不斷線」,或是不容易更換電池,因此Cordio藍牙IP除了支援低功耗,也能支援太陽能等多種能量採集技術,搭配ARM的IoT平台與豐富的生態系統,能滿足各類IoT應用需求。

另一個早已具備網狀網路功能的ZigBee,在IoT如火如荼發展的同時,也越來越受到矚目,尤其是智慧家庭、工業自動化或智慧電網等應用。台灣德國萊因(TUV)資深專案經理于凱群表示,IoT應用會使用到的無線通訊技術相當多,如藍牙、ZigBee、Wi-Fi…等,不過,無線技術得具備低成本、低功耗與可擴充性,才能符合IoT的應用需求,其中,ZigBee即符合上述條件。

ZigBee除了有點狀、網狀與星狀架構的設計外,其所要求的隨機存取記憶體(RAM)、快閃記憶體(Flash)容量皆不高,分別各為20~30Kbit、100~200Kbit,因此無須很高的成本即可導入裝置中;再者ZigBee網路拓撲能自動加入節點、自動掃描與自我診斷及修復等功能,不會因為一個節點無效而影響整個網路架構的通訊。

于凱群舉例,智慧家庭應用中,網路能否完整串連最大障礙是牆壁。也就是說,這些採用2.4GHz頻段的無線技術,訊號的穿透力相對較弱,因此得仰賴網狀網路的架構,在每層樓裝上一台閘道器(Gateway),若此時其中一台閘道器或節點損壞,網狀網路可能就無法發揮效果,而ZigBee網路的自我修復功能,也是該技術在IoT應用中有越來越火熱的趨勢。

過去,針對特定應用,ZigBee聯盟(ZigBee Alliance)分別針對家庭自動化、智慧能源、健康照護、遙控器…等制訂通訊協定(Profile),多少造成開發者的困擾。因此ZigBee聯盟為簡化ZigBee應用的研發,在2015年底、2016年初發佈了ZigBee 3.0,將所有的應用協定合而為一,未來業者開發相關應用時可更加簡易。

在工業、物流或商業,尤其行動支付等IoT應用中,RFID已然成為顯學。透過RFID裝置可在IoT應用中提供相關物品資訊,因此RFID標籤中需要內建足夠容量且存取速度快的記憶體,才能在讀取器掃描後迅速顯示資訊。

富士通(Fujitsu)FAE副理鄭文斌提到,目前放置在RFID晶片中的記憶體主要是SRAM、Flash、EEPROM與鐵電隨機存取記憶體(FRAM),其中,FRAM結合SRAM、Flash、EEPROM的優點——可隨機存取、耐寫度高、寫入速度快,以及運作電流低——讓RFID技術在IoT應用世界中佔有一席之地。包括汽車生產線、飛機維修紀錄、醫療藥品及器材管理,都已大量採用RFID技術。

開放平台助力 IoT應用串連更無縫

雖說IoT應用需倚賴通訊技術結合感測器、雲端與應用程式才能實現,但IoT世界中充斥著各式各樣的通訊技術,且通訊技術間的通訊協議都不相通,那麼將失去IoT串連智慧生活的意義。新漢(NEXCOM)物聯網事業部總經理彭啟峰指出,要讓連網裝置在IoT中真正能夠使用,需要與各式各樣的內建不同通訊技術、作業系統的機器互通,最好還能直接插拔就可連上網路,這其實都是現階段發展 IoT所需面臨的挑戰。

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另外,將各種感測器連到雲端也會衍生許多問題,如安全、網路覆蓋率受限、舊裝置不具備連網能力、市場破碎、各產業間無法互通、龐大的資訊不知如何使用,以及琳瑯滿目的通訊協定彼此間無法連結。為解決上述問題,讓所有的物也就是裝置可用同一個語言溝通、互連,且變得更聰明還能兼顧安全性,許多廠商都已開始建立自己的生態系統,加速IoT應用的開發。

新漢則利用Linux打造IoT雲端平台,並推出IoT閘道器與開發工具,試圖為業界建立完整的IoT生態系統。彭啟峰說明,新漢研發的各式IoT平台與工具,不僅支持所有的網路通訊協定,並放入IoT產業中各家廠商的軟體開發工具(SDK)、應用程式介面API,更可讓使用者免費使用,可幫助IoT應用開發業者縮短其應用研發時間,且無須互通性的問題。