物聯網(IoT)的商機已不用多做強調,相信許多廠商都「心裡有數」。各市調單位皆認為物聯網由於對人們的生活將帶來大改變,因此也將創造可觀的商機,使得物聯網議題,成為許多產業競逐的對象。然而物聯網的發展也因為涵蓋甚廣,而使得相關廠商在切入時,遭遇許多挑戰。要如何確切掌握物聯網商機,業者們應須先從找到物聯網的「痛點」著手,並逐步解決,才能真正將獲利放入口袋。

物聯網碎片化問題衍生諸多挑戰

事實上,物聯網並不是將萬物聯網即可,背後牽涉許多部份,因此有些市調機構或是業者提出進入物聯網市場時,需要進行垂直整合或是異業界盟。但垂直整合並非一般企業有能力做到,且異業結盟該找哪些業者合作,在在讓想跨入物聯網市場的廠商吃盡苦頭。物聯網的概念如何化為實際,物聯網的痛點究竟在哪裡?Ayla Networks大中華區總裁暨聯合創辦人張南雄在電子工程專輯(EET Taiwan)與電子技術設計(EDN Taiwan)主辦的techTaipei「智慧物聯與嵌入式應用系列研討會」中,提出了看法。

張南雄認為,物聯網能夠獲利的部分是將使用者的痛點解除。這是由於物聯網與手機、個人電腦(PC)不同,不是追求高傳輸速度或是處理器處理效能即可解決,而是要去思考使用在應用物聯網概念時,會出現哪些痛點,這些難關得以解決之後,才有機會獲利。

所謂的痛點,以企業來說,如何管理龐大的物聯網節點裝置、如何使物聯網裝置能夠穩定連結至雲端、如何架構物聯網雲端平台並進行資料分析、如何讓管理平台運作更順暢,以及在雲端實現數位雙胞胎(Digital twin)、如何與其他大廠或是電信營運商的標準進一步連接,都是進入物聯網市場的廠商須考慮甚至解決問題。

物聯網痛點對消費者而言則是,如何最輕鬆便利的使用,亦即無需過多的設定、可越直覺控制、無須持續更換電池或充電,以及更高的隱私與安全性…等。而這些也是相關物聯網廠商需要跨越的門檻。在企業端,有包括Ayla Networks在內的公司,提供業者物聯網裝置管理平台的架構,以及在安全和隱私方面、軟體開發、銜接物聯網大廠標準…等服務;而在裝置開發與使用者使用經驗方面,晶片供應商、EDA業者,以及測試認證廠商,皆戮力消弭上述痛點。

從各方面一一擊破物聯網痛點

除物聯網硬體設備製造商,在產品推出後會面臨管理平台如何建置問題之外,其實在產品研發過程中,硬體設計的部分,要能滿足市場、消費者的期待,則得需要從許多方面著手,才能打造對使用者而言無痛點的物聯網裝置。以下將物聯網裝置以人體概念為出發點,進行討論。

大腦:人工智慧(AI)

先前,業者們談論物聯網多著重在如何進一步提升應用服務的品質,人工智慧的大行其道,使得物聯網領域的業者也開始藉助人工智慧的超強運算能力,開發更多創新應用。Toshiba半導體技術行銷部副協理水沼仁志表示,利用人工智慧的力量,物聯網相關廠商都可以打造出具備市場區隔及差異化的物聯網應用產品,而無須落入「人人皆同,只能比價」的紅海。

水沼仁志也舉出幾項運用了人工智慧的物聯網應用,其中智慧電子紙利用無線充電、藍牙低功耗(BLE)技術,不僅做到去電池化,還將藍牙低功耗技術可連接的節點擴展至極限,進一步節省成本及空間。水沼仁志認為,此種智慧電子紙很適合應用於物聯網無人商店市場,僅須透過一台平板電腦或是控制主機,即可修改電子紙的顯示內容,還可透過人工智慧分析消費者的喜好,適時將資訊傳遞給消費者。

心臟:處理器與微控制器

首先從物聯網裝置的核心——處理器與微控制器來看。物聯網的一個特性是散佈在生活、工廠、戶外…等區域龐大數量的節點,而這些物聯網節點裝置不能太頻繁地需要換電池、成本不能太高、設計需快速,以延長電池續航力,並更快速的推向市場。

GigaDevice產品市場總監金光一表示,作為物聯網裝置核心的微控制器,效能絕對不能「太難看」,但也不能因為一昧追求高效能而犧牲功耗。因此微控制器業者在基於Arm Cortex-M核心架構下,紛紛以自身的技術能力,推出低功耗與高效能兼具的微控制器,以滿足物聯網市場對裝置的需求。

值得注意的是,人工智慧也逐步被導入物聯網應用中,以協助物聯網相關應用能夠更具智慧、更準確地分析所收集到的資料。恩智浦(NXP)大中華區微處理器及微控制器行銷經理黃健洲表示,隨著物聯網的發展,業者們紛紛發現若是將所有的分析運算都交由雲端平台處理,雲端平台的運算負載會太重,將衍生反應延遲或其他佈建成本的新問題。

因此邊緣運算(Edge Computing)的概念隨之而生。黃健洲認為,要能肩負先處理簡單資料分析的物聯網邊緣裝置,其核心若還是使用一般的微控制器,可能會「不夠力」,此時處理器或是能夠執行即時作業系統的(RTOS)微控制器,能夠運作人工智慧、機器學習…等相關功能,將是較佳的選擇。

不僅如此,為了讓裝置製造商更專注於開發物聯網裝置的應用,微控制器或處理器廠商也推出SDK或完整的設計工具。金光一指出,物聯網市場範疇相當廣大,各類應用細項也涵蓋甚廣,這些都需要物聯網裝置製造商花時間去思考該如何定位裝置的應用與開發相關應用軟體,若業者還需要去思考微控制器或是處理器該如何在裝置中發揮作用,產品從設計到問世可能得花相當長的一段時間,這可能導致錯失市場。因此微控制器或處理器廠商針對其產品都會推出簡而易用的工具,協助物聯網製造商盡快設計出最佳化的產品。

血管:通訊與測試認證

若是物聯網節點都無法進一步串聯,所收集的資訊都是「做白工」,因此通訊技術可以說是打造物聯網應用最重要的關鍵成員之一,可視為物聯網架構的血管,運送各項資訊至對的地方進行運算。物聯網所需的通訊技術包括有線及無線,但透過無線通訊技術串連所有物聯網節點,要比透過有線通訊技術在建置網路架構上會輕鬆許多,也因此許多具備網狀(Mesh)網路特性的無線通訊技術,包括藍牙低功耗、ZigBee、Thread、Z-Wave、Sub-1GHz…等,接 在等待廠商的青睞。

具備架構網狀網路功能的無線通訊技術種類頗多,該如何選擇?Silicon Labs台灣區總經理寶路格建議,業者在選擇時需要去考量要介接到哪家物聯網大廠,如亞馬遜(Amazon)、Google、蘋果(Apple)…的系統,以及在節點數目較多時的網路效能。

舉例來說,智慧家庭燈控系統中,燈泡可能是內建ZigBee技術,但ZigBee技術要與其他對外的網路相連時,較不友善,因此需要連到閘道器(Gateway),再透過藍牙或Wi-Fi與智慧型手機或是雲端管理平台連結。此時,這個燈控系統就須支援ZigBee+藍牙/Wi-Fi,並使用同時支援這些無線技術的多重通訊協定(Multi-protocol)微控制器,才能打造讓消費者在使用上較為便利的物聯網應用產品。

但這樣仍然不夠,物聯網節點收集到的訊息得進一步往雲端傳送,再加上設計簡單與成本的考量,因此現階段許多業者都紛紛推出多頻多模的通訊微控制器產品,以因應物聯網網路架構「一長+一短」的需求。

德州儀器(TI)資深應用工程師暨科技委員林忠衡表示,現有的通訊技術「百百種」,物聯網業者可根據自己的需求做選擇,且為了節省設計的時間,以及讓業者所需的通訊技術一次到位,支援多頻與多標準的微控制器已成大勢所趨。

不僅如此,為了讓業者能夠在基於相同的微控制器架構下,「更換」各代產品所支援的無線通訊技術,設計簡單又能如樂高積木般擴充,還能具備低功耗特性的無線微控制器,將能為業者省下更多無線通訊技術開發時間,而這些省下的時間也等同於能省下的成本。

除了上述通訊技術外,已在行動支付應用上有一定地位的NFC技術,也值得關注。意法半導體(ST)NFC/RFID策略行銷經理黃鐙誼指出,自蘋果iOS 10開放NFC讀卡器模式(Reader Mode)後,未來NFC可應用的領域即將不受限於行動支付的部分。

這是由於NFC不僅能傳遞資訊,還能藉由磁場或電場傳遞的能量。黃鐙誼解釋,NFC Reader Mode可以做到傳遞資訊、資料交換格式之外,甚至可利用微量能量驅動包括電子標籤、電子紙、玩具馬達、指紋辨識系統…等,以及RFID可為無線充電技術傳輸能量,在沒有電力供應的物聯網應用中,非常有發揮的空間。因此市調機構也預測,至2020年,NFC的市場規模將可達到200億美元,物聯網相關業者亦可考慮NFC技術能否適用於自身物聯網應用裝置中,而別再侷限地認為NFC只能用再支付領域。

既然物聯網必須使用到通訊技術,業者即必須確認產品的通訊效能是否可「掛保證」,加上產品若是要銷往世界各地,則需要注意各國對於產品的相關安全規範。

是德科技(Keysight Technologies)資深應用經理林昭彥表示,物聯網的測試方面,通訊技術是其中重要的環節之一,但如果從物聯網整體系統來看,則需要測試裝置、裝置間或與人/機器的互動,以及各裝置連接起來的大範圍運作狀況,也就是從點到線再到面的測試,才夠完整。

不僅如此,由於物聯網裝置開始走向支援多頻多模通訊技術,因此裝置的訊號干擾、EMI也需要測試。此外,許多物聯網節點裝置是透過電池供電,因此功率的測試也是測試重要一環。

DEKRA東亞區行動通訊檢測實驗室資深經理王騰輝則指出,物聯網裝置並非經過一系列的出貨前的測試即可,要銷售到全球,產品須就各國的規範進行包括通訊、安全、廢棄電子電機設備指令(WEEE)…等進行認證,才能順利進入該國市場。

例如美國有FCC、PTCRB;歐盟有CE RED(美國亦採用)、GCF;台灣有DRPT…等與射頻(RF)通訊技術權相關認證規範。王騰輝認為,不僅RF、電氣…等其他安全認證也相當重要,業者若要弄清楚須通過那些認證,以及如何節省認證成本,可尋求認證實驗室的協助。

白血球:安全晶片與記憶體

物聯網很重要的一環是通訊技術,這也就牽涉到業者與消費者最擔心受怕的資訊與隱私安全的大問題。英飛凌(Infineon)智慧卡與保密晶片事業處大中華區資深經理田沛灝表示,為了確保物聯網產品尤其是節點的通訊安全,歐盟一般數據保護法(GDPR)已在今年5月25日正式執行,這對ODM與OEM勢必產生影響。

因此田沛灝建議,雖然目前的微控制器、處理器都有基本的安全設計與防駭客入侵機制,但額外在產品中增添一顆安全晶片,將可以把GDPR帶來的影響降到最低。也許有些物聯網裝置業者慧認為增加一顆安全晶片會增加物料清單(BOM)成本,但長期來看,並不會增加太多成本。例如,每當微控制器改朝換代時,內部的安全功能就必須重作,耗時也會增加支出,若是產品牽涉到認證時,僅需認證具備安全晶片的模組即可,不須整個裝置都過認證,這樣反而可以加速產品上市的時程。

華邦(Winbond)技術經理林世庭則認為,處理器與微控制器內部都需要靜態記憶體儲存程式碼才能運作,那麼也可以將快閃記憶體(flash)內部加入認證晶片,微控制器若是與記憶體進行對稱式認證時,無法通過,則微控制器就不能運作。

這樣的做法由於快閃記憶體是分開的,因此可以降低耗電量,加解密的時間也不會太長,就可以讓微控制器搖身變為認證或防偽晶片。林世庭強調,提高少量的成本即可提升安全性,這對物聯網裝置開發商或是微控制器業者而言,長期來說亦是節省成本,因為未來在進到下一代產品時,僅須透過軟體升級,無須改動硬體架構,即可為產品增添新的價值。

骨幹:物聯網產品PCB設計平台

有了大腦(人工智慧)、心臟(處理器/微控制器)、血管(通訊微控制器)、白血球(安全晶片),也做了種種「檢查(測試及認證)」,現在要回歸物聯網終端產品的設計初始,也就是印刷電路板(PCB)。Graser產品經理陳志忠表示,物聯網終端裝置的要求微型化、具備人機介面(HMI)、邊緣運算是否有人工智慧的能力、低功耗、高訊號傳遞品質,產品開發時還須注意IP版本的管控,這些都可透過各種晶片解決。

而PCB如同航空母艦或是人體骨幹,承載著各式各樣滿足物聯網產品設計所需的IC、被動元件,但這些IC元件被裝上PCB後,如何透過PCB佈局最佳化整體系統的功耗與效能…等特性,也是相當考驗產品設計工程師的能力。因此陳志忠認為,在PCB設計時需要透過易用的模擬、驗證及除錯工具,才能快速設計出能符合物聯網產品所有需求的終端產品。

總而言之,要建構或打造物聯網產品與整體架構並非易事,當中涉及到許多不同程度的「痛點」。對於物聯網商機很有興趣的業者,應設法解決這些痛點,才真正在物聯網世界中站穩腳步並獲得營收來源。