從獨立的嵌入式系統,到結合了連網、甚至人工智慧(AI)功能的物聯網(IoT)系統,技術的持續演進需要硬體、軟體與系統整合工程師們的努力,而要催生各種新應用以及新興商業模式,則是有賴電子產業由上至下游的更緊密合作,以及不同垂直產業之間有更多的跨領域交流。這意味著相關業者若要開拓更大的商機,不能只守在自己的專長領域,必須跳脫舊有思考模式、走出舒適圈,才有更大的機會在IoT市場以及AI時代取得成功。

在台北舉行的TechTaipei系列2019嵌入式系統與物聯網研討會,就邀請到了來自AWS、Arm、Maxim、ST、NXP、Adesto、Andes、Imagination、Silicon Labs以及GigaDevice等業界重量級廠商的專家,從雲端運算、處理器、微控制器、電源管理、無線連結、記憶體等不同角度,與現場超過400位聽眾分享結合AI功能的IoT系統最新技術與應用趨勢,以及能克服種種設計挑戰的解決方案。

如何讓終端連上雲端?

對於大多數電子廠商來說,要讓嵌入式系統成為具備連網功能的IoT裝置或許不難,但是要讓IoT裝置連結雲端,藉由提供終端使用者有價值的服務帶來新營收,恐怕就會因為不熟悉相關技術架構以及商業模式而束手無策。為此,在全球雲端運算市場穩坐第一把交椅的AWS,推出了一系列訴求易用性的平台化工具,讓終端業者能輕鬆漫步到雲端,不需要煩惱自己架設與維護資料中心基礎設施帶來的成本,還能將AI與機器學習導入應用場景,提供高效率且具備獨特價值的全套IoT解決方案。

AWS Taiwan表示:「沒有人會買純粹的IoT,市場需要的是IoT解決方案;」而規劃一套完整的IoT解決方案要從三個面向來考量:首先在終端IoT裝置軟體(device software)層面,需考量如何讓裝置如何很容易地連結到雲端;其次在控制服務(control services)層面,需考量如何控制、管理並保障系統安全性;最後在資料服務(data services)層面,則是要考量如何從藉由IoT裝置採集的數據資料中萃取出價值。AWS的IoT解決方案就是以這三大面向為基礎架構,針對IoT裝置業者/服務開發商在不同層面遭遇的設計需求與挑戰,提供多樣化的工具選項。

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AWS能從三個面向提供完整的IoT解決方案並形成良好循環。
(資料來源:AWS Taiwan

AWS IoT解決方案能實現許多應用場景,如可預測性維護、智慧醫療保健、智慧建築、智慧城市、智慧工廠、生產力與流程最佳化、能源效率監測、大規模裝置群管理、無人銀行、線上商務,以及可支援影像辨識功能的智慧門鈴等智慧家庭裝置。AWS除了提供採用該公司雲端服務的裝置認證程序Device Qualification Program,並擁有涵蓋邊緣裝置硬體零組件供應商、製造商,以及連結技術供應商、通訊服務業者、系統整合業者的IoT合作夥伴網路豐富資源。此外AWS還在台北成立全球第一個IoT Lab,讓較擅長硬體設計但不熟悉IT架構與雲端服務的台灣本地電子廠商,能就近取得該公司技術團隊的支援。

NFC/RFID連通IoT無限商機

ST NFC/RFID策略行銷經理黃鐙誼 ST NFC/RFID策略行銷經理黃鐙誼
(來源:EE Times Taiwan)

要讓IoT終端裝置透過各類感測器收集應用場景中的數據傳輸至雲端進行有意義的分析,無線連結技術扮演不可或缺的角色;而對於特別重視電池續航力的IoT裝置來說,無線技術的耗電量成為關鍵要素。著眼於此,針對需要短距離無線傳輸技術的IoT應用,意法半導體(STMicroelectronics,ST)提出的解決方案是支援被動式無線連結的近場無線通訊(NFC)技術。

在大多數人的印象中,NFC通訊因為傳輸距離的限制,主要的用途應該只有非接觸式行動支付這類的應用,但ST的NFC/RFID策略行銷經理黃鐙誼表示,具備資料交換(讀/寫)功能的NFC屬於無線射頻辨識(RFID)技術的一種,是RFID高頻(HF,13.56MHz)標準的一個子集;在IoT的世界中能做為藍牙與Wi-Fi的補充,特別適合需要能安全交換資料與配對的應用,除了行動支付之外,需要身分識別的門禁/智慧門鎖、電子票證、資產/包裹追蹤、產品防偽,以及特定設備的啟動/連結等等都是可應用的情境。

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NFC/RFID與其他無線技術之傳輸距離比較,與ISO14443/ISO15693規格NFC/RFID技術規格傳輸距離。
(資料來源:STMicroelectronics)

黃鐙誼指出,NFC/RFID技術的使用看來並不普及,與手機作業系統的支援程度密切相關,特別是iPhone;不過最新版本的iOS 13已經擴大對NFC的支援,納入對NFC Forum Type 1至Type 5規格的NDEF檔案寫入功能,可望進一步擴大NFC/RFID市場。目前在RFID HF標準下除了傳輸距離較短(NFC傳輸距離最長5公分、RFID讀取距離最長10公分)、但傳輸速度較高的ISO14443技術規格,還有傳輸速度較慢、但可支援較長距離(NFC傳輸距離最長7公分、RFID讀取最長1公尺)的ISO15693規格,都已獲得NFC Forum規範的支援。

ST的ST25系列具備多樣化的NFC/RFID晶片選項,包括符合ISO14443與ISO15693等規格的各類標籤與讀取器軟/硬體解決方案,以及能減輕客戶設計工作負擔的開發工具,能因應客戶的不同設計與應用需求提供彈性化的技術支援。黃鐙誼並特別表示,ST25系列的NFC/RFID標籤可提供客戶長達10年的產品供貨保證,讓客戶能運用於生命週期較長的產品與裝置。

多樣化無線技術實現IoT智慧生活

在目前的智慧家庭應用情境中,由於各種IoT裝置的特性與需求不同,通常很難用單一無線傳輸技術涵蓋所有的連網設備,而會是以多種無線方案「分工合作」的模式為終端消費者呈現智慧生活樣貌。

Silicon Labs台灣區業務經理江志良 Silicon Labs台灣區業務經理江志良
(來源:EE Times Taiwan)

Silicon Labs台灣區業務經理江志良舉例指出,Wi-Fi是幾乎每個家庭都會佈署的無線技術,像是智慧音箱、連網家電等等可以長時間連結電源插座的裝置,可以透過家用路由器以Wi-Fi來連線,但是其他家用感測器如煙霧警報器、恆溫器…等等,大多是對耗電量較敏感的電池供電裝置,與控制主機之間的資料傳輸量不大,感測器節點之間也需要彼此連結,就不適合使用Wi-Fi,而更適合藍牙Mesh、Zigbee、Thread等功耗較低,並支援去中心化網狀網路(mesh networking)的無線連結解決方案。

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江志良表示,網狀網路具備能延伸傳輸距離、擴大裝置數量規模、節省功耗,以及因為節點之間能彼此溝通而提升整體連網系統的穩定度,不至於因單一節點故障導致網路癱瘓;而在前面提到的三種網狀網路技術中,藍牙Mesh與Zigbee都會需要一個能將感測器資料彙整後傳輸至雲端的固定閘道器,Thread則是唯一能支援IPv6的方案,能將網路中的某個節點設定為邊界路由器(border router)、將資料傳輸志雲端,不一定要透過完整的路由器。

無論是應用層最成熟、在智慧家庭市場具備高佔有率的Zigbee,或者在各種行動裝置中幾乎是無所不在的藍牙,還是越來越受到市場注意的Thread,若這些無線技術在同一個應用場景中並存,就需要能支援多通訊協議的整合控制系統,而Silicon Lab可提供單晶片解決方案來「一網打盡」。江志良指出,多數智慧家庭閘道器或是智慧型手機,需要透過兩顆晶片來實現多通訊協議的支援,單晶片方案除了能避免干擾,也能降低整體系統成本與功耗。

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Silicon Labs可提供支援多通訊協議的單晶片解決方案
(資料來源:Silicon Labs)

此外江志良也介紹了在歐美智慧家庭市場佔據一席之地的Z-Wave無線技術,不過該技術並非使用2.4GHz頻段,在世界各國使用的頻段稍有不同;他指出,已經有15年發展歷史的Z-Wave目前市面上約有1億台產品,產品銷售規模約12億美元、相關服務市場規模約36億美元,訴求100%的產品互通性,以及支援網狀網路、低功耗、安全等特性,擁有一個涵蓋感測器、照明產品製造商,以及橫跨保全、零售業、保險等產業的支援生態系統。針對Z-Wave技術,Silicon Labs則有新一代700系列晶片,在傳輸距離與運算力的表現上都比前一代產品有所提升。

以電源管理技術提升IoT系統運作效率

Maxim應用工程師謝聖儀 Maxim應用工程師謝聖儀
(來源:EE Times Taiwan)

今日的IoT裝置大多整合了更多功能,在某些應用上對於性能的要求更高,卻因為所在環境而對於裝置外觀大小、功耗有諸多限制;這對系統的電源管理方案帶來艱鉅挑戰,包括需要支援多路輸出、高效率/低靜態電流,以及佔位面積要更小。為此Maxim針對IoT裝置的電源管理需求,提出了訴求單電感、多輸出(single-inductor,Multiple-output)的SIMO方案。

Maxim應用工程師謝聖儀表示,IoT系統的效率取決於三大關鍵,一是高效率的中央處理器,一是高效率的無線傳輸,而第三個是往往被忽略、重要性卻不亞於前兩者的高效率電源管理;為此在電源管理技術領域經營35年的Maxim著眼於IoT裝置需求,特別是消費性應用常見的小體積、高整合度設計,推出SIMO電源方案,也就是一個電感能支援一個以上的開關(switching)輸出。與傳統單電感方案相比較,採用SIMO方案的系統效率可提升9%,電池電量節約5.6mA,並能降低整體物料清單(BOM)成本與PCB佔位面積,能滿足裝設於戶外、或是不易維護地點的IoT裝置省電需求。

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傳統單電感方案與SIMO方案比較
(資料來源:Maxim)

SIMO架構的Maxim MAX77650電源管理IC,在23.5mm2尺寸大小的面積中整合了300mA電池充電器、開關控制器、類比多工器,並有三組LED驅動器、三組開關式輸出與一組150mA LDO,可支援7.5mAh電池;針對不同的系統特性,Maxim的SIMO設計工具能協助工程師進行電感、輸出電容與開關頻率的最佳化選擇。而針對待機耗電要求小於1μA的可穿戴設備與IoT感測器節點,Maxim還可提供nanoPower電源元件,以2mm2與0.88mmx1.4mm的更小封裝尺寸,因應使用鈕扣型鋰電池與更長工作壽命的系統應用需求。

為IoT裝置量身打造的NVM方案

Adesto亞太區應用工程經理張佳陽 Adesto亞太區應用工程經理張佳陽
(來源:EE Times Taiwan)

在1980年代末期,NOR快閃記憶體成為嵌入式系統中取代ROM與EPROM等非揮發性記憶體的主流方案,主要原因是NOR 快閃記憶體可支援所謂的晶片內執行(eXecute-in-Place,XiP)──其實那時候這個技術名詞還不存在──功能;不過當系統CPU朝1GHz以上發展,NOR快閃記憶體的速度已經跟不上,於是被降級為只應用於系統開機應用,而雖然有速度比NOR更快的NAND快閃記憶體問世,在PC系統中仍難以取代DRAM的角色。

但當IoT時代來臨,快閃記憶體的速度對IoT系統已不再是個問題;如Adesto亞太區應用工程經理張佳陽所言,對現在的IoT/嵌入式系統來說,性能、功耗以及成本是最重要的三個考量面向,因此NOR快閃記憶體又成為這類系統設計不可或缺的一部分。

今日IoT系統的快閃記憶體配置主要有三種架構:最早期發展方法是系統的主處理器/MCU晶片透過SPI介面需與外部快閃記憶體連結、開機時程式碼映射至內建的SRAM執行(Shadow Flash),後來最常見的則是採用嵌入式NVM製程、在IoT單晶片內建快閃記憶體的架構,但隨著處理器核心速度越來越快,以及IoT裝置快速啟動的需求,晶片必須以先進半導體製程節點生產,若採用嵌入式NVM會使得成本升高或是根本不敷使用,特別是支援高性能本地資料處理、如結合AI功能的IoT系統,就需要連結外部NOR快閃記憶體的XiP架構。

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三種IoT系統設計架構。
(資料來源:Adesto)

張佳陽表示,為了因應IoT系統的XiP記憶體配置架構需求,Adesto提出的解決方案,是支援JEDEC針對嵌入式NVM訂定的新介面標準xSPI之EcoXiP系列NOR快閃記憶體,經過實際測試,在功耗與性能方面有優於市面上同級NOR快閃記憶體方案的表現。Adesto EcoXiP據稱可提供較現有四路(QPI)元件更高2.4倍的CPU性能,並為8通道介面建立新標準。在xSPI中使用了8個平行的資料(IO)區塊,藉由在每區塊週期中轉換更多平行位元,進一步提高系統性能。

 
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