各式技术谱出动人物联网协奏曲

 无论是IDC或是其他市调单位的预估都相当令人振奋，不是吗?物联网(IoT)这个让各个产业都相当兴奋的关键词已逐渐在生活周围、工厂、城市或商业区实现，2017年甚至被认为是物联网应用市场发展起飞的一年…

市调机构IDC预测，2017年全球物联网(IoT)市场规模将超过9,300亿美元，较去年增加1,000亿，今年并有机会挑战破兆。3年后，预计市场将达到应用爆发期，规模更将翻倍成长达1.46兆美元。另外，全球物联网设备数量成长更快速，5年内将翻涨3倍，2015年全球物联网设备数量已有121亿个，预计2018年将超越手机，未来3年，全球物联网设备总数亦将累积高达300亿个。

相信，无论是IDC或是其他市调单位的预估，都相当令人振奋，不是吗?物联网这个让各个产业都相当兴奋的词，已开始逐渐在生活周围、工厂、城市或商业区实现，2017年甚至被认为是物联网应用市场发展起飞的一年。但不可否认的是，仍有许多业者“不甚理解”物联网究竟该做什么，更也遑论在物联网市场中，能像市调机构所预测，攒到好几桶金。《电子工程专辑》(EETimes Taiwan)与《电子技术设计》(EDN Taiwan)共同举办的TechTaipei——「2017智能互连与嵌入式应用研讨会」，邀集业界关键厂商为403位与会来宾解惑。

究竟要实现物联网，必要的条件是什么呢?

《电子工程专辑》副主编郑伃君指出，物联网中的“联”字，许多业者会使用“连”，但若是谈到物联网真正的意涵——万物相连并结合，则使用字义带有结合的“联”这个字，才能贴近物联网世界所要表达的真义。

另外，除了万物相结合，物联网千万也别变成“误联网”或“恶联网”。连接到不正确或是带有恶意的网络，也会失去物联网真正的涵义。

以说文解字的方式定义物联网的意义之后，恩智浦(NXP)大中华区MICR营销经理黄健洲进一步说明实现物联网的必要条件为何。他表示，实现物联网的必要条件业界讨论相当多，可从物联网的发展挑战开始探讨。

现阶段，业者遭遇的物联网挑战包括：如何使开发环境维持一致性，而非片段;如何做到优化的安全性，以及如何能让产品进入量产阶段。黄健洲认为，要克服这些挑战，并将物联网转化为可实现的商品或可用之物，传感器、处理器或微控制器(MCU)，以及连网技术，即为不可或缺的关键。

不仅如此，物联网架构中，从最前端传感器到后端处理中心整体的安全性，以及物联网应用服务平台，也须相当重视，才能打造一个完整、便利且能吸金的物联网应用架构。

无线通信技术相辅相成

物联网架构中，有线及无线通信技术绝不可少，否则无法将万物相结合。而在物联网的应用场域里，主要的通讯技术会是以无线通信技术为主，因为许多深山野岭，或是具危险性的地区，无法铺设有线网络，也因此，给予各式各样无线通信技术“出头”的机会。

黄健洲指出，物联网架构内的无线通信技术相当多，但彼此间各有所长，业者可依自己的物联网应用特性进行评估，选择最适合其中一种或多种无线网络。目前各类无线技术各自占据的山头，可以大略区分为：工业——以ZigBee为主、消费性电子——Wi-Fi或蓝牙(Bluetooth)、家电——Thread，个人认证方面则是近距离无线通信(NFC)较强势。

除上述无线通信技术外，近期还有些无线通信技术也应物联网而生，如使用sub-1GHz频段的LoRa。Microchip资深应用工程师张益洲表示，LoRa为基于线性扩频调变的网络物理层，其物理层支持远距离通讯的网络协议和系统架构，即可组成LoRaWAN网络，不仅具备低功耗特性，还能拥有较长的传输距离。

图1：根据应用需求比较各类物联网无线通信技术

LoRaWAN具备两种网络架构：一为使用者自行架设网关(Gateway)及云端(Cloud)即可运作;另一种则是须和电信营运商合作，可布建范围更宽广的LoRaWAN网络。张益洲说明，“目前台湾业者大多选择可自行建置网络的LoRaWAN架构。”

Silicon Labs台湾区总经理宝陆格认为，ZigBee技术推出之时，许多特性受到业界的瞩目，不过要将设备接入ZigBee网络得经过很多的设定，不够友善，因此采用的数量不多。然而，ZigBee Alliance亦持续改进ZigBee，最新的ZigBee 3.0标准采用开放式系统架构(OSI)模型，将网络架构的各层定义清楚，但网络层、传输层、对话层(Session Layer)与展现层(Presentation Layer)却不是走IPv4/IPv6网络架构，以至于会出现不兼容的问题。

图2：支持多重互联网通讯协议物联网应用情境

为“修补”ZigBee的不足，Thread在两年前现身。宝陆格强调，Thread是基于IP架构的网状网络，与ZigBee最大的不同是，使用者可自行定义应用层。但ZigBee Alliance亦制定完整的ZigBee应用层架构，为了避免“浪费”，Thread Group将ZigBee应用层进一步IP化，并架构在Thread网络上，使Thread网络拥有从上到下完整的架构，而这样完整的Thread网络，ZigBee Alliance将其命名为“dotdot”。无论是Thread或是dotdot网络皆可望在智能家居应用中，拥有一片天。

此外，针对工业应用，已并入亚德诺(ADI)的凌力尔特(Linear Technology)则是推出自有的Dust网络。该公司市场应用经理陈柔文表示，根据统计，2025年全球物联网市场产值将有60%落在工业领域，但工业与家庭应用的需求大不相同，因此不能以家庭物联网应用的无线技术直接套用在工业市场，必须有更多“坚持”。

工业领域对于精准度与可靠度相当要求，亦需长距传输能力。而Dust与LoRa、ZigBee或Thread网络底层都建基于802.15.4标准，惟在网络上层设计有所不同，使Dust能够将传输距离扩展至1,200公尺，并具备低功耗、低成本与简易安装特性，且维持较佳讯号穿透性表现。

不过，每一种物联网应用并非仰赖单一无线通信技术就足够。宝陆格以智慧家庭为例，家电的总控制设备可能是由一个嵌在墙上的总控制器执行，这些都可以Thread技术相互连结，但消费者的行动设备如智能手机、平板设备也会身兼控制中心，这时就需要利用行动设备标准配备的Wi-Fi或蓝牙透过网关与Thread介接。

因此物联网应用中的无线通信技术，设计师不仅要考虑应用中需要导入那些无线技术，也须留意各无线技术在各国开放的频段也有差异。例如sub-1GHz各国开放的频段，日本310MHz、中国大陆470MHz、欧洲433MHz~868MHz，台湾则是915MHz。

微控制器更满足市场所需

另一个让物联网概念变为实际的是物联网设备的“大脑”——处理器或微控制器。针对各种物联网应用设备所需，业者须选择最合适的处理器或微控制器，才能在功耗、效能与成本上取得平衡。

张益洲指出，物联网应用中，若是节点设备，则须要使用功耗非常低的微控制器，这是由于这些节点设备都以电池供电、且无法时常替换电池;若是用于中控中心或有市电供电的设备时，则就不需要太计较组件功耗，反而需要关注处理效能。

GigaDevice资深产品市场经理金光一表示，近期有越来越多的物联网设备加入了生物辨识技术，不但保护设备的安全性，也保障使用者的财物不会轻易被有心人士盗取。此时，微控制器就需要加入新的功能与提升演算效率，但却不能因为增添了新功能而让成本“无限上纲”。

不仅如此，面对通用型微控制器无法满足某些物联网应用时，业者也须提供订制化的微控制器予客户，并提供完整开发支持与生态系统。

另一方面，无线通信技术也须使用微控制器进行通讯协议的处理，而现阶段，单一无线技术无法“通吃”全部应用，因此微控制器需要支持多重无线通信技术标准。更重要的是，针对对于无线技术没有概念的业者，如何让设计人员能够简单设计微控制器，使其满足物联网应用所需，将多多少少影响物联网市场的发展。

所幸，在业者的努力下，微控制器已越来越能符合物联网应用的要求。有鉴于物联网应用所需的无线通信技术各不相同，甚至前一代与下一代物联网产品就得支持不同的无线技术，这时如果厂商因为支持的无线通信技术不同，而需要重新进行产品设计，将有极大可能丧失市场先机。

德州仪器(TI)营销与应用嵌入式系统总监詹勋琪表示，微控制器要赋予物联网设备连接性，内部必须整合无线通信的通讯协议，若是微控制器基础架构都相同，透过类似堆栈乐高的方式，厂商仅需替换通讯协议的部分，或是再加上另一个无线通信协议，即可无须重头设计，如此一来，将可节省时间与人力成本。詹勋琪补充，“未来支持双模无线通信的技术的产品将越来越受市场欢迎。”

物联网应用市场也相当看重产品上市时间。换句话说，业者开发的产品能够越快进入市场越能抢占市场大饼。詹勋琪认为，要加快产品设计时程，支持连网技术的微控制器设计要能越简单越好，厂商花越少的时间“纠结”微控制器的软硬件设计或无线通信协议的了解，将能给予终端产品开发设计更多的时间及人力，更能设计出“惊世绝艳”的物联网应用终端。

此时，微控制器业者提供的设计套件或软件相关资源越丰富，越能节省客户时间。而大多数的微控制器业者，也戮力专注于开发资源或套件的完整度，更透过社群软件，让开发者能够相互交流，期可协助客户尽快设计出所期望的物联网设备。

内存容量/稳定性需求增

不仅微控制器顺应物联网市场逐渐变化，内存也是如此。富士通(Fujitsu)市场部总监冯逸新表示，物联网节点设备大多是以电池供电，甚至不需电池，且产品尺寸也需小型化，再加上许多节点负责感测环境的工作，有时需配置在较为严苛的环境，对传统的内存来说，是一大考验。

为解决上述问题，写入速度快、数据漏失较少的铁电随机存取内存(FRAM)，可以说相当适用于物联网应用中。冯逸新指出，FRAM可降低印刷电路板(PCB)占位面积、减少物料清单(BOM)成本，加上没有读写次数的限制，因此相较于EEPROM、SRAM或DRAM具备较多优势，因此物联网应中的各种RFID标签，FRAM即相当有用武之地。

此外，由于FRAM可为微控制器提供高储存容量与读写速度、更低功耗…等优势，因此许多微控制器业者也开始将FRAM内建在微控制器中。根据Semico Research的统计，2017年一颗系统单芯片(SoC)中，将有84%是内存，逻辑的部分仅占16%，未来内存的比重也将越来越高。

图3：富士通展示无电池RFID的创新物联网应用—利用FRAM RFID实现的无线键盘

厚翼科技(HOY)资深协理王炳兴表示，随着无论是传统 或FRAM内存开始大量内建在单核及多核心微控制器中，如何测试内建于微控制器的内存效能，甚至进一步有效修复内存，都将是微控制器或是SoC的重要课题。

不可否认，在物联网应用市场中，降低产品设计成本已成为业者追求的终极目标之一。王炳兴认为，“透过更有效的内存测试与修复解决方案，将能有效降低物联网开发平台的设计成本。”

建构服务平台不再伤脑筋

阻碍物联网加速开发的绊脚石包含基础建设的成本、设备与联机端的安全性，以及开发时，人员及时间成本。不仅如此，物联网服务平台的建置，对于没有太多资源或是概念的产品制造商来说，也是令其相当头痛的部分。

ARM物联网事业群业务总监粘静芳表示，物联网产品发展的成功要素是使用开放性标准、避免采用单一厂商拥有的技术、安全性与设备完整的开发工具支持;再者就是服务平台的建立，产品收集的相关信息才能进一步传输到云端平台分析，或是远程更新韧体与管理、追踪产品状况。

不过，要开发物联网服务平台，或是将产品链接到云端，说起来很容易，实作上相当难。粘静芳认为，要让设备顺利链接到云端平台，若是选择与第三方云端平台供货商合作，业者无论选择哪一家厂商，都要注意其平台是否支持开放原始码、是否拥有服务器或和其他服务器厂商合作，以及是否已架接好应用程序编程接口(API)。

如此一来，才不会需要花许多时间或成本去调整，甚至出问题还得花人力与更多资源去修复。粘静芳说：“目前有许多公司已开始将目光从物联网可以赚多少钱，转向物联网可以为企业省下多少成本。”

若是厂商要自行开发物联网平台，该如何省成本?Ayla大中华区管道市场与区域销售总监张家源表示，对于资本雄厚的大企业来说，自行建置物联网服务平台，可能不会有太大的问题;但对于中小企业而言，要升级、转型至开发物联网产品，光就人才难寻且“价格高”这一点，就很有可能扼杀中小企业进入物联网市场的机会。

图4：Ayla在现场展示透过其端对端的物联网IoT平台，轻松实现以Echo语音控制切换家中照明开关

也因此，张家源建议，企业可以寻找专门的业者合作，将产品到连网、通路、云端平台这一段补齐，仅需专心研发并销售产品。此外，物联网产品也需跟随市场潮流进行「改版」，最快且便利的方式就是透过云端，因此选择合作厂商时，也需考虑其技术平台是否能够扩充，并与其他业者的云端平台接轨。

事实上，物联网不是眼睛所看到的那么简单，背后需要非常多的技术才能实现。物联网市场也不是厂商说要进入就能顺利进入，业者需要“做”的功课非常多，开发的产品要如何“一站到位”，真正满足市场需求，还要兼顾产品上市时间与成本，有志进入物联网市场的业者们真的需要努力再努力。