MCU搭配低功耗無線傳輸模組整合 搶物聯網運算商機

2016/09/12 - DIGITIMES企劃

物聯網相關應用越來越熱門，而物聯網應用基礎即在感測終端的資訊處理、運算、傳輸形成的進階網絡應用，若在網路架構下無法滿足物聯網終端要求的always online要求，又必須在低功耗條件下提供聯網與大量運算需求，這就必須要仔細挑選對應解決方案方案，如透過低功耗MCU與低功耗無線傳輸技術進行應用整合...

隨著各式物聯網應用逐步成形，對應的微控器需求也持續擴增，為了加速物聯網終端的研發時間與整合效益，產品開發者也嘗試尋找更高整合度的微控制器方案，透過針對IoT應用優化的整合架構，快速因應需求調整開發架構，尤其是針對低功耗、大量感測器與網路介接的運算需求，如果還是採取離散式元器件進行功能整合，不僅耗費在整合設計的時間過長，PCB載板無法有效微縮，甚至開發重點的降低功耗、電源供應系統的負荷部分開發目標就很難達成。

物聯網應用要投入市場  終端成本、功耗為重要優化方向

很自然地，開發段有需求就有解決方案廠商堆出對應產品，或是更具彈性化的整合平台，以物聯網應用來說，在產品或服務還未成形前，通常會先建構一基本的測試與應用平台，針對這類初期的測試需求，其實成本與物聯網終端的整合度並不是最重要的要求，而是如何在最短時間建構所需的應用硬體平台，讓開發軟體的工程師可以快速投放應用系統測試整個物聯應用架構，在這階段的硬體開發目的在求快，成本與元器件整合度並不是優先考量，但隨著物聯應用已具備雛形，相關軟體與系統優化已進行至接近成熟階段，若要將物聯應用投入市場運行，就必須回頭來檢視物聯網終端平台硬體的整合度與成本、效能的設計問題。

現有物聯網終端硬體平台，若是核心的運算單元，選用微控制器大多已有基本的功耗優化處理，在這個地方能再進一步優化的空間相當有限，除非更換更新製程或改用超低功耗設計的核心運算架構新元件，否則能再優化整體運算功耗的空間相當有限，反而是物聯網應用必備的聯網模組，因為RF收發器本身就是相對耗能較高的功能區塊，除非在設計架構導入相對節能的低功耗無線傳輸架構，否則能壓低的整體系統功耗表現相當有限，而在物聯網終端設計中，無線收發功能模組已是優化整體效能、功耗的重要方向。

Bluetooth Smart低功耗特性  具物聯網終端應用導入價值

再以物聯網應可用的無線傳輸技術，在系統產生傳輸量頂多是感測器擷取的前端數據，或是微控制器對後端系統的協同處理訊息傳遞，傳輸數據量並不會太高，因此高傳輸效率的無線傳輸方案導入並不實際，反而是在系統合理可用數據傳輸效能下的低功耗無線傳輸技術，在導入物聯網應用架構上較有優勢，目前相對熱門的有ZigBee跟低功耗優化的Bluetooth傳輸技術方案。

在MCU業者也推出追加Bluetooth Smart的進階低功耗優化整合架構，透過MCU系統的底層銜接Bluetooth Smart低功耗無線傳輸技術，達到僅用電池電力來源便可驅動物聯網前端終端系統、維持長時間監測反饋擷取數據的物聯網應用系統底層需求。

而MCU搭配Bluetooth Smart的進階低功耗優化整合架構的優勢，也會體現在發展物聯網應用終端的整合價值上，例如，若是針對家庭監控需求開發的物聯網前端監控模組，在Bluetooth Smart的進階低功耗優化整合架構下即可達到兼顧硬體成本、終端系統效能、基礎物聯網監控設備互聯的低功耗網絡架構支援等多項優點，硬體開發階段甚至僅需參考設計架構加上部分客製化微調設計，便可將開發心力投入物聯網應用軟體與系統整合，快速將低成本物聯網應用終端投放至用戶使用場景中，降低用戶進入門檻、與加速相關應用服務進入市場的開發時程。

感測終端數量  決定物聯網智能應用的服務價值

尤其是物聯網應用必須在投放感測點或是感測終端達到一定數量後，才能顯著發揮實際物聯網應用效益，例如居家監控物聯網應用，就可在家庭對外的個主要出入口部署數位門鎖、對外窗戶部署震動與環境感測器、廚房？臥室？起居室等不同空間部署環境感測器，再搭配可對應家電控制的物聯網終端串連整體家庭的智能設備，搭配節能、保防、智能應用情境等不同服務架構思考，光是物聯網終端數量在單一智能家庭整合就會有數十甚至近百個感測終端需要部署，若無法有效壓低物聯網終端的硬體成本，就很難將物聯網應用打入目標市場，也成為擴展物聯網應用的瓶頸。

另一個物聯網終端應用硬體的應用重點，即為各終端本身的識別性與網路互連設計，物聯網應用得以發揮價值，在於繁複的網路整合下，各終端能將最即時的環境或感測資訊回送後端系統，進行如大數據分析或是對應的智能應用，而每個終端即需要一個唯一、可識別的應用系統，透過相對節約能源的嵌入式系統進行終端與後端系統的數據轉換分析等應用，甚至擴展如機器對機器(Machine to Machine；M2M)通訊進階網絡整合應用功能，而物聯網所構築的資料傳輸網路可終端間彼此互傳、也能透過橋接方式或直接連接方式銜接至現有的網際網路，擴展物聯網應用的網路連接彈性。

對物聯網裝置開發商來說，使用如智慧手機或低功耗微控制器、Bluetooth Smart的進階低功耗優化整合架構就能在服務平台上發展物聯網應用功能，甚至透過智慧手機橋接3G/4G Lte行動數據傳輸的連網路徑，智能手機或無線通訊模組即可建構連網閘道器的功能，簡化整個物聯網部署的整合難度，尤其若物聯網終端選用Bluetooth Smart低功耗無線傳輸技術，也可銜接智慧手機平台架構相當常見的藍牙無線傳輸技術銜接閘道器應用與終端連結需求，對整體應用架構來說是最無痛、成本精簡的應用型態。

Bluetooth Smart應用架構  可大幅優化物聯終端數據無線傳輸功耗

尤其是Bluetooth Smart在應用架構另支援信標功能，簡化必經的配對過程的操作程序，例如，當信標設備出現在智能手機附近時，信標設備可以朝智能手機傳輸現處位置或其他資訊，在Bluetooth Smart網通架構下，可達到物聯網設備功耗優化目的，搭上Bluetooth Smart本身的加值應用特色，在配對、資料傳輸、協同應用、低功耗等多元需求上，也能配合物聯網終端硬體的開發需求，尤其是其傳輸功率極低，應用於家庭智能化整合環境，長時間24小時設備運行對終端設備產生的電磁波疑慮也會較低。

另在傳輸效能表現方面，多數終端用戶可能已使用Bluetooth設備經驗豐富，如耳機、網路橋接、音訊串流等應用，而在Bluetooth Smart部分則是針對低功耗傳輸需求再優化的無線傳輸技術，可提供設備較標準Bluetooth傳輸條件下更低功耗表現，相當適合導入物聯網應用架構中，加上Bluetooth Smart的傳輸範圍、資料傳輸效能均可因應多數物聯網應用終端需求，自然也吸引多數物聯網應用終端選用。

例如，在智慧醫療應用中，即對於以智慧醫療場域設計的物聯網終端，要求必須對物聯網終端提供一唯一、可識別的應用前提，因為醫療聯網設備需能針對擷取資料源或是擷取對象留下完整紀錄，而應用Bluetooth Smart正可發展唯一、可識別的進階整合功能，發展後續基於物聯網服務架構的智能化醫療服務。

至於Bluetooth Smart在低功耗節能架構下，也有其大幅壓低傳輸功耗的設計概念，例如Bluetooth Smart設備或物聯網終端，與無線閘道器或是智能手機間的數據連線，可以在配對後就能針對是否需要傳輸數據而自動調整連線狀態，也就是說，當不需要連線傳輸數據時，Bluetooth Smart終端也不需要跟閘道器或其他設備維持連線，因此可省下維持連線耗用的系統電能，此外，Bluetooth Smart還可針對設備狀態(從屬設備或是主設備)差異變動傳輸速率或連線方式，針對不同節能情境最大發揮降低無線傳輸收發耗用電力功耗的優化價值，更符合物聯網應用終端的設計需求。


圖說：低功耗藍牙無線傳輸技術與對應模組，可針對物聯網應用提供最佳化電力架構強化設計。(Microchip)


圖說：針對物聯網終端的數據無線傳輸需求，目前已有完整的藍牙解決方案。(Microchip)


圖說：智慧醫療或是個人智能醫療應用場域，藍牙低功耗無線傳輸可串連生理感測終端，隨時監測生理數據、回傳系統進行分析處理，應用大數據分析技術提供醫療建議。(connectBlue)


圖說：物聯網應用終端需在硬體成本、功耗表現都能達到一定水準，投入物聯網應用服務市場才會具較高的競爭實力。(Nordic)