以嵌入式系統開發智慧連網數位家電產品

智慧電視透過Android系統整合，可提供裝載App應用之功能，圖為整合SiS單晶片方案之智慧電視。

智慧型手機由於兼具連網、多媒體播放...等諸多應用功能，令其採行的嵌入式系統核心應用領域漸受關注，Apple的iOS和Android OS嵌入式系統相繼鎖定大螢幕的TV應用，以現成的嵌入式系統解決方案與硬體的高度整合，成為發展未來智慧家電的成功方程式...

智慧型手機可以說是目前IT產業最熱門的終端產品，不只是產品的體積越來越薄、越來越小，產品的運行效能還直逼尋常使用的桌上型電腦、筆記型電腦，近來又因為手機執行的3D電玩與應用程式激增，連行動處理器業者亦發展雙核心、4核心...等大型設備才會應用的多核處理器方案來因應市場需求。

智慧型手機成熱門 雲端應用熱潮延燒數位家電

以目前極為熱門的iPhone為例，發展迄今，Apple已經將iOS延伸至自家的多媒體播放器(Portable media player；PMP)、數位機上盒(Set-top-box；STB)，如iPod Touch、Apple TV...等消費性產品，以Apple TV來觀察，轉換至嵌入式系統與自家嵌入式單板電腦解決方案後，再搭配應用元件的小幅調整，可以讓原有的產品體積一舉縮小數倍，產品的運行功耗也能壓低，甚至連元件成本都可因為改採行動版的嵌入式作業系統，而獲得大幅削減。

另一方面，以iPhone較具規模的競爭對手Google Android來說，也呈現近似的發展軌跡，尤其連網需求相對較高的電視產品，目前也發展出Smart TV智慧電視產品線，透過Android機上盒或是直接將處理運算、連網應用的單板模組與電視設備進行整合，形成一體成形的Smart TV產品，是目前針對電視連網、數位娛樂需求，一個最快速、便捷且利於開發的產品整合方案，此種開放作業系統搭配簡易之硬體平台，令設備具連網應用之目的，已成為發展智慧家電的開發捷徑。

Android開放式軟體平台，相較於桌上型電腦的系統平台，由於初始運行環境即預設以相對有限的運算資源為主，例如，手機、控制設備...等連網系統設計應用，因此，對比於資源近似無限的桌上型電腦環境(記憶體動輒超過4GB、硬碟為TB級容量...)，嵌入式系統能提供的硬體效能、儲存容量、記憶體容量...等規格皆相對受限許多。

Android具數位家電整合應用優勢

也正因為平台資源相當受限，因此Android這類開放性系統源碼，也發展出相對較為lightweight(輕量)的作業系統環境，只要運行的硬體平台提供合理的硬體資源，架構於硬體之上的嵌入式作業系統針對整合的特殊應用，也能達到兼具效能與效用的系統服務水準。

而在智慧型行動電話獲得成功的軟體市集商務形式，在嵌入式系統也成為新的獲利模式或核心應用！例如，Apple透過AppStore販售大量的數位內容App、iBook Store販售數位內容，甚至新一代的Newsstand亦可發展出一套穩健獲利的訂閱型內容服務。這種發展態勢讓不少硬體製造商開始重新審視，能否在現有極為微利的電子產品上，再透過嵌入式系統的雲端整合應用服務，進行產品深入整合，達到終端、內容、網路無縫式的應用環境，讓消費者能以更簡單、輕鬆的形式取得所需的數位商品。

但現在的數位家庭裝置產品，大多數仍維持封閉系統形式，不少裝置彼此間雖然有應用融合的功能開發趨勢與不同產品連接傳輸需求持續增加，但實際上要滿足裝置間的資源分享應用，仍相當困難。

在80~90年代，多數消費者在家電的娛樂體驗，主要以時光平移應用(Time Shifting)為主，例如，隨時利用錄影機(Video Cassette Recorder；VCR)、個人錄影機(Personal video recorder；PVR)進行錄製，隨後發展DVR(digital video recorder)、隨選視訊(Video On Demand；VoD)進行節目觀賞。近年的多媒體應用發展，不光只是要求Time Shifting，而是將需求拉高到Place Shifting易地播放的新門檻，這時整合雲端運算、行動無線傳輸應用等需求，即成為數位家電的重要發展方向。

而目前消費性電子產品彼此的區隔呈現日漸模糊的態勢，不同於往昔多以使用地點、使用情境來區隔電子產品的應用方式，例如，桌上型電腦在辦公室或書房使用，而筆記型電腦則可攜至戶外、圖書館使用，除使用型態、環境之外，科技進展讓零組件的性能、功能大幅躍進。

例如，硬碟動輒數TB，而Flash記憶卡動輒8~16GB，這使得原先無法應付高清影音儲存的行動裝置，只要透過簡單轉檔、儲存，就能將以前必須在電視前觀看的影音節目隨身攜帶，甚至藉由雲端與網路技術，還可透過網路即時下載視訊串流，於手機、嵌入式系統連網設備或多媒體裝置，觀賞以往必須透過藍光光碟、DVD光碟機搭配電視才能享受的高清娛樂內容。

用戶使用習慣改變 影響數位家電整合趨勢

不管是網路的、技術的、元件的各方面突破，將現有的數位產品應用型態完全打破，智慧型行動電話已可以提供桌上型電腦(甚至是1部LCD TV)近8成的應用內容，透過簡單的嵌入式系統整合，也可滿足近乎桌上型電腦的相關應用需求。

對於數位家電而言，下一代的產品(數位電視、機上盒、數位媒體伺服器)還要能實現Source Shifting來源轉移的應用目標，意即用戶可在任一裝置上，存取來自區域設備、網路或網際網路...等不同來源之數位內容，但這個目標的達成前提是家庭中的各項裝置必須能順利地相互連接並具備上網功能，要達到此目的，則需要搭配完整的作業系統，可用的嵌入式設計選項目前僅Android在系統基礎、開發資源具備相對完善的條件。

要達到前述的設備連網目的，必須透過一連網標準統一規範裝置連接支援需求，例如，生活網路聯盟(Digital Living Network Alliance；DLNA)技術，只要設備經DLNA認證相容，即能令使用者可透過網路連結不同的連網設備來分享數位內容。

綜觀數位家電的發展軌跡，會發現「電視」是最熱門的關鍵產品，因為電視本身即具備最適合呈現數位商品、數位內容的大型螢幕，電視又是使用者每日都會頻繁接觸、持續應用的電子產品，只要再整合運算、儲存、連網機能，即可讓TV衍生出媒體載具的多元應用條件。

加值應用開發 仍需考量開發資源的後繼支援

但傳統電視數位化過程，第一個會碰到的問題即用戶利用電視的習慣偏好固定，例如，透過Remote Control遙控器來進行功能設定、切換動作，而電視徒具大螢幕，若沒有發展對應的控制操作功能，將造成用戶無法有效掌握電視呈現的大量內容，進而影響電視數位化、連網化的使用者體驗(User Experience)。

而單純針對Remote Control功能追加設計，對於嵌入式系統應用來說並不是太難的工作，只是除了單純的Remote Control之外，新的趨勢與需求是整合娛樂的應用平台，新產品還要在Remote Control上加入更多加值設計規畫，例如，陀螺儀感測器、加速度計...等，令Remote Control與連網平台下載的體感互動遊戲能達到更進一步的結合。

數位家電雲端服務 面臨多螢顯示尺寸支援問題

但這方面的整合設計，目前在釋出Android的源碼端，僅有OS核心方面的控制應用支援，若要將原有系統應用的感測機制再整合無線技術(如藍牙)，來進行Remote Control與體感互動控制，必須花更多心力來進行相關設計，而體感控制的設計方案即便在硬體方面已獲實現，緊跟著將考驗後續的應用軟體數量與品質問題，如果沒有大廠的應用方案來加以驅動，基本上這類應用仍會遭遇市場的嚴厲考驗。

而在雲端整合方面，目前數位家電設計方案，大多採取將原有產品增設螢幕的方式處理，來滿足快速應用雲端服務之內容呈現與操作需求，但要將數位家電接上雲端服務之前，肯定會先遭遇終端設備處理多螢幕顯示、不同解析度的問題，例如在Android 2.x/3.x都曾遇到必須處理多種解析度螢幕顯示的問題，除非因應數位家電的雲端服務不需要顯示，或是顯示環境為可預知之封閉系統，否則開發端都必須面對未來多螢幕顯示的技術支援問題。

即便在Android 4.x系統預設可支援多螢幕顯示的使用者介面(User interface；UI)，但實際上Android版本越新代表硬體的限制也逐步提升，其採行的硬體解決方案之零組件成本也會跟著水漲船高，這對商品系統開發不見得是件好事。

另一方面，改善多螢幕顯示相容設計，因應多種數位家電的雲端服務介接需求，為了達到每種裝置均能呈現最佳化終端頁面效果，較實際的作法是利用Widget工具來實現多螢幕解析度的支援，不只包含UI體驗最佳化設計，也可讓數位家電輕鬆因應不同應用程式獲得功能加值，甚至由家電廠商直接開發資訊入口網站，衍生更豐沛的應用程式支援。

再從技術觀點檢視，數位家電整合連網應用的需求，仍必須持續朝向低成本、多格式媒體解碼器支援方向進行，一般的作法會採取系統單晶片(System-on-a-chip；SoC)方案來解決系統載板的簡化設計，甚至是利用極小的功能載板來統一為各式數位家電提供一個快速升級系統化連網應用的基礎模組，而開發端則可將設計心力投注在整合應用服務方面，尤其是雲端服務與數位家電整合的關鍵應用。

嵌入式系統平台開放優勢 快速整合加值應用服務

另一個硬體發展方向，是寬頻上網應用與服務成本日益下滑，這會促使數位家電開發商積極思考善用高速網路傳輸的各式加值應用，尤其是針對各種媒體網站大量內容的存取，在系統載板即可整合802.11g/11n...等高速無線網路應用標準，數位家電甚至可以不用實線即可讓家電連上網路，未來的家電加載螢幕還可因應720p/1,080p高畫質、高解析度數位互動內容的應用需求。

過去數位家電製造商曾開發相關網路應用方案，但多數均未能獲得市場正面回應，因為這類產品在擴充性、相容性方面頗受限，大多僅能與自家設備互通，甚至因為開發成本昂貴，進而反應於產品售價，甚至僅能擷取特定網路內容、私有雲服務，造成使用上的各種不便。由於數位家電的軟體都必須搭配特定硬體才能運作，亦造成開發成果難以移植到其他系統平台，影響相關服務的使用便利性甚鉅。

在開放系統平台進行開發工作，有相當多的好處，因為開發人員能善用現成的軟體元件，因應不同的開發需求得以重新組建所需的功能，同時也不需支付軟體權利金或授權費用。開發團隊若能找來具經驗的開源碼軟體工程人員，則軟體開發工作將變得更快速、更具成本效益。

在眾多開源開發平台方面，以Android系統為最重要的系統資源，目前大量的行動電話採行Android虛擬化平台進行軟體開發，這意味著尋求開發資源或是組建專案開發團隊的難度會降低，可更快速的建構專案組織，處理各式開發需求，達到加速產品開發時程、降低成本、最小化開發資源之開發目的，同時透過應用內容的加值整合，來增加數位家電的產品差異化設計。

即便Android目前似乎是開發數位家電整合電算平台的最佳選擇，但由於Android最初是因應智慧型手機開發需求而產生，多數功能性都必須再投入開發資源，才能延伸額外的數位家電嵌入式裝置的使用模式，加值整合方面仍需投入資源進行功能建構。例如，為實現連網數位電視應用，若採行Android作業系統，則必須重新投入開發資源來處理數位廣播、網路電視所需的高畫質影音串流傳輸，同時還須搭配中介軟體進行應用整合，甚至還要在傳輸中進行DRM(Digital rights management)數位內容保護措施，令內容存取滿足安全性與智財權保護的應用標準；此外，為因應Place Shifting易地播放需求，還得符合網路存取和內容分享的DLNA標準。

為了增加系統的可用度與最佳使用體驗，OS本身另需針對多工處理進行更深入的整合開發，但以手機應用為主的Android系統平台，在因應真正的多工作業仍有力有未逮的問題，因為Android會在執行過程中依據系統資源進行分配，若是現行的應用程式要求資源過多時，可能會適時關閉背景應用程式來爭取更完善的運行條件，這在數位家電應用情境中可能是無法被接受的。以家電的DVR應用為例，錄影與數位電視訊號處理同步進行，若因為預約錄影要與正常數位影音播放程序互搶執行資源，造成某個工作因此被強制關閉，顯然是使用者所無法接受的狀況。