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智慧家庭聯網裝置低功耗無線傳輸方案

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芯科實驗室(SiliconLabs)台灣區總經理寶陸格

Silicon Labs (芯科實驗室)台灣區總經理寶陸格指出,目前看到成形且量還不錯的市場,像是互聯智慧家庭、智慧能源(例如在英國有一件3,000萬個家庭換裝智慧電表的案件)、工業4.0/工業自動化(像機器手臂)、資產追蹤、健身和健康等應用領域。智慧家居在於創造一個更環保、舒適、安全的環境,目前已有ASUS、Comcast、AT&T、Panasonic、Google、Samsung、Honeywell、Tyco、Belkin等多家廠商與Silicon Labs合作,開發涵蓋警報、存取、保全、溫控、照明、動作等智慧家居的應用產品。

目前存在且應用於智慧家居的五大無線技術,像是專屬(Proprietary)無線網路技術,藍牙(Bluetooth)、智慧藍牙(Bluetooth Smart)、Wi-Fi、ZigBee以及Thread各擁擅場,不同的網路針對不同需求。像是SigFox/LoRa這種低於1GHz(Sub-GHz)頻段、傳輸距離1公里以上專屬無線網路技術,具備大型網路與長距離優勢;而Bluetooth/Bluetooth Smart分別針對I/O&音訊、智慧手機提供低成本的網路拓撲-無須閘道器的點對點連接;Wi-Fi是產業標準,提供設備到AP,且傳輸速度快(54 ~ 1,300 Mbps)、高星狀(Star)中型網路,但容易出現單點故障。

而ZigBee於2004年成為IEEE 802.15.4無線電標準。它具備自我修復、可靠性高、可擴展的Mesh網狀網路,同時也定義了包含應用層在內的網路協議堆疊,以確保所有廠商的共通性;但它不具備可直接連外的IP位置與機制,要連外則需另外搭配特殊閘道器/IC來轉譯。

Thread聯盟於2014年由Silicon Labs、Google等七家公司共同創立,建立一個基於6LoWPAN/802.15.4無線電標準,具備IP機制、低功耗、採銀行等級加密、且能簡單的增添、刪減節點、無單點故障的自我修復Mesh網路。Silicon Labs為Thread及ZigBee聯盟創始會員,將ZigBee Cluster Library (ZCL over IP)掛到Thread之上的應用層,因此可以將市售ZigBee控制的裝置,以Thread的IP聯網協定去控制與應用。

寶陸格指出,物聯網/智慧家庭產品需要多種無線技術存在,像一般家庭都有Wi-Fi的閘道器,供手機/平板以Wi-Fi方式連接;若要連接控制智慧手錶/手環,則透過Bluetooth Smart技術會比較合適;若要作燈光/感測器控制,則透過ZigBee比較方便簡單。他舉例像Wink Hub這個家用無線閘道器,就具備Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee、Z-Wave,以及專屬的Lutron、Kidde等無線技術;另外如Google(Nest) Protect煙霧/二氧化碳濃度偵測器,則有Wi-Fi、ZigBee等無線技術。

無線技術多元化的選擇方案

由於單一協定無法適用所有裝置,具多種無線網路協議成為必然趨勢,對晶片供應商而言,可藉由提供可程式化-依所支援的無線網路技術,出廠時掛載或燒錄相關韌體;可切換-開機切換無線協定;動態切換-切換不同的無線網路;相同頻段的無線技術甚至多種頻段無線技術的共存來達成。目前市場上已有像是先將LED燈泡裝置啟動在2.4GHz藍牙模式,手機與LED燈泡配對並取得參數後存入快閃記憶體,接下來重開機改以2.4GHz的ZigBee協定進行控制的多協定應用案例。

寶陸格指出挾20年無線創新連接經驗的Silicon Labs,在2016年2月發表了針對IoT多重協定的Wireless Gecko(壁虎)系列的SoC,分為支援Thread、ZigBee、Bluetooth Smart與Proprietary四種無線技術協定堆疊的Mighty Gecko,支援Bluetooth Smart與Proprietary的Blue Gecko與單一Proprietary無線技術的Flex Gecko三大項產品。

Wireless Gecko全系列均整合+19.5dBm功率放大器(PA)與2.4GHz平衡-不平衡轉換器(Balun);具備硬體加密引擎僅需2秒即可完成Thread無線配對與加密(若單以軟體計算則需30秒),可用於傳統設計的5V相容I/O,提供32~256KB記憶體選項,以及QFN32、QFN48與WLCSP靈活的封裝選項。搭配Simplicity Studio SDK,以圖形化介面整合Eclipse的開發框架,支援Keil、IAR、GCC與協定廠商的SDK/IDE,並提供Energy Profiler、Network Analyzer協助開發商做即時能耗、封包追蹤的分析。

寶陸格最後提到像美國最大有線寬頻營運商Comcast,就推出XFINITY Home System-採用Silicon Labs ZigBee Mesh網路技術的iControl平台,提供專人施工、依不同月租費之Monitor及Security服務,入門級的包括中央控制及幾項感應器僅每月19.95美元。華碩於2015年底資訊月發表一系列ASUS Smart Home產品,提供Wi-Fi/Bluetooth/ZigBee多重協定的HG100無線閘道器,透過手機下載Apps,即可藉由手機從雲端來做居家物聯網裝置的控制、情境設定,像是DL101智慧門鎖、MS101動作感應器、NW100可測能耗的智慧插座、TS101溫濕度感應器,第三方符合ZigBee規範的LED燈泡/燈具,與TaiSEIA規範的家電產品。