MCU搭配低功耗无线传输模块整合 抢物联网运算商机

2016/09/12 - DIGITIMES企划

物联网相关应用越来越热门，而物联网应用基础即在传感终端的信息处理、运算、传输形成的进阶网络应用，若在网络架构下无法满足物联网终端要求的always online要求，又必须在低功耗条件下提供联网与大量运算需求，这就必须要仔细挑选对应解决方案方案，如透过低功耗MCU与低功耗无线传输技术进行应用整合...

随着各式物联网应用逐步成形，对应的微控器需求也持续增，为了加速物联网终端的研发时间与整合效益，产品开发者也尝试寻找更高整合度的微控制器方案，透过针对IoT应用优化的整合架构，快速因应需求调整开发架构，尤其是针对低功耗、大量传感器与网络介接的运算需求，如果还是采取离散式元器件进行功能整合，不仅耗费在整合设计的时间过长，PCB载板无法有效微缩，甚至开发重点的降低功耗、电源供应系统的负荷部分开发目标就很难达成。

物联网应用要投入市场  终端成本、功耗为重要优化方向

很自然地，开发段有需求就有解决方案厂商堆出对应产品，或是更具弹性化的整合平台，以物联网应用来说，在产品或服务还未成形前，通常会先建构一基本的测试与应用平台，针对这类初期的测试需求，其实成本与物联网终端的整合度并不是最重要的要求，而是如何在最短时间建构所需的应用硬件平台，让开发软件的工程师可以快速投放应用系统测试整个物联应用架构，在这阶段的硬件开发目的在求快，成本与元器件整合度并不是优先考量，但随着物联应用已具备雏形，相关软件与系统优化已进行至接近成熟阶段，若要将物联应用投入市场运行，就必须回头来检视物联网终端平台硬件的整合度与成本、效能的设计问题。

现有物联网终端硬件平台，若是核心的运算单元，选用微控制器大多已有基本的功耗优化处理，在这个地方能再进一步优化的空间相当有限，除非更换更新制程或改用超低功耗设计的核心运算架构新元件，否则能再优化整体运算功耗的空间相当有限，反而是物联网应用必备的联网模块，因为RF收发器本身就是相对耗能较高的功能区块，除非在设计架构导入相对节能的低功耗无线传输架构，否则能压低的整体系统功耗表现相当有限，而在物联网终端设计中，无线收发功能模块已是优化整体效能、功耗的重要方向。

Bluetooth Smart低功耗特性  具物联网终端应用导入价值

再以物联网应可用的无线传输技术，在系统产生传输量顶多是传感器撷取的前端数据，或是微控制器对后端系统的协同处理信息传递，传输数据量并不会太高，因此高传输效率的无线传输方案导入并不实际，反而是在系统合理可用数据传输效能下的低功耗无线传输技术，在导入物联网应用架构上较有优势，目前相对热门的有ZigBee跟低功耗优化的Bluetooth传输技术方案。

在MCU业者也推出追加Bluetooth Smart的进阶低功耗优化整合架构，透过MCU系统的底层衔接Bluetooth Smart低功耗无线传输技术，达到仅用电池电力来源便可驱动物联网前端终端系统、维持长时间监测反馈撷取数据的物联网应用系统底层需求。

而MCU搭配Bluetooth Smart的进阶低功耗优化整合架构的优势，也会体现在发展物联网应用终端的整合价值上，例如，若是针对家庭监控需求开发的物联网前端监控模块，在Bluetooth Smart的进阶低功耗优化整合架构下即可达到兼顾硬件成本、终端系统效能、基础物联网监控设备互联的低功耗网络架构支持等多项优点，硬件开发阶段甚至仅需参考设计架构加上部分定制化微调设计，便可将开发心力投入物联网应用软件与系统整合，快速将低成本物联网应用终端投放至用户使用场景中，降低用户进入门槛、与加速相关应用服务进入市场的开发时程。

传感终端数量  决定物联网智能应用的服务价值

尤其是物联网应用必须在投放传感点或是传感终端达到一定数量后，才能显着发挥实际物联网应用效益，例如居家监控物联网应用，就可在家庭对外的个主要出入口部署数码门锁、对外窗户部署震动与环境传感器、厨房？卧室？起居室等不同空间部署环境传感器，再搭配可对应家电控制的物联网终端串连整体家庭的智能设备，搭配节能、保防、智能应用情境等不同服务架构思考，光是物联网终端数量在单一智能家庭整合就会有数十甚至近百个传感终端需要部署，若无法有效压低物联网终端的硬件成本，就很难将物联网应用打入目标市场，也成为扩展物联网应用的瓶颈。

另一个物联网终端应用硬件的应用重点，即为各终端本身的识别性与网络互连设计，物联网应用得以发挥价值，在于繁复的网络整合下，各终端能将最实时的环境或传感信息回送后端系统，进行如大数据分析或是对应的智能应用，而每个终端即需要一个唯一、可识别的应用系统，透过相对节约能源的嵌入式系统进行终端与后端系统的数据转换分析等应用，甚至扩展如机器对机器(Machine to Machine；M2M)通讯进阶网络整合应用功能，而物联网所构筑的数据传输网络可终端间彼此互传、也能透过桥接方式或直接连接方式衔接至现有的网际网络，扩展物联网应用的网络连接弹性。

对物联网装置开发商来说，使用如智能手机或低功耗微控制器、Bluetooth Smart的进阶低功耗优化整合架构就能在服务平台上发展物联网应用功能，甚至透过智能手机桥接3G/4G Lte移动数据传输的联网络径，智能手机或无线通讯模块即可建构联网闸道器的功能，简化整个物联网部署的整合难度，尤其若物联网终端选用Bluetooth Smart低功耗无线传输技术，也可衔接智能手机平台架构相当常见的蓝牙无线传输技术衔接闸道器应用与终端连结需求，对整体应用架构来说是最无痛、成本精简的应用型态。

Bluetooth Smart应用架构  可大幅优化物联终端数据无线传输功耗

尤其是Bluetooth Smart在应用架构另支持信标功能，简化必经的配对过程的操作程序，例如，当信标设备出现在智能手机附近时，信标设备可以朝智能手机传输现处位置或其他信息，在Bluetooth Smart网通架构下，可达到物联网设备功耗优化目的，搭上Bluetooth Smart本身的加值应用特色，在配对、数据传输、协同应用、低功耗等多元需求上，也能配合物联网终端硬件的开发需求，尤其是其传输功率极低，应用于家庭智能化整合环境，长时间24小时设备运行对终端设备产生的电磁波疑虑也会较低。

另在传输效能表现方面，多数终端用户可能已使用Bluetooth设备经验丰富，如耳机、网络桥接、音讯串流等应用，而在Bluetooth Smart部分则是针对低功耗传输需求再优化的无线传输技术，可提供设备较标准Bluetooth传输条件下更低功耗表现，相当适合导入物联网应用架构中，加上Bluetooth Smart的传输范围、数据传输效能均可因应多数物联网应用终端需求，自然也吸引多数物联网应用终端选用。

例如，在智能医疗应用中，即对于以智能医疗场域设计的物联网终端，要求必须对物联网终端提供一唯一、可识别的应用前提，因为医疗联网设备需能针对撷取数据源或是撷取对象留下完整纪录，而应用Bluetooth Smart正可发展唯一、可识别的进阶整合功能，发展后续基于物联网服务架构的智能化医疗服务。

至于Bluetooth Smart在低功耗节能架构下，也有其大幅压低传输功耗的设计概念，例如Bluetooth Smart设备或物联网终端，与无线闸道器或是智能手机间的数据连线，可以在配对后就能针对是否需要传输数据而自动调整连线状态，也就是说，当不需要连线传输数据时，Bluetooth Smart终端也不需要跟闸道器或其他设备维持连线，因此可省下维持连线耗用的系统电能，此外，Bluetooth Smart还可针对设备状态(从属设备或是主设备)差异变动传输速率或连线方式，针对不同节能情境最大发挥降低无线传输收发耗用电力功耗的优化价值，更符合物联网应用终端的设计需求。


图说：低功耗蓝牙无线传输技术与对应模块，可针对物联网应用提供最佳化电力架构强化设计。(Microchip)


图说：针对物联网终端的数据无线传输需求，目前已有完整的蓝牙解决方案。(Microchip)


图说：智能医疗或是个人智能医疗应用场域，蓝牙低功耗无线传输可串连生理传感终端，随时监测生理数据、回传系统进行分析处理，应用大数据分析技术提供医疗建议。(connectBlue)


图说：物联网应用终端需在硬件成本、功耗表现都能达到一定水准，投入物联网应用服务市场才会具较高的竞争实力。(Nordic)