有別于以往所經歷過的一切，我們來到了聯機與便利新時代的開端。物聯網（IoT）有望實現隨時隨地了解及掌握居家和工作環境的愿景，它或許已然降臨，就好比杰弗里·摩爾（Geoffrey Moore）所說的“鴻溝（Chasm）”，你是站在哪一側？如今通過聯網可以聯機監控居家環境，確保家人安全無憂，使家中的能源獲得最妥善的運用，查看寵物，而這一切皆能在家里或在路上就能搞定。其中的引爆點在于，有極少數創新的消費產品與服務，即使是最近的采用者都無法忽略。此后，物聯網的到來就毋庸置疑了。

　　假如這種情況還沒有發生，公司的管理團隊不久后也會推出產品來參與物聯網。各位要如何應對？好消息是，物聯網的應用如今有很多現成的應用的協議棧架構，就等著各位和所屬團隊來發揮本身的創意專長。在本文中，我們將探討家居互連的常見架構，以及有助于駕馭物聯網的技術考慮。

　　大家都想要把握住家與家人的安全，而唯有在失火或失竊時，這方面的需求才會浮現在我們的腦海。有些新創公司和有線電視業者已針對家居互連推出了產品，以提供消防、安全和便利方面的服務。典型的家居互連系統架構包含了一些從簡單到復雜的感測節點、有網關可供無線上網并且可能需提供本地化智能系統的無線網絡，以及鏈接移動裝置的云端服務。類似的家居互連架構如圖1所示。

　　嵌入式系統設計人員在設計網關或感測節點時，必須考慮到有沖突的需求，舉例來說像是處理速度、存儲容量、法規考慮、功耗、系統延遲、聯機選擇、系統分隔、安全要求、互操作性、未來的遷移和系統成本。

　　圖1：家居互連

　　系統網關可能是有線電視機頂盒，也可能是獨立的系統。典型網關架構范例可參見圖2。網關的微控制器（MCU）最有可能采用基于ARM的Cortex-M或Cortex-A型處理器搭配上鏈接選擇，如以太網絡、Wi-Fi、ZigBee和sub-GHz/ISM。在挑選最理想的微控制器時，所要考慮的包括通訊協議棧和網關服務的存儲容量與處理要求、“實時”或脫機運作的系統延遲要求，以及聯機。在挑選無線射頻子系統時，所要考慮的則包括當地的法規（FCC、ETSI等）、要不要連結至更大的生態系統（此時就必須有標準），或是協議堆棧要求、鏈路預算（以轉換為無線射頻的范圍）和系統成本，假如系統是自成一體的話（可采用專屬協議棧）。無線接收器的能耗與系統架構息息相關，因為它會影響到感測節點的范圍與電池的壽命。

　　迷你網關在把感測和環境數據傳到云端時，只會通過以太網絡或無線射頻子系統，所以使用較小、較便宜的Cortex-M型處理器應足以應付，特別是將通訊的協議棧要求降到最低。迷你網關的優點在于，節點之間的情報與互操作性可以靠云端服務來管理，但缺點是可能要繞上一圈來等待云端服務處理并回復指揮與控制指令。另一個極端則是“智能型”網關，它提供本地指揮與智能控制，并具有最小延遲與全功能的優點 - 假如云端斷線的話。不過，智能型網關的應用必須管理商業邏輯，在支持系統升級方面也必須經得起未來的考驗。沒有人希望今天所買的無線照明控制系統到明天就要換新的網關。

　　圖2：家居互連網關架構范例

　　聯機住家的基本節點可能是大門傳感器、無線照明或煙霧偵測器，如圖3所示。微控制器大部分使用低功耗的8位器件或32位的ARM Cortex-M型器件。在挑選最理想的微控制器時，所要考慮的存儲容量與處理要求包括無線射頻協議棧與傳感器管理、能源消耗、小封裝及成本。在挑選無線射頻協議時，所要考慮的則包括功耗、鏈路預算和成本。無線連接的選擇一般包含了專用的sub-GHz/ISM協議棧、ZigBee、藍牙或Wi-Fi。在這些選擇中，sub-GHz和ZigBee是居家自動化最常使用的協議，因為它們最具能源效率、長效的電池壽命（一般是三至五年），以及廣大的范圍以偵測室內各區的感測節點，以避免經常更換電池的麻煩。對許多無線感測節點的應用來說，藍牙缺乏足夠的范圍，因為它不支持中繼器。藍牙對電源的要求也遠高于ZigBee。Wi-Fi所需要的耗能大過ZigBee和sub-GHz，所以并不適合以電池供電的應用，因為電池無法輕易充電。

　　對于sub-GHz的星形節點或泛洪的（flooding-capable）無線射頻協議棧以及像感測節點這種空間受限的應用，最省成本的解決方案或許是小封裝、超低功耗的8位微控制器和無線射頻接收器，或是將微控制器和接收器整合在一起的系統單芯片。對于ZigBee網狀網絡應用，最佳的選擇是將微控制器和無線射頻子系統整合在一起的系統單芯片，尤其是在印刷電路板這種對于空間錙銖必較的地方。在尋找微控制器和無線射頻接收器時，供貨商要能提供低功耗的8位和32位的ARM Cortex-M型微控制器以及無線系統單芯片，并滿足無線射頻協議棧的布建要求加以簡化的開發工具。

　　圖3：基本的感測節點架構

　　進階的物聯網終端節點可能是智能型空調系統、無線攝影機，或是洗機衣等白色家電設備，如圖4所示。其系統主要的微控制器很可能是32位的ARM Cortex-M或Cortex-A型組件，搭配上一個或多個輔助的32位Cortex-M型或8位微控制器，以用來卸除主要的處理器，提供電容式觸控感測等功能，或是靠整并傳感器的功能來提高系統的能源效率。

　　在挑選主要的微控制器時，主要考慮因素包括無線射頻協議棧、傳感器和系統管理的存儲容量與處理要求以及成本，對于以電池供電的解決方案，功耗會是個重點。在挑選輔助的微控制器時，所要考慮的包括功能的整合與能源效率。在尋找微控制器時，供貨商要能提供最節能的8位和32位微控制器。在挑選最理想的無線射頻聯機解決方案時，所要考慮的包括帶寬、功耗、鏈路預算和成本，最常見的選擇則是ZigBee、藍牙和Wi-Fi。Wi-Fi是像無線攝影機這種帶寬密集應用最廣泛使用的協議，ZigBee則適用于有多個節點且數據速率較低的空調系統應用。Wi-Fi或藍牙可讓智能型手機和平板計算機輕松聯機，而終端用戶一般都是以此來控制家居聯機應用。

　　圖4：先進的感測節點架構

　　物聯網的開發人員在優化終端節點應用的能源效率時，必須考慮到這個問題：“休眠電流和工作電流，哪個對我的低功耗應用比較重要？”答案取決于運轉時間的負載周期。有些節能ARM Cortex-M型微控制器在運轉模式下的耗能可以低至110 μA/MHz，在斷電偵測運轉時的深度休眠則可低至900 nA，這表示中止和運轉作業同樣是占8 MHz作業負載周期的0.1%。根據微控制器廠商的數據表來比較低功耗應用的效能會是個挑戰。在尋找微控制器時，供貨商要能提供功耗估算與分析工具，并使中止和運轉電流達到一流的效能。

　　在為物聯網應用選擇微控制器的位大小時，還有一個常被問到的問題是：“在終端節點的應用上，我什么時候應該考慮使用8位的微控制器，而不需使用32位的解決方案？為什么不改用以ARM Cortex-M架構為基礎的主流32位微控制器，以支持更大的存儲要求、固有的32位演算和高階的周邊？”

　　對許多性能集中的物聯網應用來說，選擇32位當然是正確答案，尤其是在可移植性及平臺將來要重復使用是需要關鍵考慮時。不過，如果終端節點應用的目標是要達到絕對的最小尺寸、使無線射頻協議棧運作輕巧，或是卸除主要微控制器的運算功能，則精簡和高度優化的8位解決方案往往才是正確答案。8位架構有個常遭誤解的地方是，它的程序代碼密度偏低。其實只有在嘗試16或32位的運算時，情況才是如此。像那些在卸除主要處理器時所涉及的控制應用并沒有密度偏低的問題。事實上，由于8位微控制器的冗余碼少之又少，因此控制型功能的整體程序代碼密度比32位微控制器所具備的同等功能還高。

　　另一個常遭誤解的地方是，32位微控制器的定價就與8位差不多。當微控制器的供貨商不再投資8位系列，或者在8位的市場上不再具有競爭力時，開發人員就會聽到他們這么說。實際上，32位架構和周邊裝置的門數（gate count）遠多于8位架構，而且在同樣的幾何程序中，所占用的硅空間也比8位的解決方案要大。采用的幾何程序較小會降低數字比重（大約是典型微控制器的一半），并增加系統成本。在考慮綜合性的物聯網解決方案供貨商時，所找的微控制器業者對于8位和32位微控制器系列都要有積極的投資，這樣你就能找到最具彈性的微控制器選擇、最佳的技術解決方案，以及最好的價位。

　　物聯網的理想是要邁向一個超鏈接的世界，以大幅增進終端用戶對環境的了解與掌握，而且不管他們在哪都一樣──家里、職場或路上。在推動物聯網的革命，最成功的將會是精心設計且創新的物聯網聯機裝置、APP程序與云端服務。在追尋物聯網的未來時，不管微控制器的位數為何，主角將會是能以最佳方式把能源效率、效能、成本效益與巧妙功能融為一體的物聯網終端節點與網關。你準備好了嗎？

——本文選自電子發燒友網4月《物聯網技術特刊》透視新設計欄目，轉載請注明出處，違者必究！