便利新時代：物聯(lián)網(wǎng)的控制與聯(lián)機選擇 - 全文

　　有別于以往所經(jīng)歷過的一切，我們來到了聯(lián)機與便利新時代的開端。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）有望實現(xiàn)隨時隨地了解及掌握居家和工作環(huán)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(cè)？如今通過聯(lián)網(wǎng)可以聯(lián)機監(jiān)控居家環(huán)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(shù)創(chuàng)新的消費產(chǎn)品與服務(wù)，即使是最近的采用者都無法忽略。此后，物聯(lián)網(wǎng)的到來就毋庸置疑了。

　　假如這種情況還沒有發(fā)生，公司的管理團(tuán)隊不久后也會推出產(chǎn)品來參與物聯(lián)網(wǎng)。各位要如何應(yīng)對？好消息是，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用如今有很多現(xiàn)成的應(yīng)用的協(xié)議棧架構(gòu)，就等著各位和所屬團(tuán)隊來發(fā)揮本身的創(chuàng)意專長。在本文中，我們將探討家居互連的常見架構(gòu)，以及有助于駕馭物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)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(xiàn)在我們的腦海。有些新創(chuàng)公司和有線電視業(yè)者已針對家居互連推出了產(chǎn)品，以提供消防、安全和便利方面的服務(wù)。典型的家居互連系統(tǒng)架構(gòu)包含了一些從簡單到復(fù)雜的感測節(jié)點、有網(wǎng)關(guān)可供無線上網(wǎng)并且可能需提供本地化智能系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)，以及鏈接移動裝置的云端服務(wù)。類似的家居互連架構(gòu)如圖1所示。

　　嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員在設(shè)計網(wǎng)關(guān)或感測節(jié)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(guī)考慮、功耗、系統(tǒng)延遲、聯(lián)機選擇、系統(tǒng)分隔、安全要求、互操作性、未來的遷移和系統(tǒng)成本。

　　圖1：家居互連

　　系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)可能是有線電視機頂盒，也可能是獨立的系統(tǒng)。典型網(wǎng)關(guān)架構(gòu)范例可參見圖2。網(wǎng)關(guān)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(wǎng)絡(luò)、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(xié)議棧和網(wǎng)關(guān)服務(wù)的存儲容量與處理要求、“實時”或脫機運作的系統(tǒng)延遲要求，以及聯(lián)機。在挑選無線射頻子系統(tǒng)時，所要考慮的則包括當(dāng)?shù)氐姆ㄒ?guī)（FCC、ETSI等）、要不要連結(jié)至更大的生態(tài)系統(tǒng)（此時就必須有標(biāo)準(zhǔn)），或是協(xié)議堆棧要求、鏈路預(yù)算（以轉(zhuǎn)換為無線射頻的范圍）和系統(tǒng)成本，假如系統(tǒng)是自成一體的話（可采用專屬協(xié)議棧）。無線接收器的能耗與系統(tǒng)架構(gòu)息息相關(guān)，因為它會影響到感測節(jié)點的范圍與電池的壽命。

　　迷你網(wǎng)關(guān)在把感測和環(huán)境數(shù)據(jù)傳到云端時，只會通過以太網(wǎng)絡(luò)或無線射頻子系統(tǒng)，所以使用較小、較便宜的Cortex-M型處理器應(yīng)足以應(yīng)付，特別是將通訊的協(xié)議棧要求降到最低。迷你網(wǎng)關(guān)的優(yōu)點在于，節(jié)點之間的情報與互操作性可以靠云端服務(wù)來管理，但缺點是可能要繞上一圈來等待云端服務(wù)處理并回復(fù)指揮與控制指令。另一個極端則是“智能型”網(wǎng)關(guān)，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(yōu)點 - 假如云端斷線的話。不過，智能型網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用必須管理商業(yè)邏輯，在支持系統(tǒng)升級方面也必須經(jīng)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(tǒng)到明天就要換新的網(wǎng)關(guān)。

　　圖2：家居互連網(wǎng)關(guān)架構(gòu)范例

　　聯(lián)機住家的基本節(jié)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(xié)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(xié)議時，所要考慮的則包括功耗、鏈路預(yù)算和成本。無線連接的選擇一般包含了專用的sub-GHz/ISM協(xié)議棧、ZigBee、藍(lán)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(xié)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(nèi)各區(qū)的感測節(jié)點，以避免經(jīng)常更換電池的麻煩。對許多無線感測節(jié)點的應(yīng)用來說，藍(lán)牙缺乏足夠的范圍，因為它不支持中繼器。藍(lán)牙對電源的要求也遠(yuǎn)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(yīng)用，因為電池?zé)o法輕易充電。

　　對于sub-GHz的星形節(jié)點或泛洪的（flooding-capable）無線射頻協(xié)議棧以及像感測節(jié)點這種空間受限的應(yīng)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(tǒng)單芯片。對于ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，最佳的選擇是將微控制器和無線射頻子系統(tǒng)整合在一起的系統(tǒng)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(tǒng)單芯片，并滿足無線射頻協(xié)議棧的布建要求加以簡化的開發(fā)工具。

　　圖3：基本的感測節(jié)點架構(gòu)

　　進(jìn)階的物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點可能是智能型空調(diào)系統(tǒng)、無線攝影機，或是洗機衣等白色家電設(shè)備，如圖4所示。其系統(tǒng)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(tǒng)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(xié)議棧、傳感器和系統(tǒng)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(jié)能的8位和32位微控制器。在挑選最理想的無線射頻聯(lián)機解決方案時，所要考慮的包括帶寬、功耗、鏈路預(yù)算和成本，最常見的選擇則是ZigBee、藍(lán)牙和Wi-Fi。Wi-Fi是像無線攝影機這種帶寬密集應(yīng)用最廣泛使用的協(xié)議，ZigBee則適用于有多個節(jié)點且數(shù)據(jù)速率較低的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用。Wi-Fi或藍(lán)牙可讓智能型手機和平板計算機輕松聯(lián)機，而終端用戶一般都是以此來控制家居聯(lián)機應(yīng)用。

　　圖4：先進(jìn)的感測節(jié)點架構(gòu)

　　物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)人員在優(yōu)化終端節(jié)點應(yīng)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(yīng)用比較重要？”答案取決于運轉(zhuǎn)時間的負(fù)載周期。有些節(jié)能ARM Cortex-M型微控制器在運轉(zhuǎn)模式下的耗能可以低至110 μA/MHz，在斷電偵測運轉(zhuǎn)時的深度休眠則可低至900 nA，這表示中止和運轉(zhuǎn)作業(yè)同樣是占8 MHz作業(yè)負(fù)載周期的0.1%。根據(jù)微控制器廠商的數(shù)據(jù)表來比較低功耗應(yīng)用的效能會是個挑戰(zhàn)。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(zhuǎn)電流達(dá)到一流的效能。

　　在為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(jié)點的應(yīng)用上，我什么時候應(yīng)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(gòu)為基礎(chǔ)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(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說，選擇32位當(dāng)然是正確答案，尤其是在可移植性及平臺將來要重復(fù)使用是需要關(guān)鍵考慮時。不過，如果終端節(jié)點應(yīng)用的目標(biāo)是要達(dá)到絕對的最小尺寸、使無線射頻協(xié)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(yōu)化的8位解決方案往往才是正確答案。8位架構(gòu)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(yīng)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(dāng)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(fā)人員就會聽到他們這么說。實際上，32位架構(gòu)和周邊裝置的門數(shù)（gate count）遠(yuǎn)多于8位架構(gòu)，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(shù)字比重（大約是典型微控制器的一半），并增加系統(tǒng)成本。在考慮綜合性的物聯(lián)網(wǎng)解決方案供貨商時，所找的微控制器業(yè)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(shù)解決方案，以及最好的價位。

　　物聯(lián)網(wǎng)的理想是要邁向一個超鏈接的世界，以大幅增進(jìn)終端用戶對環(huán)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(lián)網(wǎng)的革命，最成功的將會是精心設(shè)計且創(chuàng)新的物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)機裝置、APP程序與云端服務(wù)。在追尋物聯(lián)網(wǎng)的未來時，不管微控制器的位數(shù)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(lián)網(wǎng)終端節(jié)點與網(wǎng)關(guān)。你準(zhǔn)備好了嗎？

——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)4月《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特刊》透視新設(shè)計欄目，轉(zhuǎn)載請注明出處，違者必究！