最近物聯網(IoT)相關的文章充斥在許多電子工程雜誌或期刊，數量上也堪稱不計其數。眾所周知雖然物聯網的服務五花八門包羅萬象，但有些基礎的特性卻都是大同小異。舉例來說，不論該技術的應用為何，可以肯定的是，需要持續存取不斷增加的大量數據，以利後續的分析、操作和比較。因此如何處理這些數據是至關重要的。
最近物聯網(IoT)相關的文章充斥在許多電子工程雜誌或期刊，數量上也堪稱不計其數。眾所周知雖然物聯網的服務五花八門包羅萬象，但有些基礎的特性卻都是大同小異。舉例來說，不論該技術的應用為何，可以肯定的是，需要持續存取不斷增加的大量數據，以利後續的分析、操作和比較。因此如何處理這些數據是至關重要的。
雖然有少數的應用需要在該物聯網裝置上直接作資料處理和儲存，但大多數的例子都是從數據的取得作為開始，以傳輸到雲端作為結束。而資料密集型的物聯網應用又可分為智慧城市的安全和交通監控、工業物聯網機器視覺(如自動化生產線中的成像系統)和家庭安全。
為了能夠與雲端連線操作，必須使用一個具有適當接口的專屬微控制器(MCU)，可以使用乙太網做有線的連結，在無線方面，可以通過Wi-Fi、Zigbee或者藍牙協定。隨著物聯網的應用越來越多樣化，而且每種應用都有其特定的操作門檻，因此微控制器需要有數量更多及更多元的I/O功能。
圖1介紹了一個簡單的場景，其中網頁伺服器用於編譯來自感測器設備陣列的資料。在這個應用中利用開源羽量級IP(lwIP)平台提供了網際網路連接所需的TCP/IP堆疊。在微控制器上運行的網頁伺服器程式提供了一個網頁，通過該網頁可以由經過適當培訓的工作人員查看和分析所有獲取的資料。根據應用的性質，可能需要即時處理資料(例如，在工廠生產線上的檢查系統中，如果發現問題，則立即採取行動)。在這種使用案例中，系統延遲可能會帶來重大的問題，如果沒有足夠的時間作出適當的對策，接下來就可能導致嚴重的後果，例如昂貴的機器損壞或位於附近的工作人員處於危險之中。
圖1 工控系統取得感測器陣列的數據
如前文所述，目前大多數微控制器的I/O資源都相對有限，並不能完全符合工程師的期望和需求。原因是製造商在過去十年中生產的微控制器產品一直依賴於少數核心平台。一方面，這有助於獲得更大的市場牽引力並縮短工程團隊的開發週期，但另一方面，卻又扼殺了微控制器產品的差異化。
鎖定低功耗/高安全 MCU設計小處見用心
隨著現在業界認為物聯網將有巨大的潛力和未來，目前情況將有所改變。例如，針對物聯網的眾多微控制器已經在市場上提供，可以理解的是以最小化功耗為其中主要目標。除此之外物聯網節點將暴露於各種網路攻擊，所以確保高度安全性已被證明是一個重要的考慮因素。然而，有線連接卻僅僅只有想法，在眾多情況下只支援基本的無線功能。而過於簡化微控制器的I/O而導致實際應用範圍受限，也是令人擔憂。
沒有兩個物聯網的應用情景是完全一樣的，因此微控制器製造商需要經濟規模的需求數量是可以被理解的，但要做到如此，微控制器又必須具有一定水準的多功能性。能夠針對某功能(具有特定的連接方式)是一件好事，但也須具備更多的功能。
如前文所描述，物聯網處理大量的多媒體資料。因此，通用微控制器不足以完成此類任務。通用微控制器因為要處理資料的輸入又同時要處理標準運作的功能，所以處理的能力將完全耗盡造成資源不足而導致延遲發生。這是應用程式與標準運作直接衝突所必然會發生的，而其中一個關鍵因素是絕大多數微控制器供應商偏重在使用軟體支持的功能集。
為了解決上述問題，目前也已有廠商嘗試從硬體層面進行升級，例如Bridgetek推出FT900和FT930系列，讓微控制器使用硬體來執行大部分的功能，提供通用微控制器缺乏的性能優化操作，與這些多數微控制器形成對比。通過使用先進的橋接技術，這些微控制器可以在快速I/O之間提供專用橋接，最適合用來設計讀取分立的硬體元件。控制器內部有著獨立的運算處理單元和I/O單元接口以確保指令可以正確地完成，而沒有任何延遲問題的產生。
回到前面的例子(如圖1所示)微控制器評估板(整合了FT90X微控制器，如圖2)可以實現網頁伺服器的功能，即時處理感測器陣列所產生的所有數據。在硬體上實現通用即插即用(UPnP)的功能，在Windows資源管理器屬於「網路」部分的「其他設備」與其他網路連接平台類似。為了讓安裝更加快速和容易，相關網路的設置也可以儲存在微控制器評估板上的非揮發性記憶體，使該訊息駐留在lwIP庫中。HTTPD應用程式從虛擬檔案系統讀取靜態和伺服器的內嵌文件。使用HTTPD應用程式處理伺服器的內嵌文件，而增加的數據則通過應用程式的回調函數(Call-back Function)來處理。
圖2 Bridgetek MM900EVxA微控制器評估板
在處理好了連接的方面的問題之後，另一個關鍵因素就是系統安全性。系統中包含許多雲端連接設備都有可能遭到駭客攻擊的機會。因此，需要建立適當的機制，以防止惡意的使用設備而產生對安全不利的影響。任何應用程式都必須構建有效的憑證和身份的驗證，因此Bridgetek為FT900系列微控制器提供了大量詳細的示例，展示了如何應用mbed TLS庫以提供安全網路連接與通訊，以及如何生成openSSL安全通訊端所需要的憑證和金鑰。這代表著可以通過使用MQTT協定在微控制器和MQTT代理(Broker)之間安全地傳輸資料。
物聯網部署將成為未來幾年微控制器銷售的主要來源。Market Research Future分析報告預測，從現在到2023年，物聯網微控制器市場的複合年增長率(CAGR)將達到12%，屆時年收入將達到近40億美元。現在大家所公認目前市場上大多數微控制器的功能集和I/O功能實際上不足以解決當前開始出現的大量應用程式。現在，參與物聯網的工程師需要微控制器的功能與實際設計產品的需求存在很大的差距。半導體製造商採用的通用平台方案對工程師的創造產生了限制，並導致功能無法完全發揮。
因此現在不僅需要提供更多更廣泛的連接設備，同時也必須具備高水準的運算能力。儘管很多物聯網的應用偏重在與大量遠距離感測器的連接，因此專注在維持較低的功耗，也只需要較少的資料傳輸，但除此之外還有更多場景需要高速的資料傳輸和數據處理。半導體供應商需要開發更多優化應用的設備，並重視提供更有效的連接。
(本文作者皆任職於Bridgetek)