MCU整合多項無線技術　物聯網裝置溝通更無礙

無線微控制器(MCU)解決方案勢力抬頭。由於物聯網(Internet of Things)前端應用裝置須要透過無線通訊技術串連為樹狀或網狀網路，以擴大應用涵蓋範圍，因此微控制器業者積極在產品中整合通訊收發器晶片，從而節省物聯網裝置布建成本，並創造新的商機。

物聯網應用前端裝置如智慧電表(Smart Meter)、智慧白色家電、可攜式或家用醫療電子產品，以及工廠自動化感測節點等，皆須利用通訊技術才能與閘道器(Gateway)連接，再進一步將收集到的資訊往後端資料中心傳送。不僅如此，物聯網前端裝置數量通常相當龐大，若採用有線通訊技術，不但網路布建相當麻煩，成本也相對增加，因此採用可構成網狀網路架構的短距無線通訊技術，對物聯網應用服務供應商來說，將是較理想的選擇。

然而，物聯網應用裝置對成本越來越敏感，因此微控制器廠商包括飛思卡爾(Freescale)、意法半導體(STMicroelectronics)、芯科實驗室(Silicon Labs)與微芯(Microchip)等，開始著手將射頻(RF)收發器整合至微控制器中，其中，又以整合ZigBee收發器的系統單晶片(SoC)為目前發展主力，並逐漸擴展產品組合，如整合藍牙與Wi-Fi等通訊技術。

滿足低成本/網狀網路建置需求　ZigBee MCU大勢所趨

圖1　飛思卡爾高級市場行銷及業務拓展經理黃耀君認為，無縫連結對物聯網應用市場發展相當關鍵。

飛思卡爾高級市場行銷及業務拓展經理黃耀君(圖1)表示，物聯網應用涵蓋人們日常生活的各方面，因此，物聯網裝置開發商與微控制器業者，須掌握目前存在的各種通訊拓撲(表1)，以提供最貼近物聯網應用所需的微控制器產品，才可進一步搶攻物聯網龐大商機。

目前最受物聯網前端裝置開發商青睞的無線通訊技術為ZigBee，這是由於ZigBee具備網狀網路的特性，可布建超過一千零二十四個節點，相當適用於智慧電表、工業自動化控制等需較多物聯網前端裝置數量的應用所需。再加上，ZigBee為開放性標準，產品間的互通性將有一定保障。此外，ZigBee的布建成本較低，且為眾多短距無線通訊技術中相當省電的技術，因此從工業自動化、智慧電表(Smart Meter)到家庭自動化應用開發商，都優先選擇ZigBee技術。

圖2　意法半導體技術行銷經理楊正廉表示，除射頻收發器外，微控制器亦可整合感測器等物聯網架構關鍵元件。

事實上，從過去大型工廠開始導入自動化架構而選擇非標準ZigBee技術時，即可看出ZigBee獲物聯網應用市場重視的程度。意法半導體技術行銷經理楊正廉(圖2)表示，先前ZigBee應用標準尚未完備，以至於無法有效建構完整且易用的網路，因此許多大型工廠經營者導入物聯網射頻技術架構時，為節省認證成本，以及滿足實際應用需求，大多採用非標準ZigBee技術，建構工廠自動化系統，之後包括家庭自動化、智慧電表等應用也開始紛紛採納非標準ZigBee，此即為ZigBee技術進入物聯網市場的開端。

包括飛思卡爾、芯科實驗室與德州儀器(TI)等微控制器業者過去也都相當看重非標準ZigBee市場，不過，隨著ZigBee技術與相關應用規範逐漸成熟，以及考量產品互通性問題，微控制器廠商已轉而力拱標準規範。

圖3　芯科實驗室嵌入式系統無線產品事業群亞太區資深行銷經理Lawrence Der指出，中國物聯網商機誘人。

芯科實驗室嵌入式系統無線產品事業群亞太區資深行銷經理Lawrence Der(圖3)指出，私有協定礙於系統及終端產品的互通性，發展將逐漸沉寂。舉例來說，在一個高度依賴私有協定的應用環境中，終端使用者必須使用特定的終端裝置，但諸如智慧恆溫器、發光二極體(LED)燈具、交換器等，這些裝置必須相容於家庭聯網系統，才能確保系統內的互相操作，而唯一能夠無縫連結所有物聯網應用的方法就是採用開放式標準，如ZigBee。

有鑑於此，目前微控制器廠商無線微控制器產品多以整合開放性標準的ZigBee為主，相關產品已陸續推出。

ZigBee MCU產品紛出籠

Der認為，今年物聯網的無線聯網裝置及系統將大幅普及，例如聯網家庭中的無線智慧電表及無線感測網路(WSN)等。值得注意的是，物聯網開發業者考慮其系統無線協定時，ZigBee此種可實現互相操作的開放性標準，即成為最優先的選擇。

另外，聯網嵌入式裝置也須使用ZigBee協定，才可對家中裝置進行控制。Der強調，雖然物聯網應用可採用各種合適的無線技術，然而針對具有大量聯網裝置的網狀網路架構來說，ZigBee技術將是經過驗證的可靠解決方案。對於許多聯網裝置應用而言，網狀拓撲非常理想，舉例來說，家庭照明系統中的節點數目就可能包括三十個以上的燈具及感測器，因此業者應採用內建ZigBee的無線微控制器，使其聯網裝置具有可自行設定、自行恢復的網狀連接能力。如此一來，才能在單一網路上連接數百，甚至是數千個裝置。

藍牙、Wi-Fi無線MCU亦為發展焦點

不過，雖然ZigBee建構網狀網路有其優勢，但該技術僅能傳輸幾k位元的資料，無法滿足所有物聯網應用所需，因而使得其他無線技術有機會進入物聯網前端裝置市場。例如，視訊串流等高頻寬工作須使用高傳輸率的技術，此時無線區域網路(Wi-Fi)就是適合的無線技術；針對車庫門開啟等簡單的應用，或是需要長距離連結的系統，則Sub-GHz收發器將是較佳的選擇；而醫療電子應用領域則是因考量功率對人體的影響，以及技術易於取得的因素，多採用藍牙低功耗(BLE)技術。

有鑑於此，包括意法半導體、德州儀器、芯科實驗室、微芯與愛特梅爾(Atmel)已開始在微控制器中整合藍牙、Wi-Fi、Sub-GHz或6LoWPAN等技術。其中，藍牙與Wi-Fi無線微控制器更為微控制器業者重點發展的新產品。

楊正廉表示，意法半導體不僅率先推出整合ZigBee的STM32W系列微控制器，更發布整合藍牙低功耗或Wi-Fi的系統封裝(SiP)微控制器，以協助客戶縮短設計時程。透過SiP封裝方式，意法半導體將可依客戶需求，「組合」所需的無線射頻收發器與32位元微控制器，為該公司在物聯網應用市場中重要的競爭力。

圖4　微芯無線產品部Wi-Fi產品線經理Mark Wright表示，該公司8、16與32位元微控制器皆可整合射頻收發器。

微芯無線產品部Wi-Fi產品線經理Mark Wright(圖4)認為，能輕易與許多不同的低功耗嵌入式裝置連結是物聯網市場發展的重要趨勢。微芯透過MRF系列的Wi-Fi模組和具備完整應用等級堆疊功能的微控制器，可讓客戶在8、16、32位元微控制器產品中輕易增加Wi-Fi功能。

滿足物聯網多樣技術需求　多標準無線MCU後市看俏

值得注意的是，未來的物聯網應用需多樣的連結技術，才可架構規模龐大的網路，因此裝置內將不再只具備單一通訊技術。有鑑於此，微控制器業者亦著手在微控制器中加入多種無線通訊技術。

黃耀君指出，飛思卡爾已可提供SiP無線通訊微控制器產品和系統單晶片，該類產品內建Cortex-M0及M4核心，以及Sub-GHz射頻和ZigBee技術。就長遠的發展計畫來看，飛思卡爾將有更多的系統單晶片支援其他射頻標準，除Sub-GHz、ZigBee和Wi-Fi外，越來越普遍應用於醫療和穿戴式電子設備的藍牙與藍牙低功耗，也將是飛思卡爾無線微控制器整合的無線技術。

Der表示，整合數個無線協定的系統單晶片微控制器有其應用上的好處，如設計彈性高、減少物料清單(BOM)及省電等。芯科實驗室擁有ZigBee、Sub-GHz等無線通訊矽智財及研發能力，可視客戶需求及市場趨勢，在未來的系統單晶片產品中整合多種射頻協定。現階段，該公司將持續專注於擴展以安謀國際(ARM)微控制器核心為基礎的ZigBee系統單晶片產品線，以及整合Sub-GHz收發器的超低功耗無線微控制器產品。

意法半導體則是透過SiP技術實現多元無線通訊微控制器。楊正廉表示，該公司與SiP業者合作，可針對客戶物聯網應用需求，在32位元微控制器中整合其所需的無線技術，目前已可提供STM32微控制器結合Wi-Fi及藍牙的產品，甚至還可加入意法半導體微機電系統(MEMS)元件與感測器，打造最完整且效能強大的物聯網應用解決方案。

不僅國際微控制器大廠積極研發整合多重通訊技術的微控制器產品，中國大陸產學界亦攜手合作推出渝芯一號晶片。據了解，渝芯一號主要應用市場鎖定工業物聯網應用，整合ISA100.11a、WirelessHART、WIA-PA等三大主流工業無線國際標準及微控制器，且具備高性價比。事實上，中國大陸本土業者在物聯網產業中較弱的即是感測與無線射頻領域晶片開發，皆須仰賴國外廠商的解決方案，中國大陸官方為協助本土廠商在物聯網市場發展，因此積極扶植產學界自主研發感測器與無線射頻晶片。

綜上所述，由於物聯網的宗旨為萬物皆可聯網，藉以構成龐大的應用系統，並打造最智慧的生活環境，因此裝置勢必須具備聯網能力，同時還須兼顧成本與功耗，促使微控制器業者積極在32位元產品中整合射頻收發晶片，甚至加入兩種以上的射頻技術，藉此讓採用不同射頻技術的物聯網裝置可無縫連接，並進一步節省物料清單成本，進而加速物聯網市場發展。