有線/無線技術加速異質整合　智慧家庭實現多元聯網應用

行動裝置滲透率明顯攀升後，已開始將影響力擴散至家庭環境，刺激多元家庭聯網應用爆發。包括家電自動化控制、多螢影音串流，智慧照明與能源管理等，皆環繞著行動裝置的無線通訊與控制功能而全速推展，並將進一步搭配電力線通訊(PLC)、光纖到府(FTTH)等有線方案，以及無線區域網路(Wi-Fi)、ZigBee等無線聯網設備串連雲端平台，創造出嶄新的智慧家庭異質網路融合情境。

舉例來說，在智慧照明應用中，系統業者考量家庭聯網環境要符合多節點、低耗電及低成本的要求，還要連結雲端分析相關資訊，因此正積極投入ZigBee加Wi-Fi，或ZigBee結合PLC的網路設計架構，從而簡化內部網路建置複雜度，並擴充外部雲端資料中心的連結功能。

擴展智慧家庭連結力　高速/低頻Wi-Fi齊亮相

圖1　博通無線連線部門業務開發總監Clint Brown表示，802.11ac可解決802.11n的各種問題，可望加速商用。

由於智慧家庭網路建置要求愈趨嚴格，各個通訊技術陣營已紛紛升級標準規格因應。其中，尤以Wi-Fi Alliance最為積極，正全力推廣Gbit/s等級的802.11ac，以及專攻高畫質影音串流的Miracast認證計畫；不僅如此，該聯盟更緊鑼密鼓籌備相容2.4GHz、5GHz和60GHz的三頻Wi-Fi標準，以及新一代應用Sub-GHz低頻段，且支援中長距離傳輸的802.11ah規範，展現Wi-Fi在智慧家庭應用的全方位連結力。

博通無線連線部門業務開發總監Clint Brown(圖1)表示，Wi-Fi已讓家用電子裝置擺脫實體配線的羈絆，而最新的802.11ac高速傳輸方案出爐後，更是Wi-Fi技術演進的一大里程碑，相較於前一代規格可將速度提升三倍，耗電量降低六倍，進而實現大量的影音互連應用(圖2)。

除速度以外，802.11ac支援160MHz頻寬亦將提高網路頻寬與穩定性，這對需要大量頻寬的行動裝置影片與語音應用程式非常重要。不僅如此，國際電機電子工程師學會(IEEE)和Wi-Fi聯盟亦馬不停蹄投入研擬500MHz頻寬的802.11ac技術規格，將進一步支援4K×2K影音內容的無線傳輸，與超高畫質(UHD)電視擴大商用的腳步並進。

圖2　802.11ac在智慧家庭中的定位為高頻寬應用

Brown認為，對智慧家庭而言，802.11ac傳輸速率更高、範圍更廣、減少覆蓋死角，並可避開相當擁擠的2.4GHz頻段，將為已相當成熟的Wi-Fi開啟新視野。

與此同時，Wi-Fi聯盟也持續往更高頻或更低頻的無線電頻段拓展標準應用版圖，包括超高頻60GHz WiGig技術，以及近期開始起草的Sub-GHz 802.11ah新標準，均將再度引發Wi-Fi發展熱潮。據悉，802.11ah採用1GHz以下頻段，可擴充訊號覆蓋範圍至1公里以上，在中低速率(150k～40Mbit/s)應用上可支援更低功耗的通訊架構及更多用戶，對推展家電自動化控制、智慧電表(Smart Meter)回程(Backhaul)網路或建築照明管理系統極具效益。

現階段，包括高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)、英特爾(Intel)、樂金(LG)、邁威爾(Marvell)和三星(Samsung)、華為和中興等通訊相關業者，均加入推廣802.11ah的行列，預計在2015年共同勾勒標準雛型，並將於2016年陸續投入商用產品量產。

除積極開發新標準外，Wi-Fi聯盟也持續改良現有的Wi-Fi架構。高通創銳訊(Qualcomm Atheros)新興業務全球資深副總裁鄭建生指出，瞄準大型家電、照明、安全監控及智慧插座等家庭聯網應用，低功耗Wi-Fi解決方案近期已正式出爐，並已獲得中國大陸消費性電子大廠海爾採用。

據悉，低功耗Wi-Fi相容現有的802.11n網路架構及頻段，透過更改時序設定降低發射功率與頻率，進而達到更低的功耗，可望扭轉Wi-Fi被詬病過於耗電的形象。

鄭建生強調，高通創銳訊日前推出的低功耗Wi-Fi晶片，可讓裝置本身在鄰近其他裝置或存取點的情況下，減少最多50%傳輸功率，此項動態功率調整功能，搭配耗電量小於1毫瓦(mW)的睡眠模式，可大幅延長家庭遙控器、恆溫器及感應器的電池續航力。

挑戰ZigBee/PLC地位　BLE問鼎智慧聯網家庭

圖3　CSR μEnergy資深行銷經理David James提到，藍牙Smart與觸控技術結合的無線控制板亦極具發展潛力。

無獨有偶，業界耳熟能詳的藍牙標準也開始拓展應用版圖，朝向超低功耗發展。英商劍橋無線半導體(CSR)μEnergy資深行銷經理David James(圖3)表示，物聯網(IoT)環境正快速形成，未來幾年，聯網裝置的規模將上看一至二百億，如此龐大的網路串連架構中，各裝置的連結、控管與整合都要求更低功耗，因而促成藍牙Smart，或稱藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy, BLE)問世。

James指出，以家庭自動化系統為例，目前較成熟的ZigBee和PLC方案占有相當穩固的地位；然而，PLC的缺點在於裝置一定要連接到線路才能控制，當用戶須部署遠端或行動感應器時，便須加裝無線聯網裝置或布設更長的銅纜，增加系統成本。至於ZigBee雖有無線傳輸和網狀網路能力等優勢，但其網路建置與互通性則問題重重。因此，相關業者正醞釀導入新聯網方案，從而補足既有技術的不足。

因應上述家庭網路布建挑戰，藍牙Smart已成為業界眾所矚目的焦點，可強化家電與Android、iOS和Windows 8行動裝置的連結，讓消費者以行動裝置直接控制，毋須像ZigBee和PLC網路仰賴Wi-Fi或藍牙橋接器，因而增加系統成本、複雜性和功耗。事實上，ZigBee和PLC雖早一步展開商用部署，但市場滲透率卻不如預期，這正是一個新的大規模標準化藍牙技術可取而代之的關鍵切入點。

James分析，ZigBee和PLC因欠缺對外連結的能力，而使家庭網路形成封閉式架構，而藍牙Smart則擁有廣大的行動裝置支援，對未來整個物聯網環境的建立更具價值。此在PC產業發展歷史中亦可印證，早期蘋果(Apple)的封閉系統，僅容許少數被核准的軟體與硬體商開發相關應用，局限技術發展；反觀Wintel與IBM選擇開放與共通標準路線，遂率先脫穎而出，帶領PC市場發展至今日的局面。

同樣的情形，PLC和ZigBee雖有開放性標準聯盟的奧援，但業界並未廣泛採用，且產品互通性上有疑慮；相較之下，藍牙Smart擁有前幾代藍牙的廣大發展基礎，正以每月兩百四十家廠商加入推展行列的速率成長，可望掀動智慧家庭，甚至更大範圍的物聯網產業技術革命。

毋庸置疑，有線與無線技術都陸續推出新版本，且正以驚人的速度進軍智慧家庭應用領域，現階段各種技術雖處於百家爭鳴、看似相互競爭的局面，但業者布建智慧家庭網路時，將綜合考量晶片和設備供應來源、家庭內部網路建置的經濟效益，以及對外部裝置的連結功能，因此ZigBee、PLC、Wi-Fi及藍牙Smart將在智慧家庭中並存，並朝無縫融合形式發展。

構築智慧家庭網路　ZigBee串連多元通訊技術

圖4　芯科實驗室MCU產品資深行銷總監Ted Batey指出，智慧家庭及物聯網裝置應用將大量導入32位元無線MCU。

芯科實驗室(Silicon Labs)微控制器產品資深行銷總監Ted Batey(圖4)表示，智慧家庭涵蓋監控、燈光及恆溫控制系統等五花八門的應用，僅透過一種無線或有線技術，很難覆蓋所有家庭自動化控制及通訊需求，因此較佳的設計方案就是整合多種有線及無線技術，以因應各種家用智慧型嵌入式系統的特定需求。

對智慧家庭而言，由於沒有一個放諸四海皆準的有線或無線技術，因此各種方案將同時存在，並持續演進，如2013年ZigBee和藍牙等無線標準都有新版本，前者的標準組織今年已發布ZigBee家庭自動化(Home Automation)1.2，ZigBee智慧能源(Smart Energy)Profile 2和針對IPv6部署的ZigBee IP等新規範。後者則瞄準穿戴式電子、行動醫療等設備，推出藍牙4.0方案。

Batey也強調，家庭網路的可擴展性是重要的考量因素，ZigBee因採用網狀拓撲，可輕鬆串連更多遠離網路節點的設備，對多元且複雜的家電通訊網路建置將具有優勢；基於芯科實驗室的微控制器(MCU)方案，還可提供ZigBee自我配置和自我修復的網狀連接，進一步讓上千個設備在單一網路上互連。相較之下，藍牙網路設備連結上限為七個，而無線網絡連接限制為三十二個，若系統廠僅以藍牙布建家庭網路將顯得綁手綁腳，兩者必須相輔相成。

ZigBee對智慧家庭網路的重要性不言而喻，而智慧家庭網路建置要求不外乎低功耗與低成本，對ZigBee來說很容易就能實現，僅須針對其他應用搭配不同的連接技術，如Sub-GHz技術可針對簡單的應用，如車庫門開啟等長距離的連接。

另外，PLC和Wi-Fi連結則可扮演家庭網路對外連結樞紐，也將成為ZigBee家庭網路架構的一環。

融入混合網路標準　PLC加速有線/無線匯流

事實上，因應家庭異質網路融合的發展，有線PLC技術也加速支援IEEE 1905.1有線/無線混合網路標準，以協助晶片商和系統廠在一個閘道器內整合乙太網路(Ethernet)、Wi-Fi及其他網路標準。

日前意法半導體(ST)與閘道器製造業者--大同，已攜手透過PLC，以及IEEE 1905.1標準技術，打造出新世代家庭網路集線器和智慧能源閘道器，讓用戶能設置整合乙太網路、WLAN、PLC和多媒體裝置的多承載(Multi-bearer)解決方案的家庭網路，進而改善整個家庭區域網路(HAN)聯網效率、安全性和便利性。

意法半導體事業群副總裁暨工業和功率轉換產品部總經理Matteo Lo Presti表示，新一代符合IEEE 1905.1標準的PLC系統單晶片(SoC)將能實現混合網路，滿足橫跨智慧家庭、工業市場的智慧能源和物聯網裝置串連需求。

全面轉向SoC/SiP架構　無線MCU推動通訊大融合

為實現家庭自動化應用，以及多元聯網技術融合要求，德州儀器(TI)、芯科實驗室和意法半導體等晶片商已利用系統級封裝(SiP)或SoC設計，大量推出整合多協定無線收發器的無線MCU，以降低系統物料清單(BOM)成本、元件數量、功耗和整體設計複雜性。

Batey強調，低成本對智慧家庭應用至為關鍵，舉例來說，家庭安全系統須安裝大量感測器，一旦系統成本太高就沒辦法刺激用戶埋單；而低功耗設計也不容忽視，因為感測器透過無線連接及電池供電可省去拉線工程，大幅降低系統安裝複雜度。也因此，無線MCU在推動智慧家庭應用發展上的重要性將與日俱增。

隨著多元通訊協定相繼登場，無線MCU開發商也加緊研發SiP和SoC技術，從而堆疊32位元MCU核心，以及更多Combo通訊晶片，甚至進一步支援有線傳輸方案。

Batey透露，目前芯科實驗室最新無線MCU已採用Cortex-M0+核心，並整合Sub-GHz、ZigBee和藍牙低功耗收發器，以及可增進能源效率的周邊反射系統(PRS)機制，同時還內嵌快閃記憶體(Flash Memory)，提升即時反應及處理能力。下一步將朝向支援更多通訊技術的方向發展，將在SoC架構中構建高效能32位元MCU、無線電子系統和射頻(RF)收發器。

優化聯網裝置/人機介面　DSP輔助晶片強勢出擊

隨著智慧家庭通訊機制益趨成熟，系統業者已開始將目光轉向其他加值應用功能，如聲控、手勢控制、臉部偵測和機器視覺等新興人機介面開發，因而驅動MCU業者加速導入高效能、低功耗數位訊號處理器(DSP)核心，從而擴充運算能力。

圖5　CEVA市場拓展副總裁Eran Briman認為，DSP核心未來將與各種處理器結合，驅動系統性能攀升。

CEVA市場拓展副總裁Eran Briman(圖5)表示，DSP處理器核心能被整合進單一晶片解決方案中，搭配MCU、繪圖處理器(GPU)或其他片上(On-chip)資源及處理引擎等，可協助晶片商更有效設計出輔助晶片(Companion Chip)，進而增強整體系統的性能表現，並免除混合訊號SoC成本。近期在智慧家庭火速發展的驅動下，各種音訊和影像相關應用的輔助晶片也已變得愈來愈普及，成為原始設備製造商(OEM)實現產品差異化和加值功能的重要推手。

Briman更指出，DSP-based輔助晶片對縮減系統功耗亦大有助益，透過CEVA DSP核心內建的功率調節單元(Power Scaling Unit, PSU)專用技術，可提供智慧功率管理及支援時序電壓縮放功能，以顯著減少處理器運作功耗。

Briman認為，未來DSP主要市場推動力將來自新興通訊標準和自然人機介面應用，如先進長程演進計畫(LTE-A)和Wi-Fi 802.11ac，以及聲控、高階成像應用和電腦視覺等，這些新功能往後在智慧家庭中均將占有重要地位，進一步刺激DSP或相關的出貨翻漲。

特別在智慧家庭通訊網路方面，由於須兼容各種標準，包括G3、PRIME、G.hnem及IEEE1901.2等有線方案，以及藍牙低功耗、ZigBee和Wi-Fi等無線功能，晶片商必須運用DSP架構，並建立一個基於軟體的運算方法，以在支援更多通訊協定的前提下，縮減晶粒尺寸和功耗，進而協助系統業者快速建構低成本的智慧家庭網路。