連結與控制兼得　短距無線整合晶片好上手

對於許多裝置而言，Wi-Fi並不是合理的連接解決方案，例如在聯網照明領域中，Philips以Zigbee來為其燈泡產品提供連接，其他廠商諸如Osram等也做出了同樣的選擇。在機上盒等等其他各個領域內，也有諸如Comcast等公司選擇Zigbee到乙太網路、Zigbee到Wi-Fi等方式。 

從過去12個月獲得Zigbee認證的新裝置的數量來看，第一大類就是Zigbee聯網照明，第二大類是Zigbee家庭自動化，兩者加起來占總認證數量的75%。聯網照明因為發展迅速，而成為關注的焦點。許多照明產業廠商多年來涉足Zigbee和Thread技術，例如Philips在聯盟中非常活躍，它以身為Zigbee聯盟的董事會成員定義了Zigbee的規範；Osram也持續支援Zigbee，但它則是身為Thread聯盟的董事會成員而積極致力於基於IP的連接。 

目前業界主要關注的還是Zigbee，Thread的訊息相對較少。儘管有許多公司致力於Thread，但是相關產品還沒有實際出貨，相反的Zigbee的出貨量非常大，而這兩個技術只是同樣的晶片和不同的軟體。當然還支援其他一些技術和標準，例如在今年稍後會推出的Bluetooth Mesh。 

Zigbee 3.0與Bluetooth 5 

預計Bluetooth Mesh將在市場上贏得一席之地。Bluetooth Mesh用的是大資料流程的Flooding Mesh，而不是路由方式的Mesh，它的工作原理是每一個節點以不斷重複的方式發送資料。對於Silicon Labs(當時是Ember)來說，在2003年就已經發佈了Flooding Mesh技術。 

採用Flooding Mesh的原因是這種技術非常簡單和易於使用，每一個節點不斷重複轉發資料即可。但是其缺點是可擴展性，特別是商業建築是不能使用Flooding Mesh的。另外，可靠性也是問題，因為其工作時很容易出現「吼叫」現象，造成通訊過程中大家都在吼叫。Silicon Labs同時提供了這兩大類Mesh技術，包括Bluetooth和Zigbee/Thread。 

現在的Bluetooth晶片是根據特定的應用和功能而設計的，它們與未來的Bluetooth Mesh晶片不同，所以Bluetooth Mesh晶片將與Zigbee/Thread晶片價格非常相近。 

Zigbee家庭自動化和Zigbee照明正在進行整併，並逐漸走向Zigbee 3.0標準。 

Zigbee 3.0相對過去的技術更簡單、易用，靈活性更高，並具有更好的用戶體驗，互通性和相容性也更強，更重要的是其提升了安全性。所有的Zigbee應用都會走向Zigbee 3.0。 

目前Zigbee 3.0市場應用正在萌芽。Zigbee 3.0將在很多方面提升，因為Zigbee照明和家庭自動化的廠商討論決定優化Zigbee的多項技術，並將可靠性和用戶體驗視為重要的目標。例如，過去一年中共完成了156個新的測試並強化互通性。也就是說，新的Zigbee因為使用者的許多裝置沒有螢幕來顯示狀態，便需要能立即連結網路，並且無論換上哪一家廠商的裝置，都能互通互聯。 

Zigbee 3.0的另一個重大提升是安全性，即可配置的安全性。就像Wi-Fi存取點的安全性設定一樣，可以設定為一種開放的Wi-Fi，也可以配置成為一種非常高安全性的Wi-Fi。Zigbee 3.0的安全性與此非常相似，裝置將在連接網路時採用使用者自己的安全設定。 

安全性相當重要，因為它在物聯網領域引發了越來越多的疑慮，所以需要不斷提升物聯網晶片的容量，同時軟體也就越來越重要。例如，很多低成本的Bluetooth晶片，是把軟體寫死在ROM裡面的，不能夠透過OTA進行升級而成本很低。這種方式也是可行的，但是因為晶圓廠生產出來後所有的功能都是固定的，就非常可能成為駭客攻擊的對象。面對駭客攻擊，能夠採用的最好手段就是升級軟體。同時，對於消費者來說聯網只是其預期的一部分，如果把軟體寫死在ROM裡面，在消費者需要去改變自己的應用時就無能為力了。 

舉例而言，大家在看到特斯拉要進行安全性升級的時候，可以理解這種昂貴的聯網車輛在安全性方面的考慮。但又如飛利浦也要去升級其聯網燈泡裡面的安全性軟體，大家就有可能覺得很奇怪，為什麼要這樣做。其實聯網車輛要確保安全性，聯網的飛利浦燈泡等裝置也必須確保安全性，兩者的重要性同等重要。 

強化網狀網路可靠、互通、安全特性 

在研究了物聯網的特性後，發現設備的可靠性、互通性、安全性是最值得關注的地方。對於Bluetooth Mesh來講，在這幾個部分還需要進行改善。因為對於Zigbee 3.0而言，從2007年推出Zigbee Pro時就一直在探討互通性等問題，也就意味著Zigbee Mesh已經進行了長達10年的優化。 

但是對於Bluetooth Mesh來講，這些將會是有趣的挑戰。Bluetooth設備製造商以前是不需要擔心互通性的，因為如果我是一家智慧手錶廠商，最重要的是讓智慧手錶和我的App連在一起，而不是我的運動追蹤器與你的App連在一起。所以，在這種情況下製造商擁有和控制了通訊的兩端，因此大多數Bluetooth用戶都添加了專屬的特性，因為互通性只限於我的設備和我的App。 

但是對於家庭中的Bluetooth Mesh，互通性就不僅限於我的裝置和我的App了，而是所有的裝置之間都能夠交流。這是一種有趣的觀念改變，而不是技術問題。Bluetooth的對話裝置互通性很差，使用者必須手動來設定這種連接，使用者必須自己設定電話與手錶之間的配對，這種情形是不用擔心互通性問題。但是在Mesh網路中呢？ 

現在越來越多裝置中有Wi-Fi和Zigbee，或者Wi-Fi和各種語音及視訊控制處於同一裝置中。所以許多設計中都同時使用了兩種協議，Wi-Fi和Zigbee的共存是一個非常重要的議題。我們對Wi-Fi和Zigbee的共存做了長時間的研究和大量的測試，將它們放在一個裝置中時，主要有三個問題： 

第一是這兩種協定進入同一個設備後，在有限的空間中相互緊貼時，射頻(Radio)部分的相互衝突；第二、Wi-Fi的發射功率高達20多甚至30多dBm，其嗓門很大可能會淹沒了Zigbee；第三是Wi-Fi總是以很高的速度、非常積極地傳輸資料，有可能把所有頻段都占據了，而且Wi-Fi用了很多備用頻段。當我們在實驗室裡進行測試時，Wi-Fi總是搶占了絕大多數資源。 

在實驗室裡，我們與Philips一起研究Zigbee和Wi-Fi的集線器(hub)，Wi-Fi總是搶奪了hub中的Zigbee通訊資源，Wi-Fi甚至占據99%的通訊資源，留給Zigbee的資源只有1%。如此可能造成封包的延遲，例如使用者在Wi-Fi推送視頻時想開燈，但因為沒有通訊資源不能馬上回應，這就會影響用戶體驗。 

解決方式之一是透過仲裁機制讓它們進行合作，以防出現過多的數據封包失效；因此它們之間在共存於一台裝置上時，實現了我在傳輸資料時通知你、你也在傳輸資料時通知我，然後再透過共用這些資料的機制，減少傳輸失敗和重傳，或是對彼此的干擾。透過在Wi-Fi和IEEE 802.15.4之間利用3條或者4條板上的連線，在設計中使其彼此協作。 

這種工作方式類似於手機裡面的connectivity晶片中，Wi-Fi和Bluetooth整合在一起的時候一樣。Wi-Fi最重要的是保證QoS，例如傳音訊、視訊的時候被打斷會讓消費者不悅，但是物聯網也是一樣，如果燈打不開，消費者也不愉快，所以大家就需要有一個協調機制。這種協調機制是以軟體的方式來實現的，IEEE也有一個802.15.2協議，但它只是一個指導性的標準。 

Wi-Fi晶片從批量、成本和使用方式等方面與Zigbee晶片有很大的不同，其製程已經很先進了，但需要有更大的外部快閃記憶體，通常也是功耗需求更高的晶片。所以它們有其適用範圍，否則物聯網裝置將必須每天充電。其與Zigbee晶片有不同的設計要求，因此必須支援很長的電池續航力；同時成本也不一致，Wi-Fi熱點裝置的價格，與燈泡的價格完全不同。為降低成本，也不支援802.11b/g/n這些不同的版本。 

整合Zigbee、Bluetooth、Thread的SoC晶片 

多協定晶片還有很多新的應用，比如同一個晶片上的Flash可以用來在不同時候運行不同的協定。例如在配置一個晶片時，我們的晶片一開始就有Bluetooth的協議堆疊，使用者用自己的手機以Bluetooth下載軟體來配置Thread等功能，配置完後便可以Thread協議堆疊重啟，所以透過使用同一個記憶體而不會產生額外的成本，可以從Bluetooth開始實現Thread的開發；如果要重新開發，則只需重新載入Bluetooth協議堆疊；如此既可實現以Zigbee來控制燈泡的目的，也可實現信標(Beacon)的功能。 

Silicon Labs的多協定晶片具備兩種共用的方式，一是可切換的方式，可以根據需求去進行重啟和載入；另外一種是動態性轉換，可以透過軟體在工作時即時進行兩種協議的轉換。當前，多協定晶片非常受歡迎，因為就用戶體驗而言，開發的複雜程度會大幅降低。 

後勢發展空間可期 

關於聯網設備，未來幾年將快速成長，因為多協定晶片產品已經使客戶能輕鬆地實現一些使用案例，同時成本也將會下降。擁有良好的互通性和可靠性是技術的重點所在，尤其是針對Mesh技術。對於消費性應用，這些特性都必需要具備。儘管Silicon Labs首先關注消費性應用，但802.15.4相關的協定和產品則預期會在不久的將來進入更廣泛的市場空間。 

(本文作者為Silicon Labs軟體產品副總裁)