擁抱新商業獲利模式　家庭閘道器走向智慧平台化

Alexa, How's the weather today？這句話逐漸在歐美各國的家庭中普及，人們早上起床若想知道天氣狀況，開始會優先以語音的方式詢問Echo天氣狀況，取代手機搜尋或是觀看電視的模式。 

Echo與Alexa的相互作用，為家庭中的使用者帶來新的體驗，基本功能包含行事曆提醒、鬧鐘等簡單的生活資訊查詢、做一些簡單智慧家庭的感測節點控制，以及提供一些Amazon生態圈裡面的商品查詢和購物等應用。Echo可說是家裡面的管家、中央控制平台，也可說是在物聯網(IoT)趨勢發展下新一代的家用閘道器，刺激傳統閘道器廠商和服務供應商競相投入相關市場，更帶動晶片商砸重金開發新品，促進智慧家庭應用市場快速成形。

Alexa只是開始　中國家用閘道器生態崛起

看好Alexa在智慧家庭的發展，近期在中國大陸也掀起一波「陸版」Alexa風潮。中國雲端服務商百度與阿里巴巴相繼開發可媲美Amazon Alexa的嵌入式語音系統及服務，分別推出DuerOS和天貓精靈(Tmall Genie)語音助理，並攜手各大晶片業者共同擴大生態系統。 

舉例來說，百度與高通(Qualcomm)攜手於Snapdragon行動平台上優化用於智慧型手機的百度DuerOS對話式人工智慧(AI)系統，包括全新問世的Snapdragon 845行動平台。這項策略合作將結合雙方在AI累積的經驗與專業，優化DuerOS與高通Aqstic硬體及軟體，針對全球智慧型手機與物聯網裝置支援完整的AI語音與智慧助理解決方案。 

另外，日前恩智浦(NXP)也與阿里雲Link宣布合作，雙方將以現有合作為基礎，針對物聯網應用進行全方位合作，共同為物聯網安全提供強大的防護；透過在NXP的i.MX處理器與Layerscape平台上，整合AliOS Things物聯網作業系統，成功合作開發智慧零售、智慧家庭、智慧音箱等解決方案。 

事實上，智慧家庭是由智慧終端裝置、物聯網閘道器與雲端服務平台整合而成的應用，而物聯網閘道器作為銜接終端裝置與雲端的媒介，需要具備怎樣的能力呢？當終端聯網裝置數量大量攀升，當龐大的感測資料等著發揮效益時，物聯網閘道器扮演怎樣的角色，其產品設計又該何去何從？

圖1 恩智浦(NXP)數位網路事業部全球產品經理張嘉恆強調，新一代物聯網閘道器須走出提供硬體服務的思維，以服務為原則走出新商機。

一般而言，提供物聯網閘道器的廠商可能是傳統做閘道器的設備商，也可能是服務提供商；前者的商業模式大多是消費者直接購買閘道器，並使用閘道器內建的功能，而後者則是除了設備之外，還提供各種應用服務。這兩者之間最大的不同在於「服務」的供應，隨著智慧裝置的多元發展，閘道器的供應商必須思考，除了設備之外，還可以提供消費者甚麼加值服務，讓消費者願意負擔額外的費用

滿足閘道器彈性調整空間　晶片商打造通用平台 

恩智浦數位網路事業部全球產品經理張嘉恆(圖1)認為，若要滿足上述家用場景應用情境與商業模式，在技術層面並非太困難，主要是思考如何提供一個讓不同服務供應商或設備商很容易使用的平台，來滿足使用者想要的應用場景。 

張嘉恆談到，服務供應商與設備供應商都需要有一個通用的平台，主要是因為硬體汰換速度飛快，而服務供應商與設備供應商會希望盡量保持自身軟體完整性，不用為了配合不同硬體平台，重新調適軟體設計；也基於此，設備商期望有一個標準的軟體架構，可以一體適用於不同平台上，這時候要保持這種彈性，就需要有通用的底層軟體(韌體)，以兼容不同硬體架構。 

再者，一般而言服務供應商都有自己的本身的應用程式，當這些服務供應商走向軟體公司的體質，就會衍生出自己一些原生軟體業務，故這些服務供應商會希望運用現成就緒的硬體平台，能夠很快將這些業務送到家庭用戶的手中。 

為了滿足服務供應商所需要的硬體平台，NXP致力於開發一個通用的軟體架構，這個軟體架構可以納入開源架構(Open Sourse)，也可以與主流軟體架構環境兼容。 

張嘉恆表示，系統設備商及應用軟體開發商，也希望藉由開源軟體開發社群的力量，盡可能將中層軟體平台及應用軟體接口標準化。目前比較主流的架構，包含傳統閘道器的OpenWrt，或者是現在一些虛擬機的工具例如KVM(Kernel-based Virtual Machine)、Linux Containers。NXP花費許多時間在移植(Porting)上述幾個韌體架構，同時也進一步強化該公司晶片裡面的加速及架構上面的特點，期能透過通用的軟體接口，開放給上層的軟體使用。 

除此之外，德州儀器(TI)近日亦宣布SimpleLink微控制器(MCU)平台整合了全新Amazon FreeRTOS作業系統，幫助開發人員快速且安全地將物聯網端點連接到雲端。亞馬遜雲端運算服務平台(AWS)與德州儀器合作開發軟硬體整合解決方案，使開發人員能夠快速建立與AWS物聯網服務的連接功能，立即開始系統開發。 

德州儀器SimpleLink Wi-Fi無線MCU產品經理Mattias Lange表示，建立一個物聯網解決方案需要嵌入式系統、軟體整合和雲端運算開發方面的專業知識，但這些專業領域在傳統上相互獨立。該公司一直與AWS密切合作，透過提供端對端的開發平台幫助整合其中的複雜問題。延續這樣的合作關係，將Amazon FreeRTOS整合至SimpleLink MCU平台中，幫助開發人員能夠更快速操作並專注於創新研發的物聯網產品中。 

張嘉恆表示，家用物聯網閘道器性能要求不高，在過去該公司運作的實際專案中，閘道器的處理器效能門檻不高，通常僅須單核或雙核的架構，就可充分因應支援家用場景，但若是需要滿足前述語音辨識等應用需求，處理器效能基本上就需要用到四核心，或者是在平台內加入特殊的加速單元。但整體來看，家用閘道器最大的關鍵重點，是在於如何能夠發展新的運營模式，激發出新的獲利機會。 

整體而言，現在於人工智慧(AI)的應用，通常會透過特別的加速引擎，來滿足AI運算所需要的效能。張嘉恆認為，真正實現AI功能的技術是矩陣運算，如何強化矩陣運算的加速可透過現場可編程閘陣列(FPGA)、中央處理器(CPU)、繪圖處理器(GPU)或者是專門的加速引擎來滿足矩陣運算的效能，但實際上的運作效率則會有所差別，若採用CPU來實現矩陣運算，可能需要花費更多資源來達成與其他方式相同的效果。 

終端產品多樣化　智慧家庭通訊協定滿天飛 

另一方面，除了打造通用的硬體平台之外，如何將接收到的資訊回傳到雲端以及終端裝置，也是晶片設計過程中，需要考慮的要點，尤其是在物聯網時代下，充斥著各種通訊協定；例如在智慧家庭應用中，聯網技術就包含了Wi-Fi、藍牙(Bluetooth)、ZigBee以及Thread等協定。根據GSMA報告指出，2012年，一個家庭平均有8個終端裝置會連結到Wi-Fi路由器(Router)，至2020年時，聯網裝置數量將高達50個。

圖2 芯科科技資深策略行銷經理Jason Rock表示，各種聯網標準充斥於智慧家庭場域，確保通訊協定共存單一環境為一大挑戰。

家庭閘道器不僅須支援五花八門的聯網標準，還要具備更聰明的智慧功能以滿足消費者應用需求。 

芯科科技(Silicon Labs)資深策略行銷經理Jason Rock(圖2)表示，由於物聯網的迅速發展和普及，該公司已看到一些物聯網閘道器和路由器，逐漸在家用與辦公室的場域中開枝散葉。這也意味著傳統閘道器製造商和新進廠商像是eero開始發表閘道器產品，其運用的標準協定不僅是支援乙太網路(Ethernet)和Wi-Fi來傳輸網路數據，同時還可支援以物聯網為目標的無線通訊協定，包含ZigBee、Bluetooth、Z-wave和Thread等新標準。這些協定可以將諸如基於電池的門窗感測器、無線運動感測器和智慧照明等終端節點互連起來。 

而這些新型物聯網閘道器產品設計並非全無挑戰。Rock談到，大多數物聯網協定運行於2.4GHz ISM頻段，需要有經驗的射頻工程師設計這些無線電，以確保各種訊號可以在這樣的小空間內與其他頻率共存。接下來的挑戰是確保閘道器的系統單晶片(SoC)裝置具有足夠的I/O來互連這些無線電設備。所幸大多數的SoC採用通用非同步收發傳輸器(UART)或串列周邊介面(SPI)設計，但為了增加連結數量，可能會導致閘道器製造商不得不選用體積稍微大的元件，以便可以支援到四個UART或SPI，而非只有一兩個。 

Rock進一步指出，雖然一些產業分析師預測物聯網最終將底定於一個或兩個無線電標準(如Wi-Fi或藍牙)，但事實上，這些無線電標準(包括ZigBee和Thread)均服務於特定的物理用途。舉例來說，Wi-Fi的特性是在筆電或智慧手機類型的運算裝置中，可靠地傳輸大量的數據資料；而ZigBee則是專門處理網狀網路類型的應用，且該協定要求低功耗、低傳輸數據的效能。單一裝置滿足多樣化的無線網路技術的需求已成為產業亟欲解決的問題，而在市場上已看到新的無線產品，開始整合多協定無線收發器，紓緩多樣化無線技術帶來的挑戰。

像是日前Silicon Labs為其Wireless Gecko系統單晶片和模組產品組合發表新動態多重協定軟體，不僅可同時在單一SoC上運行ZigBee和藍牙低功耗，並提供此兩種協定的關鍵應用優勢。不僅如此，該方案省下了雙晶片架構的額外複雜性和硬體成本，進而能將無線子系統物料清單(BOM)成本和尺寸降低達40%。

嚴防個資外洩　高效安全防護不可少

Alexa的語音辨識為消費者帶來個人化的使用體驗，也為服務商帶來新的獲利模式，但背後所辨識出來的資料，無一不是個人化的隱私資訊；為了杜絕個人資訊外洩，做好高度安全防護的工作勢在必行。 

圖3 德州儀器行銷與應用嵌入式系統總監詹勳琪談到，物聯網閘道器的安全防護是設計過程中，不容忽視的必要條件。

德州儀器行銷與應用嵌入式系統總監詹勳琪(圖3)談到，做好有效的物聯網的安全防護，首先必須確認哪些是駭客入侵時容易下手及希望竊取的資訊，其中包含個人身分資料，像是指紋與金鑰、數據資料和軟體資料等，皆為駭客希望竊取的內容，而最易遭入侵的環節則在於儲存與無線傳輸過程。 

詹勳琪表示，德州儀器Wi-Fi CC3220無線MCU開發於新型的架構上，在單晶片上擁有兩個物理隔離的執行環境。該平台包含了如安全儲存、複製保護、安全啟動和網路安全等豐富的嵌入式安全特性，並為開發人員提供強大的工具，幫助他們在無需使用外部安全MCU或元件的情況下，保護IoT裝置免於受到智慧財產權(IP)、資料竊取和其他風險的侵害。 

詹勳琪進一步提到，由於該平台為整合兩顆MCU的異質整合的系統單晶片，第一層MCU已內建既有Cortex M4的硬體加密引擎的高安全防護，而第二層的網路處理器的部分，也有其相對應的網路存取保護機制，例如在SSL/TLS與安全內容傳輸的安全保護之外，各個裝置與裝置之間還有裝置身份(Device Identity)識別機制，在區域網路層也有個人化和企業化安全維護與HTTPS服務的機制等防護措施；此外，兩顆MCU是透過SPI介面互通，採用平行運作的方法，故駭客更難以攻擊入侵，而這也為德州儀器MCU極具優勢之處。 

整體而言，詹勳琪認為，物聯網的無線通訊技術主流包含Wi-Fi、Bluetooth與Sub-1GHz等三大類型的無線通訊技術，其中，藍牙技術本身採取點對點的傳輸模式，連結的裝置大多是家中個人化產品，被駭客入侵的機率較低，加上設計成本的考量，因此目前在安全防護機制的措施，大多為軟硬體加解密或外接處理器的方式；相較之下，Wi-Fi本身除了提供聯網功能外，亦有可能扮演家中閘道器互連角色，因此對於安全防範的需求仍處持續上升之發展態勢。

突破硬體思維桎梏　強化生態鏈走出新天地

歷經時代更迭，閘道器的角色已由過去單一接收、傳送的角色，轉變成為以服務為導向的中樞角色，投入的廠商期能透過新的商業模式，來激發出更多的經濟效益。 

當新一代的閘道器走入家中，消費者還會有很大程度產生訂購(Subscribe)新服務的需求，而這些服務可能需要保有不斷進行更改、變動的空間，基於此，其應用層設計須具備動態調整的能力；假設閘道器由電信商所提供，電信商可能每個月會推出新的服務需要及時推送到終端消費者的家中。 

整體架構來說，新的閘道器硬體架構還是屬於嵌入式系統，但表現出的服務型態，可以說是越來越像一個小電腦的感覺；這也意味著，新的閘道器更優化使用者介面，並兼具隨時更改服務內容的能力。 

以目前市場走向來看，大多是由雲服務商主導物聯網閘道器。究其原因，在於雲服務商大多是電子商務起家，其先天優勢就是擁有較完整的生態系統；而設備商主要提供設備，所以在生態環境的布建上面，尤其是在內容服務規模上相對比較欠缺。在新型態的物聯網閘道器設計與服務趨勢下，合力組成更龐大的生態系統，提供更多元化的服務應用才是王道。