無線感測網路潛力無窮　微控制器應用創新局

根據iSuppli調查，2012年全球微控制器(MCU)市場將從2007年的24億美元增長到36億美元，商機龐大，可見一斑。而問世已久的微控制器，除已在通訊、汽車、消費性電子與工業控制等領域普遍應用外，近來更成為感測網路(Sensor Networking)不可或缺的關鍵元件，為微控制器在無線通訊領域開創嶄新的應用機會。近期多家業者也紛紛推出適用於感測網路之微控制器產品，更加刺激業界對相關議題之重視。  

圖1　美普思處理器事業群策略行銷經理Ian Anderton表示，微控制器與無線通訊網路同時演進，兩相結合後未來商機不可限量。

其中又以無線射頻辨識系統(RFID)、IEEE 802.15.4、汽車胎壓監測系統(TPMS)與資訊科技周邊產品的人機介面(HID)等感測網路應用的市場規模最為龐大，因而備受相關業者重視，並戮力突破微控制器方案在功耗、輸入輸出(I/O)、記憶體容量等特性的表現，以滿足各種感測網路的應用需求。  

結合微控制器　感測網路有潛力  

美普思(MIPS)處理器事業群策略行銷經理Ian Anderton(圖1)指出，現今的工業設備相互連接的程度愈來愈深，不管是在大樓內部或外部，高速網路的存在性皆已毋庸置疑，也因此，無線感測網路的市場將呈倍數成長。Anderton透露，微控制器具有低功率、低成本、尺寸小巧等特性，再加上高性能，因此在無線感測網路的應用上極具價值。  

事實上，從近期8位元到32位元的微控制器演進，即可看出其一路緊跟無線網路在性能和可用性上的需求。諸如RFID、Zigbee到使用藍牙(Bluetooth)的行動電話等，皆為顯例。  

開放/專屬標準互相拉扯　感測網路成長有限  

一般來說，可將感測網路拓撲歸類為點對點、樹狀、星狀與網狀(Mesh)等四大類，而點對點網路拓撲支援網路個別節點的單向或雙向連接，也就是說，各節點只有在彼此範圍內才能進行通訊。樹狀網路拓撲的網路節點則具有上層節點的從屬結構，而其網路位址類似IP位址，有助於資訊傳遞。至於星型網路則由單一節點做為網路中央控制器，負責各種網路管理控制。不過由於星型網路需要中央控制器以維持網路的通訊，因此一旦中央控制器節點故障，整個網路便會癱瘓。  

網狀網路一般是指每個節點都有兩條以上路徑的網路，而完全網狀連結網路的各個節點則能夠與網路的其他各個節點直接連接。不過，在現實中，完全網狀連結網路很容易將網路規模限制在最弱裝置的最小範圍，因此大多會退而求其次，追求網狀網路及完全網狀連結網路間的平衡，亦即由一個節點做為網路的中央控制器，而以樹狀結構配置節點，並管理節點間的連接。在這樣的情形下，若某個節點或中央控制器故障，可犧牲部分的網路操作，但整體網路仍可持續運作。  

從通訊標準來看，則可簡單畫分為開放標準與專屬標準兩大陣營，兩者多以電子電機工程師學會(IEEE)802.15.4通訊協定為基礎，再延伸出各自技術特性。  

IEEE為後盾　低功耗無線標準802.15.4順利問世  

IEEE 802.15.4標準是由IEEE 802.15 Task Group 4所開發的低功耗無線網路標準。此標準的目標是提供低層的無線個人區域網路(WPAN)，其中特別注重低成本、低功耗與長壽。該標準在2003年發表，修改後成為今日的2006年版本。此標準鎖定家庭自動化、工業控制、農業及安全市場等區塊的應用(圖2)，並有ZigBee及ZigBee Pro等其他通訊協定進行搭配。其通訊協定堆疊如圖3。

資料來源：飛思卡爾 圖2　ZigBee在工業上之應用圖示

資料來源：IEEE 圖3　IEEE 802.15.4通訊協定堆疊

IEEE 802.15.4標準也稱為媒體存取控制(MAC)標準，因為這項標準可定義網路中任何兩個同級裝置之間的通訊協定。事實上，MAC一詞只是指IEEE 802.15.4標準的資料連接層，實體層的定義為在歐洲868MHz、美國915MHz及全球工業、科學及醫療(ISM)頻帶中運作的無線射頻之間的實體連接。  

實體層最終會以直接序列展頻(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)無線射頻調變在網路的兩個節點間傳遞資料，並針對868/915MHz通道指定20或40kbit/s的通訊資料傳輸速率，或針對2.4GHz運作通道指定250kbit/s的通訊資料傳輸速率。  

這樣的定義，明確指出網路節點的功能需求，例如接收器功率偵測、連接品質指示、明確通道評估及定址機制等。值得一提的是，IEEE 802.15.4定出64位元IEEE定址，以及能夠在網路啟用多達六萬四千個節點的16位元網路位址。  

透過IEEE的完整定義，在經過正確的應用考量後，此標準不用經過修改，便能成為可靠的通訊方法。因此，包括開發者若欲沿用業界標準的實體層及低層通訊協定、或須要能夠自行設計高層通訊協定、須要能夠自行選擇不同的硬體廠商及低層軟體廠商、希望實體層與低通訊協定層可互通、期盼降低設計及開發成本或是由其他廠商/供應商進行支援及維護等，設計人員都應考慮採用IEEE 802.15.4標準。  

另外，開發人員也應接受高層通訊協定及應用的設計與開發、起因於標準的無線射頻通道限制等缺點。  

要特別強調的是，IEEE 802.15.4中沒有任何指定的加密方法，但相容的軟體平台能便於使用者進行高層級實作時運用對稱加密的方法。因此，使用者可將本身應用所使用的安全性方法提升至最佳狀態。  

簡單介紹完IEEE 802.15.4以後，眼尖的讀者可以發現，由於感測網路極為重視各節點之間的訊號傳遞與資訊互通，因此通訊協定的相容與否，也成為一大門檻。然而，矛盾的是，儘管業界都看好感測網路的市場商機，對於推動國際統一的相容性標準卻是興趣缺缺。而業者推遲的主因之一，正是成本議題。  

一般來說，推出專屬解決方案的公司都會收取成員費用或授權費用，開放通訊協定如ZigBee雖不收取授權費用，但是須要繳交ZigBee聯盟(ZigBee Alliance)的會員年費、進行檢定也需要時間及金錢成本。此外，若採用晶片廠商的專屬通訊協定，還必須使用該廠商的裝置。  

ZigBee酌收授權費　業者不領情  

以感測網路為例，目前最受矚目的開放式通訊協定非ZigBee莫屬。ZigBee是一種無線網路通訊協定，底層採用IEEE 802.15.4標準規範的MAC層與實體(PHY)層。主要特色有低速、低耗電、支援大量網路節點、支援多種網路拓撲等。且ZigBee是ZigBee聯盟所推動，而該聯盟是由眾多投入於無線業界推廣此一標準的公司所組成。  

該技術也獲得市調單位青睞，如ABI Research資料指出，ZigBee在2005～2012年的年複合成長率(CAGR)達63%，並可望在2012年突破3億美元的市場規模。  

ZigBee最常進行的為非同步通訊標準，也由於採用IEEE 802.15.4標準規範，因此具備關於IEEE 802.15.4中的所有功能，且ZigBee也鎖定與IEEE 802.15.4相同的市場區塊。此外，對於尋求保證幾近100%成功的訊息傳遞、簡便的大規模網路整合及裝置互通性的使用者而言，此標準也提供多項優點，同時也針對IEEE 802.15.4標準無法直接解決的許多高層級網路問題提供解決方案。  

德州儀器(TI)MSP430產品行銷經理Kevin Belnap指出，ZigBee的優勢不少，例如沿用IEEE 802.15.4標準的實體層及低層通訊協定，讓其互通性極為顯著、具有標準高層通訊協定，如提供網狀拓撲及多重節點等、互通程度達到應用層(即公共設定檔)、由於著重於應用，因此僅需最少的設計與開發、開放標準帶來支援與維護廠商/供應商之間的高度競爭等。  

Belnap說，上述優點，都是ZigBee獲得業界廠商支援的主因。然而，不可否認的是，ZigBee也有其缺點，且大多圍繞著「成本」打轉。舉例來說，參加ZigBee聯盟需要成員費用、獲得通訊協定相容認證需要檢定成本，且上述過程都需要時間，在「時間=成本」的今日，不少業者根本不願花費時間在等待上述認證上。  

另外，在技術特性上，ZigBee限制了程式碼大小，但可能會有使用者不使用的功能、ZigBee同樣限制無線射頻通道，讓使用者僅限於IEEE 802.15.4指定的通道，無一不讓設計人員掣肘處處。  

Belnap強調，ZigBee通訊協定本身有些功能不易完全用在各項應用，業者須要在自家解決方案中增加記憶體資源才能達成。此外，在某些狀況下，記憶體及資源需求會受限於終端應用。因此，某些公司已推出整合式微控制器的無線射頻裝置，其中預先載入ZigBee軟體堆疊，而部分運作則由另一個應用專屬微控制器的應用程式介面(API)來控制。Belnap認為，由於應用微控制器不需要通訊協定的記憶體和資源，將進而使其他應用的功能有效發揮。  

資料來源：德州儀器 圖4　德州儀器低功耗微處理器產品

ZigBee的優勢除了低功耗之外，還包括支援多種網路拓撲、多節點等特色。因此，也特別適合應用在家庭燈光控制、建築物的煙霧監控或是其他多點應用。  

據悉，德州儀器針對感測網路技術開發出不同產品線，如CC2430與CC2431以小尺寸與高整合度為主要特性，但需要客戶自行開發軟體程式；至於追求低功耗與並存性的廠商，則由低功耗微控制器MSP430(圖4)加上射頻收發器CC2420或CC2520，以滿足ZigBee應用需求。  

延續ZigBee的應用特性，CC2480適用於家庭和建築自動化、工業用監視和控制、資產追蹤、低耗能無線監測網路、機上盒(STB)、遙控、自動化量測和醫療應用等方面所需的ZigBee無線網路系統。  

自創架構有優勢　業者堅持專屬標準  

儘管對ZigBee並不排斥，不過不少業者仍堅持自有專屬標準。舉例來說，德州儀器雖然在今年4月發表Z-Accel系列2.4GHz ZigBee認證網路處理器中的首款產品，但該公司在專屬標準SimpliciTI上的動作也未曾稍歇。  

Belnap說，對於SimpliciTI及其他大部分現有低層級實作而言，適合的應用可能具有下列其中一項需求：須要能夠自行設計高層通訊協定、低於專屬解決方案的設計及開發成本、使用可用的低層通訊協定，以便於立即實作與部署。當然，也就須要接受如高層通訊協定及應用的設計與開發、矽產品廠商可能提出的硬體需求、可能須要支付授權費用或成員費用給開發出標準的多家公司組成的組織等缺點。  

此外，在產品的推出腳步、技術規格的制定，甚至在應用市場的定奪上，另一專屬標準Z-Wave也都領先一步。Z-Wave同樣瞄準家庭控制自動化領域，且由於Z-Wave在PHY層、MAC層上都毋須倚賴IEEE，因此在腳步較ZigBee來得快速。如當年ZigBee陣營還在進行互通性測試時，Z-Wave的主要晶片供應商Zensys早已推出兩款Z-Wave控制晶片，搶占市場商機。  

Z-Wave是晶片及軟體開發商Zensys與另外七十餘家公司共同推動的技術，以推動在家庭自動化市場採用Zensys的Z-Wave無線協定。不過，雖然該陣營在技術進展上較快，但由於目前晶片技術仍多由Zensys單一廠商主導，因此也常出現反彈聲浪。  

相較之下，ZigBee聯盟超過一百四十家的陣容，再加上晶片供應商一字排開，包括知名廠商愛特梅爾(Atmel)、Chipcon、Ember、飛思卡爾(Freescale)、微芯(Microchip)、德州儀器等業者都有相關解決方案，其實力仍不容小覷。  

而除了時效性與成本之外，對自家標準的信心，也是業者不願加入開放性標準的一大因素。日前賽普拉斯(Cypress)推出嵌入式控制應用產品2.4GHz解決方案CyFi Low-Power RF(圖5)，就是看好自家產品在抗干擾能力、智慧型電源管理、易用性及高彈性與整合性的優勢，要與其他感測網路解決方案一決高下。

資料來源：賽普拉斯 圖5　賽普拉斯嵌入式控制應用產品

圖6　賽普拉斯台灣區總經理鄧俊生表示，ZigBee開放協定成本既高，效能也未較為突出，因此該公司並不打算投身該領域。

賽普拉斯台灣區總經理鄧俊生(圖6)指出，相較於ZigBee，該公司自有的2.4 GHz解決方案不但較為穩定連結、功耗較低，更具有較長的傳輸範圍，再加上可與該公司特有技術可編程系統單晶片(PSoC)相結合，因此從技術層面來看，完全沒有步入開放式陣營的必要性。  

據悉，CyFi Low-Power RF解決方案內含PSoC Designer嵌入式設計軟體中的CyFi通訊協定堆疊，選定的PSoC元件及CyFi收發器等，並特別針對抗干擾能力進行加強，包括DSSS調變機制，及能彈性轉移至2.4GHz頻段中八十個頻道間的變頻特性，都是讓賽普拉斯得以自豪並與競爭對手相抗衡之處。  

鄧俊生透露，此新款解決方案可針對目前眾多應用中的低功耗無線感測器網路及人機介面提供最佳化方案，其中包括住宅與建築物自動化、遠端遙控、醫療與健身器材以及工業監控等設備。  

通訊整合無必要性　各立山頭仍將持續  

資料來源：德州儀器 圖7　德州儀器亞洲區市場開發MSP430/C2000產品經理陳俊宏認為，儘管商機處處，但在真正的殺手級應用出現以前，微控制器在感測網路上獲得成功還要一段時間。

除了從技術層面來說，各家業者紛紛認為自家產品不落人後外，從無線感測網路的應用環境來看，多數重要應用的先天性質，也都限制了通訊標準的互通必要性。  

德州儀器亞洲區市場開發MSP430/C2000產品經理陳俊宏(圖7)透露，以感測網路的發展趨勢來看，包括家庭自動化、工業自動化與工業控制都是大宗潛力應用，而感測網路結合照明設備的節能裝置，也是一大商機所在。但上述應用，也都沒有須要統一整合的必要性。  

陳俊宏說，在家庭自動化部分，系統業者多半看好手機、手錶等個人隨身物品結合感測網路，並進而延伸出家用照明、空調設備的自動控制。但由於建築物內自動控制系統並不須要與外部環境連結，因此系統與晶片業者都不積極研擬廠商間的互通方案。  

再看工業控制部分，自動抄表(AMR)與安全控管領域，由於關係到數據正確與安全與否，因此感測網路的商機仍在，但「整合」觀念同樣在此不受歡迎。陳俊宏解釋，水電等公用事業不會願意水表或電表被輕易入侵，因而蒙受損失，因此技術愈冷門愈好；在工控安全端也是同樣道理。

舉例來說，在工廠常見的資料記錄器，可能需要每5分鐘記錄一次廠房之生產資料，且資料必須確實可靠。由於有線系統不切實際，因此感測網路即可在此大展身手。但由於相關資料僅供廠房運用，甚至唯恐系統被破解、資料遭竊取，因此自然不願採用開放性標準。  

不過，Belnap透露，商機勃勃的住家保全網路，由於可能須要安裝多種不同的感應器，包括煙霧感應器、瓦斯外洩感應器、動作感應器及門禁監控感應器等，且各個感應器須與基地台進行通訊，基地台再與保全公司進行通訊，因此就適合ZigBee等通訊協定，才能達到互通性、可靠性與安全性的平衡。  

效能需求差異大　高低階微控制器各擅勝場  

談到微控制器的演進，就勢必會討論微控制器在不同位元上的進展。近期微控制器朝向8位元與32位元的兩極發展，以及16位元微控制器的市場保衛戰，都是業界津津樂道的話題。  

如美普思就提供32位元微控制器處理器核心，並以硬體和軟體開發工具以減少開發困難並且加快上市時機。Anderton說，客戶可以運用採用低功率的MIPS32 M4K核心(圖8)，並在8位元微控制器的價格下獲得32位元微控制器的效能。 Anderton同時指出，由於今日32位元微控制器使用廣泛的類比IP區塊，因而該公司也已完整嵌入式周邊設備如通用序列匯流排(USB)和高畫質多媒體介面(HDMI)、音頻、影像與視頻解碼數位類比轉換器(DAC)、觸控式螢幕控制器和通用類比數位轉換器(ADC)等。

資料來源：美普思 圖8　美普思MIPS32 M4K核心架構圖

Anderton透露，該公司不僅授權IP核心，也授權32和64位元架構。今日的64位元架構多運用於高階通訊系統和高速/高頻寬的媒體平台應用中。由於64位元微控制器系統在3G和4G網路的多工應用中的確看到顯著的效能提升，因此他也預期未來發展將持續看好。  

不過，德州儀器就不對64位元抱持同樣樂觀的看法。陳俊宏指出，以現行架構來看，32位元幾乎可以滿足所有應用需求，「殺雞焉用牛刀？」將是必然的疑問。此外，當微控制器往上進展到64位元以後，雖然有可能較低位元的微控制器減少運算次數，但是隨著指令集愈趨龐大，開發人員可能須要事先內建作業系統(OS)才能針對微控制器進行開發，這些都是須要面對的問題。另外，位元數愈增，功耗如何維持低檔，也都是不可忽視的挑戰。  

相較於此，德州儀器獨排眾議認為，遭8位元與32位元夾殺的16位元微控制器，反而仍在未來頗有發展契機。陳俊宏透露，儘管4位元與8位元微控制器處理器因為不少IP授權過期，在成本上具有降價空間，但其效能仍難與16位元難以比擬；且從客戶的角度來看，若供應商能提供完整的解決方案，一舉整合周邊元件，仍能獲得客戶青睞。  

然而，矛盾的是，儘管業界同聲看好微控制器在無線通訊上的發展，卻由於感測網路領域受限於開放標準與專屬標準陣營不同調、找不到殺手級應用，又加上金融風暴衝擊，導致客戶投資心態保守；原油價格波動劇烈，直接衝擊車輛銷售量，也影響車商對汽車胎壓監測系統的採購意願。因此，即使微控制器結合無線感測網路可為日常生活帶來不少便利，但受限於投資趨緩，在在讓微控制器市場發展受到阻礙。  

相關業者也說，要看到微控制器真正大幅應用在無線通訊市場，還要再等等。