兼具低功耗/小尺寸特性　WSN單晶片方案成顯學

晶片商戮力布局無線感測網路(WSN)市場。瞄準WSN的龐大商機，晶片業者已將目光放到整合微控制器(MCU)與射頻收發器的系統單晶片(SoC)研發，以提供簡單易用且低功耗的產品。無論已擁有射頻控制IC的微控制器業者，或是剛踏入WSN市場的新秀，皆使出渾身解數搶占市場一席之地。

MCU+RF系統單晶片大勢所趨　引發購併潮

有鑑於射頻收發器須要透過微控制器處理通訊協議(Protocol)，才能有效運作，加上目前WSN應用感測節點對於尺寸與功耗的要求越來越高，因此整合微控制器與射頻收發器的系統單晶片即成為廠商新的開發重點。

目前包括德州儀器(TI)與意法半導體(STMicroelectronics)皆已推出透過三維晶片(3D IC)技術的微控制器與射頻收發器整合產品；近期芯科實驗室(Silicon Labs)亦透過購併，催生WSN單晶片。

購併Ember　Silicon Labs打造WSN單晶片

看好WSN市場日益蓬勃，芯科實驗室收購Ember，強化2.4GHz技術的發展能力；再結合既有的sub-GHz技術與微控制器，該公司將可提供兼具低功耗、低成本與小尺寸特色的解決方案予市場。

圖1　芯科實驗室Broad-based產品線資深副總裁Mark Downing表示，混合訊號和標準CMOS數位技術，為該公司拓展WSN市場的利器。

芯科實驗室Broad-based產品線資深副總裁Mark Downing(圖1)表示，由於2.4GHz無線技術受到許多家庭聯網和智慧型能源應用的普遍採用，因此芯科實驗室收購Ember，取得2.4GHz技術和軟體平台，進一步擴展住宅、商業和工業應用等低功耗網狀網路和無線感測節點建置市場。

過去，為搶搭WSN商機，芯科實驗室透過微控制器、感測器、數位隔離器、無線和其他混合訊號技術等產品實現居家自動化、智慧能源等應用，甚至借助能源採集技術消除或減少WSN節點對傳統拋棄式電池的倚賴。

而購併Ember後，芯科實驗室可將混合訊號微控制器、感測器及sub-GHz和2.4GHz兩種無線射頻結合成單晶片解決方案，以滿足市場對於低功耗、小尺寸與高效能的需求。

事實上，WSN過去因種種阻礙而進展緩慢，包括需要超低功耗、絕佳的穩定性和非常廉價的零組件，以及缺乏廣泛採用的標準。Downing認為，隨著各家晶片供應商推出具成本效益、低功耗和小尺寸的元件，發展出可穩定連結的互通式連網，並建立廣為接受的無線網路標準，上述的障礙已逐漸被克服，因此未來WSN市場可望加速發展，而芯科實驗室也將以單晶片解決方案產品搶攻市場商機。

Downing強調，混合訊號是無線嵌入式系統(Embedded System)及感測網路在實現物聯網(IoT)時不可或缺的技術。雖然近幾年來，芯科實驗室開發出許多晶片與軟體實現物聯網的應用，但仍需要更多已經過驗證的無線網路和相關軟體的專業知識連結IP設備，因此透過Ember產品的加入，芯科實驗室將可搶占更多市場商機。

補足WSN方案　凌力爾特力拓能源採集新版圖

除芯科實驗室收購Ember外，看好能源採集與WSN結合的發展前景，凌力爾特(Linear Technology)也購併Dust Networks取得WSN技術，使能源採集可以無線方式進行。未來凌力爾特也將把收購後獲得的WSN技術與類比產品，廣泛應用於工業市場。

圖2　凌力爾特Dust Networks產品線總裁Joy Weiss表示，透過WSN網路架構，該公司能源採集方案即可發展新的應用方式。

凌力爾特Dust Networks產品線總裁Joy Weiss(圖2)表示，Dust Networks擁有以802.15.4e技術規範為基礎、專門應用於工業市場的WirelessHART技術，該技術具備低功耗特性，可滿足工業領域WSN對於超低耗電的需求，因此凌力爾特選擇收購Dust Networks，以期可將Dust Networks的WirelessHART與凌力爾特能源採集技術進一步結合，並放眼廣大的物聯網市場如智慧電表、工業自動化等應用領域。

事實上，結合WSN技術後，凌力爾特能源採集方案可過無線方式收集能源，讓工業應用中的無線感測節點可自行取得能源並供電，延長電池使用壽命。Weiss認為，未來無論是工業或其他應用領域，WSN節點結合能源採集技術將成大勢所趨，無線節點甚至毋須再更換電池。

Weiss強調，雖然凌力爾特在WSN市場為後進業者，但Dust Networks在WSN領域中已打下基礎，再加上凌力爾特在能源採集的研發經驗，以及WSN衍生的應用市場相當龐大，因此凌力爾特將可以提供具備能源採集技術的WSN產品予業界，而此亦為該公司在WSN與能源採集市場的重要競爭優勢。

值得注意的是，WirelessHART與ZigBee雖同樣採用802.15.4標準，且鎖定的應用大同小異，但兩技術仍有不同之處。Weiss解釋，WirelessHART與ZigBee最大的不同在於專為工業應用所打造，具備工業領域所需的可靠性，採用安謀國際Cortex-M系列微控制器，執行通訊協定。且其網路架構與ZigBee亦有所不同，網路節點允許透過能量採集的方式進行供電。

面對芯科實驗室與凌力爾特透過購併的方式積極搶攻WSN市場，並研發WSN單晶片解決方案，在WSN市場耕耘已久的意法半導體與德州儀器，亦戮力推出新的WSN產品。

ZigBee結合Wi-Fi、PLC技術

雖然目前WSN應用中，ZigBee扮演舉足輕重的角色，且具備低功耗與可架構龐大網狀網路的特性，但仍有所不足。因此為鞏固智慧能源市場地位，ZigBee聯盟(ZigBee Alliance)積極與其他通訊技術，包括無線區域網路(Wi-Fi)、電力線通訊(PLC)合作，藉由其他技術補足ZigBee的不足，近期德州儀器也進一步推出相對應的產品。

圖3　德州儀器亞太區低功耗無線行銷經理何國東表示，無線射頻技術與無線電的共存共榮，對ZigBee市場的發展相當重要，因此德州儀器順應市場需求進行產品開發。

德州儀器亞太區低功耗無線行銷經理何國東(圖3)表示，智慧能源領域中，無論是居家或是智慧電網(Smart Grid)，皆為ZigBee相當重要的應用，不過ZigBee在長距離的傳輸上仍較弱勢，且包括藍牙(Bluetooth)，以及也可布建網狀網路的低功率無線區域網路(6LoWPAN)紛紛搶進市場，多少危及ZigBee的地位。因此ZigBee與Wi-Fi和PLC進一步連結，不僅可讓智慧能源應用從內到外具備完整的通訊技術可運用，在智慧能源並無統一規範的狀況下，也可拉抬ZigBee獲採用的機會。

為鞏固市場，ZigBee聯盟已開始與其他技術合作，如Smart Energy Profile 2.0即結合ZigBee、Wi-Fi與PLC，以期打造更無縫的智慧能源網路環境，提高ZigBee在智慧能源應用中的滲透率。

此外，ZigBee節點運用Wi-Fi技術，也可進一步和雲端運算服務結合，開發更多元的應用。何國東認為，ZigBee具有低功耗特性並可溝通家用能源計量與終端裝置，Wi-Fi與PLC則是支援更高資料傳輸並已成為家用無線寬頻網路的標準。透過ZigBee與Wi-Fi技術，裝置廠商可使其產品符合智慧能源標準與開創新的使用者經驗，例如使用者可透過電腦與行動電話遠端控制家電，隨時隨地獲取即時電源用量資訊。

看好ZigBee與Wi-Fi結合的市場前景，德州儀器也推出ZigBee與Wi-Fi整合的晶片產品，並主打智慧能源市場。何國東指出，身為ZigBee主要的推展業者，德州儀器不僅持續強化ZigBee產品線，並推出整合微控制器與ZigBee收發器的系統單晶片，也發布整合ZigBee與Wi-Fi的產品，未來也將與德州儀器OMAP處理器及微控制器進一步結合。

滿足WSN應用需求　ST力推GreenNet平台

看準WSN應用裝置對於成本與功耗相當要求，意法半導體利用802.15.4技術，並整合Cortex-M3核心的32位元微控制器，推出支援802.15.4技術的WSN智慧家庭平台GreenNet。

圖4　意法半導體產品行銷經理楊正廉表示，目前正文、鴻海與環隆電氣已利用STM32與博通Wi-Fi晶片進行模組產品研發。

意法半導體產品行銷經理楊正廉(圖4)表示，由於802.15.4技術具備成本、功耗與可組成多網路節點架構等優勢，因此機器對機器(M2M)應用中對於功耗與成本相當看重的裝置，皆可以GreenNet進行研發。而GreenNet支援標準與非標準ZigBee規範，讓客戶以802.15.4架構進行WSN產品研發，具備一定的彈性。

一般而言，無線通訊技術皆須額外採用一顆微控制器處理通訊協定，再加上一顆射頻收發器晶片，但這種設計用於WSN應用時，將面臨尺寸、成本與功耗挑戰，因此繼德州儀器分別將ZigBee、Wi-Fi收發器與微控制器整合為單晶片的產品後，意法半導體GreenNet亦推出整合802.15.4與STM32微控制器的單晶片平台。

據了解，GreenNet採用3D IC技術整合STM32微控制器與ZigBee射頻晶片，以及內建感測器的太陽能充電電池，不僅功耗低，還可利用太陽能電池供應晶片運作所需的電力。楊正廉強調，先前WSN或其他具聯網功能的嵌入式產品中，多為微控制器與射頻雙晶片的架構，但目前市場對於晶片占印刷電路板面積的要求逐漸提升，促使透過Side by Side或3D IC封裝技術的高整合微控制器的誕生。

由於M2M市場尚未有統一的標準規範，加上各國政策考量不同，各式有線或無線通訊技術皆有機會分一杯羹，因此意法半導體未來也將推出整合STM32微控制器，與其他無線通訊技術的單晶片，如長程演進計畫(LTE)、電力線通訊(PLC)等。

事實上，意法半導體已與博通(Broadcom)及其他Wi-Fi晶片供應商合作，並透過矽品將微控制器與博通Wi-Fi晶片封裝為為單晶片方案，藉此搶攻Wi-Fi模組市場。楊正廉表示，意法半導體未投入研發的通訊技術，將藉由第三方合作夥伴的晶片來補足。

WSN的商機吸引晶片商爭相投入，並藉由購併或策略合作方式，強化單晶片方案研發能力，以期更能滿足WSN市場的要求。由此可見，微控制器與射頻收發器整合的系統單晶片，將是WSN市場未來重要的發展趨勢。