M2M是指傳送數據的通訊設備之間的溝通，最常被翻譯成機器對機器通訊，但有時被延伸成人對機器、機器對人、機器對移動設備和移動設備到機器等；如同所有持續發展中的技術，其定義也不斷的延展，但目前業界對M2M最泛見的用法，是指將資料從一台終端傳送到另一台終端，也就是機器與機器的對話。
當無線通訊技術與M2M結合時，無窮無盡的應用可能性就出現了。包括儀表、家電、汽車、照明設備、醫療監視器、零售庫存等等，可以透過無線連接的方式將整個日常生活所需之設備與應用串連起來，如此將可進一步帶來提高生產力、節約能源、遠端存取控制、降低成本、改善醫療品質等價值與優勢。
MCU/射頻技術帶動嵌入式智慧普及
目前M2M應用仍以車隊管理為最主要的應用市場，而醫療保健應用在近期美國政府大力推動健保改革的激勵下，也被業界視為下一個M2M產業的明星級應用。 事實上，在M2M系統架構中，微控制器(MCU)與射頻通訊技術實為M2M概念的兩大支柱。將MCU、感測器元件及射頻通訊子系統結合在一起，系統設計人員可以開發出具備智慧型功能的各種的嵌入式感測節點設備，而且系統部署應用更靈活彈性。因此，感測節點設備內建無線通訊技術已成大勢所趨。
其實，導入無線通訊技術也不失為一種統一通訊介面規格的可行做法。以往許多嵌入式裝置都會採用特定的封閉通訊規格來進行系統互聯，若改採基於無線通訊協定的資料格式轉換方法、以及使用此方法之通訊模組，加上應用各種位元調變流程，可以解決一般通訊系統彼此互不相容之情況，進而讓不同廠商及不同規格之微控制器，能透過射頻單元(RF)達成相互連通的目的，這就是所謂「MCU to MCU」之通訊。
SiP技術弭平導入障礙
然而，射頻技術本身也是一種專業，並非所有熟悉MCU開發的應用製造商都可以輕鬆地掌握射頻系統設計應具備的專業知識。因此，業界勢必要找出一種新的解決方案，才能將射頻技術的導入門檻降到最低。
在各種整合技術中，系統級封裝(SiP)是一種相當適合被用來進行MCU/射頻整合的重要技術。SiP是指將多顆積體電路(IC)以及分離式或被動式元件結合於單一封裝基板上，以提供完整的系統或次系統，並用以創造較低成本、小體積與高效能的解決方案。
由於終端消費電子產品對於輕薄短小造型與多元功能的追求永無止境，連帶促使「製程微縮」和「系統整合」成為半導體產業發展的兩大趨勢，其中在系統整合的方向上，SiP因可輕易整合不同功能與異質晶粒，發展性更可能超越傳統的摩爾定律，因此也有人把SiP的技術定義為「延伸性摩爾定律」(More than Moore)。
事實上，若是要進行異質整合，SiP遠比系統單晶片(SoC)具備了更多優勢，因為半導體製程的限制，SoC很難被運用來進行跨材料的整合，但以通訊應用為例，諸如矽鍺、陶瓷等材料，往往在一個完整的通訊系統中扮演不可或缺的重要角色。此外，從整體開發時程與開發成本上考量，SiP也比SoC具備許多優勢。一般而言，SiP的開發時間只有SoC的六分之一到十分之一左右，而開發成本更只有SoC的五分之一到十分之一之間。
SiP除可輕鬆地進行異質整合外，更是拓展無線通訊應用領域不可或缺的推手。以M2M應用為例，結合MCU與射頻子系統的SiP通訊模組，輔以經過縝密驗證的軟體、韌體及通訊協定，即可輕鬆滿足無線M2M終端裝置的所有核心需求，且系統開發者只要懂得基本的天線應用，即可運用內含無線網路功能的SiP模組元件達成M2M的聯網系統架構。
智慧型感測網路崛起指日可待
當所有應用MCU的產品從有線變成無線，它代表了利用無線連接轉變傳統觀念的全新商業模式。電子書閱讀器終端就是一個好例子，它透過內置的無線模組，使用戶能夠上網從網路下載圖書；另外一種廣泛的M2M應用就是無線感測網路(Wireless Sensing Network, WSN)，以先進讀表系統(Advanced Meter Reading, AMR)之應用為例，它可以無線連接煤氣表、水表和電表，各儀表之間可彼此通訊連接；同樣的，坊間也有一些結合WSN技術的無線連接溫控器，藉由無線網路安全的傳遞指令，從而發現潛在的斷電風險，並自動調整受影響地區的家庭或辦公室的空調系統。WSN之架構設計如圖1所示。
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| 圖1 WSN軟體/韌體架構 |
目前各種家電及周遭的監測及安全防護設備中，幾乎都含有MCU來處理各種功能，藉由WSN的無線連結，無論人到何處，各種設備內的MCU與MCU彼此間均能透過無線訊號傳輸，並且可以像人們一樣互相聊天(通訊)，而人們則可以透過網際網路或者遙控設備(手機就是其中之一)來命令這些設備進行各種功能，形成一個網路無所不在(Ubiquitous)的應用環境。
根據2003年美國MIT技術評論(Technology Review)之分析報告，WSN將是改變計算、醫療、製造、運輸與能源基礎設施的十種重要新興技術之一。無線感測網路是由一到數個無線資料收集器以及為數眾多的感測器所構成的網路系統，而元件之間的溝通則是採用無線的通訊方式。
為了達到大量布建的目的，無線感測網路必須具備低成本、低耗電、體積小、容易布建、有感應環境裝置、可程式化與可動態組成等特性；無線感測網路正在成為一個巨大的市場，據美國市場調查分析機構Harbor Research預測，到2010年時，無線感測設備和感測器的出貨量將達到兩億個，而另一家分析機構ABI則認為該數字將達到三億個。
在此市場基礎下，發展WSN的下一步，將是尋求更加普遍且能構成由數以百計節點所組成之組網技術，這些節點能在任意時刻透過經由不同MCU所控制的終端感測器相互通訊，同時這些節點還必須具備可靠、低功耗(因為這些節點通常由電池供電)等特性，如此方能打造出讓講究整體持有成本(TCO)的客戶樂於導入。
ZigBee抗干擾特性倍受青睞
在WSN的架構下，其中ZigBee/IEEE802.15.4 是一種最為先進的短距離傳輸技術標準，整體而言就是以ZigBee/IEEE802.15.4平台為技術核心，再結合眾多周邊元件，包括各式各樣的感測元器件，透過終端產品設計廠商在網際網路應用軟體及系統上的結合，使得WSN的發展已在過去的2～3年間逐漸形成一個完整的生態鏈。
在無線M2M環境中，由於ZigBee和藍牙(Bluetooth)、無線區域網路(Wi-Fi)等其他短距離無線通訊技術一樣選擇2.4GHz(2.4G～2.483GHz)為主要的工業/科學/醫療(ISM)頻段，因此ZigBee的抗干擾性能將是一個引人關注的焦點；對於克服來自共用頻段之其他技術干擾，ZigBee主要有幾項特點，如會在發送訊號之前進行空閒通道評估(Clear Channel Assessment, CCA)，以避免和其他通訊技術在同一通道中碰撞，此外，ZigBee採用直接序列展頻技術(DSSS)和頻率快變等調變機制，因此ZigBee的誤碼率(BER)在訊噪比(SNR)為4dB的情況下可達10-9，其他同樣操作在2.4GHz頻段的短距離無線技術要達到同樣誤碼率，通常要到10dB(Wi-Fi)，甚至16dB(藍牙)。
因此，基於ZigBee/802.15.4平台為技術核心的WSN產業可以在這樣的開發環境支援下迅速擴展其領域，產業界更便利於創造出各種豐富的M2M應用產品與系統。
ZigBee/MCU整合方案搶攻WSN商機
ZigBee/IEEE802.15.4是一種相當先進的短距離傳輸技術標準，雖然標準的資料傳輸率比藍牙還低，但其應用範圍卻更廣，除了一般的資料擷取外，還包括環境監測、家庭自動化控制、個人醫療、工業廠房監控、商務大樓自動化、保全監控等應用，亦可結合感測器或相機等模組為產品創造出更多的附加價值。
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| 圖2 整合MCU與ZigBee之Sip模組 |
在網路層方面，ZigBee支援星狀(Star)、樹狀(Cluster Tree)與網格(Mesh)三種網路架構，在各個節點之角色方面，可分為全功能設備(Full-Function Device, FFD)與精簡功能設備(Reduced-Function Device, RFD)，相較於FFD，RFD之電路較為簡單且記憶體較小，FFD之節點具備控制器功能提供資料交換，而RFD則只能傳送資料給予FFD或是從FFD接受資料。
為實現ZigBee一對多、低功耗及高感應網路等特性，廠商往往須面對相當高的技術門檻與挑戰，包括射頻效能調校、機構設計、網路層軟體整合等，導致ZigBee標準自2003年正式發表以來，一直無法如預期般呈現爆發性的成長。因此，整合完整射頻子系統功能和微控制器的方案，將是解套之策。目前市場上已有廠商成功設計出體積精巧、功能完備的射頻模組，且可與MCU結合，形成一整合軟體、韌體和晶片系統的整體解決方案，提供終端產品製造商一個可快速導入ZigBee技術的機會。
(本文作者為瓷微科技總經理特別助理)