在現今萬物聯網風潮下，可連結至網際網路的機器已比能上網人口還要多，尤其是2013年可能是歷史上機器對機器(M2M)通訊首度超過人對人(Human-to-human)通訊連結數量的一年。舉凡行動資源管理系統、電表、機器人、自動販賣機、安全監控系統、資產追蹤器、汽車和緊急呼叫系統等，這些全部都是日益成長的物聯網設備。
值此趨勢發展之際，四十多億個IPv4位址卻快要全部用罄。這會對物聯網的部署會帶來任何影響嗎？答案顯然是不會，因為可支援的IPv6即將就緒，並提供2的128次方個網路位址，此一龐大的數量讓未來即使是地球上每一粒沙子都要上網也會夠用。另一方面，長程演進計畫(LTE)具備更高的傳輸速率與頻寬，也將能用來提供支援IPv6的數據、語音和視訊服務，進而擴大物聯網應用。
萬物聯網風潮興 M2M通訊模組需求大增
物聯網革命的目標很簡單，即讓所有能夠因聯網而獲得利益的裝置都能與網路相連，如手機、筆記型電腦、平板電腦、汽車和遊戲機都具備網路功能。雖然這些都是行動連接性最顯而易見的應用，但並不是只有人類用得到網際網路，還有很多看不見的應用正飛快地成長，例如數以百萬計的機器在沒有人為干預的情況下，正在全年無休的不停地交換資料運作中。
為實現上述的目標，這些需要聯網功能的裝置都必須內建一個小型、低成本的無線數據機，而能夠回報位置、速度或導航資訊的應用還需要採用全球衛星定位系統(GPS)或全球導航衛星系統(GNSS)接收器，這兩種元件再配上一個天線，就能輕鬆安裝在遠比行動電話還小的裝置中。然而，根據不同應用，開發具備M2M通訊功能的裝置還得符合一些特別需求。不僅需要在初始設計階段就將這些需求納入考量，還要考慮產品壽命時限、地理覆蓋範圍，以及是否無縫從2G升級到3G和4G的無線網路。本文將針對設計M2M應用時須考慮的重要技術特性進行詳盡闡述，並且說明這些特性將如何影響特定裝置的設計。
對可攜式追蹤、保全或個人安全裝置來說，電池壽命是最重要的特性之一。舉例來說，一個安裝在貨櫃上的追蹤裝置若需要每天充一次電，那就太過頻繁了，因為通常不管是空運或路運都得花上好幾天的時間，如果是海運的話，運送時間更將長達數個星期。對個人追蹤或醫療監控裝置等消費產品來說，行動電話已設下了標準期望，即至少要有3天以上的電池壽命。在為這類應用評估數據機和GNSS接收器規格時，不僅要考慮操作和待機電流消耗，還要考慮自動喚醒特性和智慧省電等節能模式，以及毋須喚醒主機處理器便能自主記錄資料的功能。理想上，這些元件大部分時間都應處於最小功率的模式，只有在絕對需要時才被喚醒運作。
隨著人們和商品的行動性日漸升高，設計人員亦必須考慮能在某個區域運作的數據機被移到另外一個區域時，一樣能發揮功能。對這些應用類型來說，必須先確認裝置使用的地理區域，並考慮未來是否會擴大應用的區域。當你釐清需求後，就能選擇最適用的無線數據機，以確保網路相容性。
舉例來說，必須監控全球各地貨物情況的資源管理系統應採用四頻GSM數據機，或六頻UMTS數據機。若是在固定地點使用的裝置，比如家用電表，就只需要單一頻段即可。其他應用可能會有另外的考量。例如，位置常被遺忘的自動販賣機，就應該常常聯繫主機，但它須配備所在區域或位置操作的數據機。
另一方面，任何一款利用全球行動通訊系統(GSM)、通用行動通訊系統(UMTS)或LTE網路通訊的無線裝置在能夠存取網路前都須得到電信業者的認證。若想大幅簡化認證過程，內建於裝置中的數據機也須要取得電信業者的核准。設計人員應針對追蹤裝置將使用的區域，確認該區域獲得數據機認證的清單，然後再決定選用哪款數據機。目前大多數的數據機供應商都會在公司網站上提供獲得電信業者合格認證的清單。
強化車用追蹤裝置效能 高整合度M2M模組立功
針對需要在城市環境中，取得可靠定位訊息的車用追蹤系統M2M應用，應該考慮是否有輔助定位系統可用。特別是在衛星訊號會被高樓大廈阻擋的城市中，追蹤系統須能夠透過連結至遠端AGPS伺服器來克服定位訊息中斷的問題。這只須要利用無線數據機，從網際網路簡單下載幾個位元組的衛星軌道資料，就可以在缺乏衛星可直視性時推算出位置。
事實上，對低階導航系統等特定應用來說，暫時沒有定位資訊是可以允許的，但對車輛緊急呼叫救援或道路收費系統等其他應用，即使是瞬間失去定位也會造成無法接受的後果，這使得輔助定位成為一項深具吸引力的特性。設計輔助定位功能時須考量GPS接收器供應商是否支援線上輔助服務、可靠性、支援的地理區域、供應商是否提供能支援此服務的客戶端軟體、定位接收器和無線數據機是否具備支援此服務的介面，以及此服務能同時支援GPS和GLONASS等因素。
對車用追蹤裝置等系統而言，正確記錄位置、方向和速度訊息是非常重要的。但在隧道中，由於衛星訊號被阻擋，因此須靠另一個平行系統來暫時產生這些訊息。慣性導航便是能用來輔助衛星訊號的一種重要技術，它能根據汽車感測器傳來的位置與速度資訊進行推斷計算。
因此，選用定位接收器時須仔細考慮它是否支援慣性導航功能、能否直接插入汽車的控制區域網路(CAN)匯流排以擷取資料、能否直接與陀螺儀和里程表等汽車感測器連接、系統有無驗證過、元件是否符合車規等級等因素。
此外，GPS無法在室內運作，其他任何一種採用衛星技術的導航系統也不行。這些非常微弱的訊號很容易被牆壁與金屬所遮蔽，這是否意味著大多數放置在室內的機器裝置，由於缺乏定位資訊，其M2M應用部署就註定會失敗？答案顯然是否定，對需要室內定位資訊的應用來說，只要透過結合衛星接收器與無線數據機，建構同時運用2G或3G蜂巢網路的混合式解決方案便能克服這個問題。
由於GSM或UMTS訊號能輕鬆穿透牆壁，如果知道可視行動蜂巢網路的邊界，就能根據蜂巢重疊的區域計算出大概的位置。這種解決方案須要與外部服務無線連結，這跟先前提到的輔助式定位解決方案類似。選擇定位接受器和無線數據機時應考慮是否支援此解決方案、供應商提供的方案是否經過驗證、供應商是否提供線上服務、此服務是否仍在運作、設計人員是否能自行選擇支援此服務的衛星接受器和無線數據機以及它的準確度高低。
長久以來，GPS一直是唯一可用的導航系統，但隨著俄羅斯的GLONASS、日本的QZSS系統，以及中國北斗衛星開始啟用，再加上之後將投入營運的和歐洲的伽利略(Galileo)衛星，因此接收器必須具備GPS和至少其他一種衛星系統的相容性，才能提升系統可靠度與準確度，並符合各國政府對於能與自有系統相容的強制規定。
通常，同時採用兩種系統的並行處理方案會被納入設計規範中。舉例來說，俄羅斯新制定的ERA-GLONASS汽車緊急呼叫系統就要求GLONASS相容性。選擇GPS/GNSS接受器時須考慮它是否提供多重GNSS支援、否同時支援GPS/GLONASS或GPS/北斗衛星。
滿足不同通訊技術需求 高整合度數據機行情看漲
由於GSM/GPRS所需的通訊資料量很少，因此用高整合度數據機來設計遠端電表應用是很吸引人的做法，但要考量GSM頻段未來有可能會被配置到3G和4G服務。若果真如此，要重新改裝數十萬台遠端電表將耗費非常龐大的成本。因此，最好能在設計時就採用未來仍然能適用的技術。換言之，應該考慮用UMTS/HSPA或LTE數據機，或至少設法讓硬體設計在未來盡量能以具成本效益的方式進行數據機升級。
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| 圖1 套疊式數據機設計示意圖 |
在設計今日用的M2M裝置時，開發人員須考慮能適用於未來新的行動或GNSS標準，或是滿足來自使用不同頻段或衛星接受器標準的新客戶需求。理想上，設計人員可以透過簡單升級現有裝置的韌體、天線和數據機或GNSS接收器來因應市場需求，但實際上，除非供應商當初提供的方案具備套疊式(Nested)設計(圖1)特性，否則會是一場噩夢，特別是印刷電路板(PCB)布局會引起一連串昂貴的設計和物流問題。
避免此一問題最好的方法就是選用全系列無線數據機模組或GNSS接收器都具備布局相容性的元件。利用這樣的解決方案，設計人員只須設計一種PCB就能供應所有不同的產品版本使用。此外，供應商下一代數據機是否擁有與現有數據機產品完全的PCB相容性、是否提供書面的技術支援，以協助客戶成功實現套疊式設計，亦是開發時的考量。
對現今許多的追蹤應用來說，支援追蹤和文字傳訊只須用到很低的頻寬，如果只需要數據傳輸，那麼簡單的整體封包無線電服務(GPRS)便已足夠；如果還需要語音通道，那麼至少得選用GSM/GPRS；如果還需要視訊串流來支援監控應用，UMTS/HSPA則是較佳的選擇。對需要最低延遲的高畫質視訊，例如遠端醫療終端裝置，LTE便是必選技術。
追蹤應用的需求一定會越來越高，設計人員不應僅針對今日的需求選用數據機，而是要考慮3?5年後的需求，且最好能選擇可以最低成本進行升級的數據機。
對於安裝在汽車上的系統來說，由於汽車環境的溫度、濕度和震動條件特別極端，設計人員必須採用具備汽車級規範的元件，能符合AEC-Q100標準，並在ISO/TS 16949合格的工廠製造。每個元件的合格測試都應遵循ISO 16750標準--「道路汽車電機和電子設備的環境條件和測試」。這不僅對車用裝置來說很重要，對於必須用在室外、船舶或軌道車輛上的工業裝置也同樣重要。
強化車用緊急呼叫救援 同步數據機受市場青睞
在新款汽車上安裝能自動回報意外事件以及能協助找回失竊車輛的自動系統已是一項全球趨勢，此一認證將會對未來出廠的汽車有相當大的影響。目前美國、歐洲、俄羅斯和巴西都已經展開了支援這些系統的計畫，未來這些國家的政府都將會強制要求車廠須導入此一應用。對這些系統來說，通常需要一種特別的數據機，亦即同步數據機(In-band modem)。
同步數據機能將數據透過語音通道傳送，這與傳真機透過電話線路傳送數據有點類似，須採用這項功能是因為在行動網路中，語音通道的優先順序比數據還高。發生意外事故時，語音通道的優先啟動性比GPRS或高速封包存取(HSPA)數據通道高，且在偏遠地區甚至可能沒有GPRS或HSPA訊號，因此，語音通道是將資料傳送到緊急應變中心的關鍵鏈結。
總結而言，由於無論是無線通訊和定位技術，都有許多新標準持續演進中，因此設計人員必須考慮產品在市場上的使用壽命，以及產品將會應用在哪些市場，尤其是能否支援下一代效能與網路覆蓋範圍，或是能否輕鬆進行產品升級等問題，都是設計人員在進行開發產品時應納入的重要考量。
(本文作者為u-blox行銷副總裁)