MCU物联网设计方案的关键要素是功能多样性

来源  集合在线

物联网 (IoT) 在本质上是由各式各样的元件所组成，各针对不同的功能进行最佳化。 穿戴式装置会针对低功率和局部连线进行最佳化，无线桥接器则会针对传输效率和弹性的通讯协定支援进行最佳化，而连线的厨房电器将会着重在提升使用简便性。 这些不同的需求意味着其支援的硬体（其中绝大多数都是以 MCU 为架构）也需要具备不同的功能组合以达到最佳实作成果。 若您认为已经有太多的 MCU 选择，那麽以 IoT 为目标市场的新一代元件将让您更为惊讶。

　　不同需求促成功能多样性　　

　　物联网 (IoT) 最明显的需求就是连线能力。 若无通讯能力，单纯就只是一个「物件」，无法形成物联网。 然而，连线能力也涵盖多种功能。 查看 Digi-Key 无线解决方案 TechZone 页面，即可看见琳琅满目的无线方案，适用於蓝牙、行动、GPS、ISM、RFID、802.11/Wi-Fi/WiMax 和 802.15.4/ZigBee，而且这些只是冰山一角而已。 但是，每一款 MCU 都需要支援这些所有无线通讯协定吗？ 若是如此，MCU 在每一款 IoT 设计中都会耗费大量电力、成本和复杂度预算。 既然如此，到底该如何是好？　　

　　有个方法是将主要 IoT 装置的功能专属化，如此即可简化其连线需求。 举例而言，并非所有感测器都需要连接 Wi-Fi。 感测器能使用低功率、高效率的短程连线标准即可。 感测器能透过此标准连接感测器「桥接器」，即可藉此连线到更远的装置，最终与网际网路连线。 其他专属元件能提供储存能力，能在建立目的地连线之前，先行储存本机所产生的资料。 举例来说，骑单车时的心律资料和路径资讯就可储存在本机活动监测器中，直到返家进入健康资讯汇集器的连线范围为止。 运算元件也可配置在网路中提供分散式运算，如此一来即可在传输前先行处理并压缩庞大的资料组。 由於无线通讯可能要耗用许多电力，因此在传输之前，先以一小部分电力将资料汇整，即可大幅提升整体能源效率。 除此之外，由於资料在抵达最终目的地前可能需在多个中继点之间流通，因此在前端元件提供节省机制，就可在整体过程上发挥节省效果。

　　图 1 的范例指出多样性连网「物件」的组合，我们可透过此范例进一步探讨，为何差异化功能在达到成功的 IoT 部署上如此重要。 范例中除了呈现之前描述的数种多样性元件类型外，也有添加一些新的类型。 在 IoT 的边缘处有分散式感测器和致动器，这些是 IoT 连接「真实世界」的介面。 在此常见的元件包括个人活动监测器、位置追踪器以及环境感测器，也有相关致动器，可用於加热、冷却、照明以及建筑物门禁。 在这些「边缘」元件背後都有感测器结合装置，会收集感测器资料然後合并（或结合）不同的量测结果，建立额外的知识，以用於更高阶的应用。 感测器结合的常见范例之一就是合并 GPS 和大气压力资料，以此判定高度和位置。 感测器结合装置通常会连接到桥接器，再透过桥接器在通讯协定之间转换（通常是有线和无线连线之间）。 有些情况下，需要具备本机储存能力将感测器资料快取，以便日後下载。例如，活动监测器资讯管理器能储存心律资讯，以便日後下载到手机应用程式中。

　　透过专属化简化物联网的示意图

　
图 1：透过专属化简化物联网

　　信标是馈入 IoT 的资讯来源，能指出广告、环境或位置。 例如，信标能传送距离、环境以及高度资讯，以便用於自行车道上。 除此之外，信标也能提供新款单车配件以及服务价格等广告，不用太惊讶。 感测器结合式桥接装置会合并来自多重信标和感测器的资料，依据接收器的操作模式，剔除非必要（或不想要）的资料。 此筛选功能可双向进行，因此能阻挡窃听者（如进行工作面试时）取得个人资讯（如心律）。　　

　　储存和运算元件可纳入到感测器结合式桥接装置中，或作为通讯桥接器的一部份，即可有效率地将无线资料在多种格式之间转换，达到资料安全性和完整性。 感测器透过蓝牙连接到桥接器後，资料即可透过较长距离的无线标准进行储存或转送，例如 Wi-Fi。 桥接器至少必须具备储存和通讯功能，更高阶的装置则需含有额外的处理能力。 额外的处理能力可用来结合多种感测器读数，因此当完整资料组准备好进行接收，或是读数「超出范围」而需发出警告时，「上游」装置就会收到警告。

    MCU多样性与物联网的演进　　

目前有个势必会在物联网领域成长的趋势，那就是结合关键无线硬体元件、重要的软体驱动程式和通讯协定堆叠，进一步简化多样性装置的设计和建立，以便完全实现 IoT 愿景。 举例而言，Nordic Semiconductor 就打造了一系列高度整合的无线 MCU，提供整合式硬体与软体方案，如图 2 所示。 Nordic 采用标准 ARM Cortex-M0 处理器、CPU 周边、充裕的快闪记忆体和 SRAM，并且整合多重通讯协定的 2.4 GHz 无线电。 此系列元件的引脚皆可相容，并且支援低功耗蓝牙和 2.4 GHz 操作。 Nordic 提供预先编译的（二进位）通讯协定堆叠，可轻松建立高阶应用程式码。

　　Nordic nRF51822 无线 MCU 硬体模块影像

　　
图 2：Nordic nRF51822 无线 MCU 硬体模块

　　在物联网领域，基於能源效率的要求，没有多余的空间可承担硬体「包袱」，因此装置将朝专属化发展。 Nordic nRF51822 等高度整合且最佳化的元件，能顺利成为物联网周边，也可当作简易的信标和感测器。 专属化和多样性的趋势也会蔓延到这些类型的元件，有些甚至含有额外的储存、处理或「如同分享器」的通讯功能，将感测器管理功能延伸到周边，进而在最初源头达到最佳化的资料流量。　　

　　若桥接装置要将感测器、信标、感测器结合式装置以及其他桥接器连接到更庞大的 IoT 网路，就需要支援多种无线通讯协定。 桥接器一开始能搭配多重 MCU 建造，每个都专门用於特定的标准，甚至含有 FPGA 可提供全面控制、缓冲和安全性能力。 图 3 中的 Freescale MKW2x 系列（如 MKW21D256VHA5）就是例子之一，可提供 IEEE 802.15.4 的连线能力，且目前众多无线个人区域网路 (WPAN) 装置也都有支援此低阶网路标准。 晶片上的 RF 收发器符合或是超越适用於 2.4 GHz ISM 和医疗频带区域网路 (MBAN) 频带的所有 IEEE 802.15.4 规格。 因此，此收发器能建立符合多种通讯标准的连线，包括 ZigBee Pro 网路堆叠以及 Smart Energy 1.x 应用程式设定档、家庭自动化、健康照护、RF4CE、ZigBee IP 网路堆叠和 Smart Energy 2.0 应用程式设定档。 ARM Cortex-M4 处理器具有 DSP 能力，可提供显着的处理威力，而硬体式加密验证单元则可支援金钥加密演算法，包括 3DES、AES、SHA-1 和 SHA-256。 晶片上也提供唯一的 128 位元 ID，可辅助装置验证和安全金钥管理。

     Freescale MKW2x MCU 系列影像　

图 3：Freescale 的 MKW2x MCU 系列在 IEEE 802.15.4 WPAN 中进行桥接

　　要建立桥接装置的其他连线则需要更宽广的讯号范围，例如使用 Wi-Fi 标准。 Microchip 的 MRF22WB0MA/MB 等整合式收发器模组，如图 4 所示，采用简易的 SPI 介面连接 MCU 或 FPGA 以添加 Wi-Fi 连线能力。 由於 MRF22WB0MA/MB 是完整的模组，设计人员无需进行法规合规测试，因此能加速上市时间。 若模组搭配 Microchip 的 PIC MCU 使用，则有提供 TCP/IP 软体堆叠和程式码库可进一步简化实作流程。 此模组搭配 M2M PICTail Plus 子板使用时，也有提供完整的公版设计，可支援 GSM、GPRS 和 GPS 通讯格式。 Microchip 产品培训单元提供详细的套件功能说明。

        Microchip 的 MRF24WB0MA 影像　　

图 4：Microchip 的 MRF24WB0MA 提供 IEEE 802.11b 连线能力

　　需求：更广大且更深入的支援生态系统　　

　　此趋势在未来将需要越来越多支援以达到高阶通讯功能，藉此加速开发，而这也是快速开发物联网的关键助力。 音讯领域就是支援生态系统为何需要横向及深入成长以加速 IoT 开发的良好印证。 举例而言，Atmel 的 AT32UC3A0512 MCU 提供完整的数位音讯闸道公版设计 (EVK1105)，结合主要硬体功能以及必要的软体基础架构，打造完整的系统（Atmel 针对此套件提供绝佳的产品培训单元）。 此公版设计含有板件、C 语言原始码函式库（包括浮点和 DSP 演算法）、USB 和 TCP/IP 堆叠，以及应用程式软体（能针对音讯、图片与影片编解码器达到最佳化）、显示器驱动器、网路伺服器、档案系统，以及完整的 RTOS。

　　此套件中最有趣的部分就是解码器函式库中的软体音讯解码器，如下方表 1 所示。 设计人员仅需选择要在专案中纳入的驱动器模组即可。 Atmel 甚至能协助识别各个驱动器所需的重要授权。 为了让 IoT 演进，供应商不仅需要提供开发生态系统，也要协助进行授权或第三方协议，以便产品发行与推出。 物联网 的授权需求更加庞大，是否能消除相关障碍，将是产品成功与失败的关键。

　　
表 1：软体音讯解码器 - 说明物联网发行时的授权成长趋势

　　物联网的异质特色需要更多种专属化 MCU 才可达到边缘装置的丰富多样性，以便与「真实世界」密切沟通。 进一步深入物联网网路的装置将在其常见系列中进行差异化，配备不同的通讯、储存和运算能力，协助达到最佳流量效率。 供应商将需提升这些专属化 MCU 并推出公版设计，其中含有样本程式码、驱动程式、堆叠，甚至协助满足授权需求，以便达到 MCU 制造商所期盼的物联网快速发行。