物聯網市調機構 ON World 今年一月發布報告指出，無線傳感網絡 (WSN) 技術將為工業物聯網 (IIoT) 提供關鍵因素，包括：長年電池供電的無線節點、IP 尋址能力、現場總線信道、云端配置和管理系統；預估 2021 年，用于工業自動化、農業和建筑的無線感測、追蹤與設備控制相關服務產值將達 350 億美元，屆時 WSN 芯片出貨量將達 25 億片。該單位并剖析 WSN 未來發展的三大面向：短距固定無線感測、短距移動感測，以及遠距無線感測、追蹤，而增長最快的 WSN 市場將是智能手表、健身追蹤器等穿戴式設備，以及智能家居／建筑／城市。
吊詭！ZigBee 在應用層建立共通語言，一刀雙刃
ZigBee 可謂是正式敲開大規模聯網之門的先驅，這個看似沈靜許久的技術，其實有業界專家預估，它在 2016～2020 年仍以 26% 的年復合成長率緩步前進，在家庭自動化設備，如：智能照明、多媒體和安全性等應用尤為大宗；中國美的電器等制造商已加入 ZigBee 聯盟。低功耗、網狀 (mesh) 拓撲和開放式標準，是 ZigBee 最大魅力所在；然而，散亂的配置文文件、聯機互操作性與競爭技術輩出，也是 ZigBee 為人詬病之處。所幸，今年美國 CES 期間，ZigBee 聯盟展示以 dotdot 作為物聯網 (IoT) 通用語言，可讓連網設備在任何網絡上共同作業。
圖1：ZigBee 通信協議堆棧
資料來源：Wikimedia
例如，同為 802.15.4 標準的 Thread IP 網絡，讓應用層的互通不再滯礙重重，將有助于設備業者將不同的無線電模塊放在單一設備中；包括：微芯科技 (Microchip，并購 Atmel)、德州儀器 (TI)、芯科科技 (Silicon Labs)、恩智浦 (NXP)、Exegin、Qorvo (前身為 GreenPeak Technologies)、三星電子 (Samsung Electronics)、和 ubisys 等八家聯盟成員，已獲 20 項 ARM- based Zigbee 3.0 芯片平臺認證；而各大組件供貨商或經銷商，為突出旗下傳感器 (Sensor)／射頻 (RF)／微控制器 (MCU)／系統單芯片 (SoC) 賣點，莫不在開發工具包及整合平臺下足工夫。
●Microchip：以原有 Atmel BitCloud 為基礎，加上 SAMR 21 Xplained Pro 評估軟件開發工具包 (SDK) 整合而成 ZigBee 平臺。BitCloud SDK 是一個功能齊全的生產級嵌入式軟件開發平臺，為構建符合 ZigBee 標準產品的參考應用程序和數據庫提供框架。除完整 ZigBee Pro、節能 (ZigBee Green Power, ZGP)、基本設備行為 (BDB) 和 ZigBee 照明和占用 (ZLO) 支持外，SDK 還提供幾種用于家庭自動化、照明和控制的 ZigBee 應用設備類型。該平臺支持可擴充和安全的無線解決方案，支持數百種設備的大型網狀網絡，并針對超低功耗進行優化。
圖2：Microchip (Atmel) BitCloud SDK 包括全功能參考應用程序、ZigBee PRO 堆棧和用戶文文件，可快速設計開發符合 ZigBee LightLink 和家庭自動化的無線產品
●TI：SimpleLink 平臺的 SensorTag 開發工具包，DevPack 插入式模塊具備擴充性、可編程特性，以及免費 iOS 或 Android 應用程序的開箱即用功能，無需程序設計經驗也能迅速上手；通過包含 IBM BluemixIoT 基礎架構的生態系統，可在 3 分鐘內連結至云端。參考設計包括 SensorTag 3D 打印文件、協議堆棧、免費 Code Composer Studio 集成開發環境 (IDE) 使用許可、在線培訓和每天線上 TI E2E 社群支持，另有多款整合型低功耗傳感器，包括：OPT3001 環境光傳感器、HDC1000 溫／濕度傳感器及 TMP007 非接觸式紅外線 (IR) 熱電堆傳感器等。
●Silicon Labs：2015 年收購智能電表廠商 TELEGESIS 后，去年推出首款可支持 ZigBee / Thread 軟件的 Wireless Gecko 模塊。MGM111 是基于 2.4GHz Mighty Gecko SoC 的多協議模塊，內建協議堆棧、天線選項并預先通過 FCC (北美)、IC (加拿大)、CE (歐洲)、RCM (澳大利亞／新西蘭) 和KC (韓國) 等 RF 規范認證，開發人員不必再受限于復雜的 RF／天線設計和測試，而能專注于終端應用并加速上市時程。Mighty Gecko 模塊和無線 SoC 具備相似技術特性和應用程序設計界面 (API)，亦有開發和評估工具包提供，方便從模塊過渡到 SoC，無需重新設計系統。
圖3：Silicon Labs MGM111 Mighty Gecko 多協議模塊
資料來源：Silicon Labs官網
●NXP：以 NXP JN5169 無線微控制器為基礎的 JN5169XK010 擴展板工具包，提供開關、電平控制和 LED 功能——JN516x-EK004 或 JN516x-EK001 ZigBee 可利用 NTAG I²C 工具包 (單獨供貨) 將連網設備分別新增至 ZigBee 或 NFC網絡。JN5169 模塊默認為可調開關，可用于 ZigBee 照明／調光開關，或光傳感器／模擬開關傳感器。用戶可通過＂BeyondStudio for NXP＂工具鏈 (JN-SW-4141)，以 USB 連接至 PC 重新編程，并通過 JN51xx 閃存程序設計器將新應用下載到 JN5169 片上閃存。
圖4：JN516x-EK004 評估工具包
資料來源：NXP官網
吊詭的是，當 ZigBee 聯盟急于為解決應用層互通問題而疲走之際，卻有模塊廠／系統商認為：此舉可能導致 ZigBee 協議走向封閉，或將損及其＂開放式標準＂的初衷與既有優勢。詳見本期特輯系列文章。
基于 IPv6 的 6LoWPAN，可讓節點設備直接與互聯網對話
WSN 節點規模越來越大，令業界不禁開始思考：是否能省略網關 (Gateway) 轉譯，就能讓所有連網設備直接＂上達天聽＂、與云端溝通？6LoWPAN 便是在此背景下誕生。另因從 6LoWPAN 分枝發展的 Thread 已和 ZigBee 協議將提供兼容的 API 接口，故 Microchip、TI 和 NXP 等 ZigBee 芯片供貨商，幾都同時支持 6LoWPAN；例如，TI 以 CC2630 / CC2650 無線 MCU 為基礎、包含十個低功耗微機電 (MEMS) 傳感器的 SimpleLink SensorTag 物聯網工具包。不同之處在于：CC2630 僅支援 6LoWPAN 和 ZigBee，而 CC2650 還多了 Bluetooth 4.1 協定。
圖5：TI＂SimpleLink MCU 平臺＂主打已將諸多無線通信協議整合其中，即使不具通信開發經驗，也能駕輕就熟
資料來源：TI官網
6LoWPAN 代碼空間小，不僅能降低邊緣路由器的負載、可選用成本較低的簡易型軟／硬件嵌入式系統，另有下列三大好處：1.開放 IP 標準，與 TCP / UDP / HTTP / COAP / MQTT / WebSocket 等現有互聯網協議兼容，不需做協議轉換；2.網狀路由可擴展且具自我修復能力，可將數據路由到其他目標，讓主機長時間休眠、更省電；3.支持多重實體層，可自在悠游于以太網絡 (Ethernet)、無線局域網絡 (WiFi) 和 4G 電信網絡等不同頻段的通信，互操作性強。有鑒于此，ULE Alliance 去年亦成立 IETF 6lo 工作小組，宣布支持 IPv6 及 6LoWPAN。
ULE 制訂規范允許 IP 協議以有限帶寬承載優化傳感器節點傳輸路徑，在＂傳輸層＂上提供 IPv6 6LoWPAN 開源軟件及相關測試范例，用戶可輕松部署云端應用和互通，為 Bluetooth / NFC 等不同無線技術提供通用的互操作接口，且 ULE 節點可直接連到互聯網。這將根本解決 ZigBee / Z-wave / Bluetooth 及其他專利網絡架構在應用層遭遇＂雞同鴨講＂的問題 (如前述 dotdot 之于 ZigBee)，或需復雜的應用網關牽引、才能連結至互聯網的困擾——不僅要匯集所有應用檔案信息，一旦無線節點有變傳輸路徑亦須隨之更新，牽一發而動全身，工程極其繁鎖。
亞德諾 (ADI) 一款低功耗、高性能的無線電收發器——ADF7030-1，在 sub-1 GHz ISM 頻段內工作，數據速率在 0.1～300 kbps 之間，使用 2GFSK 調變。該無線電收發器還支持無線 M-Bus (WMBUS) 和 IEEE 802.15.4g 協定。新型收發器提供出色的靈敏度、更廣的有效覆蓋范圍、良好抗干擾能力、系統可靠性，以及智能喚醒功能，整體功耗低；在低功耗休眠模式、保留內存數據的情況下，功耗僅為10 nA。它采用 ARM Cortex-M0 執行無線電控制和校準，而高度可程序設計的數據封包處理可簡化主機 MCU 的程序設計界面和代碼開發，減少工程時間。
圖6：ADI ADF7030-1 無線電收發器區塊圖
資料來源：ADI官網
以智能儀表為腹地，從有線 HART 進化到無線 WirelessHART
ON World 另與國際自動化學會 (ISA) 合作對全球超過 180 位工業自動化專業人士進行研究，發現無線網狀標準呈現穩定成長，但 LPWAN 的早期采用者有增多趨勢。在無線網狀協議方面，WirelessHART 在自動化占比最高。HART 自1989 年以來，一直是智能儀表的主要通信技術；挾著既有深厚客戶基礎，近年在增強版 HART 標準中，融合經過應用驗證的現場通信、網絡技術和安全協議，發展可與現有 HART 設備、工具和系統兼容的無線 WirelessHART 規格，可自動組態配置及適應。
WirelessHART 是支持多個接入點的網狀網絡，能檢測到傳輸路徑的惡化并自動修復，還可繞過障礙物、隨機選擇＂有利的＂冗余通道進行傳輸；經由獲取網絡上設備的診斷訊息，不斷自我適應調整以因應環境變化。當網絡偵測到新設備加入，會自動調整以適應工廠環境變化，不需一開始就建構整個系統。WirelessHART 網絡在傳輸前會先對目標信道做評估測試，某些經常受干擾、通信質量不佳或已被占用的通道將會被禁止使用，且網絡數據傳送高度同步，既能提供實時回饋、又能優化通信的寬帶和調度。
圖7：WirelessHART 在工業儀表領域具先占利基
資料來源：Wikimedia
更關鍵的是，WirelessHART 采用＂直接序列展頻技術＂(DSSS) 將數據分散到多個不同的實體通道，規避各種射頻和電磁干擾；這在工業環境十分重要，因為工廠中的金屬機臺或廠房結構會影響無線訊號傳輸，而設備的移動也會讓現場條件不斷變化。不過，江山代有才人出，ISA100.11a 緣于更靈活的時間排程、軟件信道，且可同時支持星狀和網狀拓撲，在過去兩年市占率攀升了 67% 之多；這些功能對于日益增長的無線應用尤其重要，如：氣體檢測，蒸汽祛水器監測和油氣井場的遠程監測。
●SmartMesh 滿足時分、頻分和實體層多樣性需求
日前正式與 ADI 合并的凌力爾特 (Linear Technology)，自 2011 年收購 WSN 知名大廠 Dust Networks 后，便躋身一線 WirelessHART 芯片供貨商；其 SmartMesh 系列產品可滿足時分、頻分和實體層 (PHY) 多樣性需求，確保 WSN 穩定、靈活及可擴展。LTC5800 SoC 整合電源放大器和 ARM Cortex- M3 32 位微處理器，只需外接電源、接地線和天線便可無線連網；LTP5901 / LTP5902 Mote 模塊則提供易于整合，且已通過 FCC、CE 及無線電認證的印刷電路板——LTP5901 內建芯片天線，LTP5902 包括 MMCX 天線連接器。
SmartMesh 家族除了支持 IEC62591 標準的＂SmartMesh WirelessHART＂外，另有基于 6LoWPAN 和 IEEE 802.15.4e 的＂SmartMesh IP＂版本。多個 SmartMesh 子網可并列部署，即使再多節點的大型網絡也不愁；且所有 SmartMesh 網絡皆集中管理—— SmartMesh WirelessHART manager (LTP5903) 每個網絡可支持 500 個節點，SmartMesh IP manager 最多可達 1,000 個節點。SmartMesh IP 可自動配置、修復及連續自我優化，提供經過＂美國國家標準技術研究院＂(NIST) 認證的安全性并備有 EManager (內建) 和 VManager 兩種網絡管理器選項；前者可用于 100 個節點數以內的 WSN，后者所支援的節點數更上看十倍！
圖8：Linear＂SmartMech IP＂為網絡中的＂每個節點＂提供原生 IPv6 尋址能力，VManager 管理軟件可基于 X86 虛擬機 (VM) 運作，便于與 IP 連接
資料來源：Linear官網
LPWAN 為 WSN 開啟新視野
大致來說，對 WSN 的滿意度有所提升，但在電池壽命、成本、系統整合和網絡傳輸距離還有很大的改善空間。有 4/5 的自動化工程人士已展開無線網狀節點部署：近 1/3 的用戶部署超過 1,000 個節點、12% 已完成 1,000 個以上的無線現場設備單點部署。與此同時，ON World 發現有近半數的 WSN 采用者藉云端基礎設施發展 IIoT——48% 提供或擁有 WSN 系統的企業使用 AWS、Microsoft Azure 或 IBM Watson 物聯網平臺，顯示 WSN 是銜接物聯網的基礎；目前，多數 IIoT WSN 的平均通信距離僅在 1 哩左右。
因此，與云端連接、電池壽命達 10 年以上以及用于資產追蹤的無線傳感器、傳輸距離上看 20 哩的低功耗廣域網 (LPWAN) 正分食 IIoT 市場——有 11% 受訪者表示已采用 LoRa / SIGFOX、有 2/5 正在研究或試點開發，而有 3/4 鎖定新應用的技術缺口發展 LPWAN 解決方案。ON World 認為，未來五年，WirelessHART / ISA100.11a / WiFi / Bluetooth 等短距無線網狀網絡，仍將是主流；但 LoRa / SIGFOX 等瞄準分眾市場的 LPWAN 成長力道更為驚人，但競爭也隨之加劇。若 NB- IoT 商用網絡在今年底之后大舉布建完成，想必又是另一番局面。
圖9：LoRa 在 WSN 應用的工作原理
資料來源：LoRa聯盟官網
借助遠距離、長時間和云端整合堆棧，LPWAN 將為 WSN 開啟新視野，生態系亦迅速壯大；2025 年 LPWAN 服務收入將達 750 億美元，其中 3/4 將由工業自動化、物流、智慧城市、農業、智慧建筑和企業物聯網等非消費市場貢獻。在對 AT & T、Bouygues、Orange、SK 和 Verizon 等多家電信營運商在內的 150 家 IoT 領導廠商訪查后結論：有 1/3 正計劃或已提供 LPWAN 產品和服務，以 LoRa 或 SIGFOX 為大宗，支持 LPWAN 的 IoT 平臺包括：Actility、Cumulocity、Intent Technologies、Loriot、OrbiWise、relayr、Stream Technologies 等。
覆蓋廣、操作簡便、收費低，SIGFOX 自成一家
比 LoRa 更早問世的 SIGFOX，近來亦動作頻頻。這個由一家法國公司所提出的特有物聯網規格，因設備與云端不需溝通、只管在全球聆聽并捕捉特定格式訊息，一般遙控器等級的簡單芯片即可應對，可大幅降低功耗及模塊成本；去年底創始企業宣布將與合作伙伴攜手開發全球首款 SIGFOX 通信模塊，以歐洲、中東和非洲為市場的目標售價僅 2 美元，而適用于美國及亞洲市場的售價則不到 3 美元。首批鎖定亞洲工作頻段的 SIGFOX 模塊已于今年一月問世，由韓國 Wisol 公司采用安森美半導體 (ON Semiconductor) AX-SFEU-1-01 收發器 SoC 開發而成。
臺灣廠商開元通訊 (InnoComm) 亦采用 NXP 收發器開發多款 SIGFOX 模塊樣品；而 SIGFOX 生態系統也推出結合 WiFi / Bluetooth / GPS 等多重協議的 SIGFOX 模塊。為鼓勵創新，這些試驗性的模塊不會收取權利金。以＂覆蓋廣、操作簡便、收費低＂為號召的 SIGFOX 目前已進軍 26 個國家，有超過 1,000 萬個設備使用其網絡服務。由于 SIGFOX 無產業聯盟奧援且非共通標準，所屬營運商須獨立完成基地臺相關設備的架設工作，資金需求可觀。所幸，這家特立獨行的公司似乎頗受投資者青睞，在去年底宣布即將完成 1.5 億歐元的 E 輪融資。
這個刷新記錄的融資額，將有助于 SIGFOX 如期于 2018 年將服務拓展到全球 60 個國家，并達到損益兩平；包括 Alto Invest、Salesforce Ventures、Henri Seydoux、Swen CP、Tamer Group 及 Total 等將成為 SIGFOX 的新股東，而 Bpifrance、Elliott、Intel Capital 等現有股東也表態將再度投入資金。SIGFOX 在臺灣獨家營運商優納比公司 (UnaBiz) 為加速物聯網相關技術與應用推廣，特與臺北智能城市項目辦公室及臺灣大學合作，于今年 2 月舉辦臺灣首次的 SIGFOX 物聯網黑客松——#UnaHack1；以智能家庭與醫療照護為主題，開發相關產品與應用的原型。
圖10：SIGFOX 適用于不須頻繁對話的低量 IoT 傳輸
資料來源：SIGFOX官網
Microchip 與 ST 積極搶進 SIGFOX
Microchip 高度整合的 ATA8520E 是北美和歐洲首款獲 SIGFOX 全面認證的芯片，整合 AVR MCU 的低功耗射頻收發器。其開發工具包包含首個獲得 FCC 認證的電路板，有兩個版本供選擇：一是作為 Microchip ATA8520E 獨立測試工具包；二是結合 Xplained PRO 板用于系統設計。此外，另提供 SIGFOX 函數庫、調變模式、ID 和 PAC 以及一個安全密鑰，可幫助開發人員將設計快速推向市場。另早先推出相容于 SIGFOX 無線收發器 (S2-LP) 的意法半導體 (ST)，亦是臺灣 #UnaHack1 協辦單位之一，提供 STM32 Nucleo 擴展板供參賽團隊使用。
ST 今年新推出兩款 LPWAN 原型開發板——B-L072Z-LRWAN1 STM32 LoRa 和 I-NUCLEO-LRWAN1 擴展板。B-L072Z-LRWAN1 工具包采用 Murata 開發整合 STM32L072CZ MCU 和 Semtech Sx1276 收發器，待機功耗在 1.2µA 以內；它是開放式模塊，開發人員能依需求整合 STM32L072 MCU 及周邊，且可在設計應用過程使用 STM32L0 HAL 和 LL 嵌入式軟件庫，藉 STM32 Nucleo 生態系或 Arduino 擴展板進一步擴增功能，包括 MDK-ARM IDE、STM32CubeMX 配置器、軟件工具及 LoRaWAN / SIGFOX 協議堆棧皆可免費使用。
只要將擴展板插到主板上，即可著手開發 LoRa 或 FSK / OOK (頻移鍵控／二進制開關鍵控) 連接應用。該電路板整合 USI 的 LoRaWAN 模塊、STM32L052T8 MCU 及 Semtech Sx1272 收發器；USI 模塊預裝簡化設計、節省編程時間的 AT 指令堆棧，另一項優勢是：I-NUCLEO-LRWAN1 評估板配有 ST LIS2DS12 三軸加速度計、LPS22HB MEMS 壓力傳感器和 HTS221 溫／濕傳感器，皆通過 LoRaWAN 認證，符合歐美、俄羅斯和印度 860～930 MHz 通信法規。身為 LPWAN 先驅，SIGFOX 自 2010 年以來鴨子劃水式的布局，似乎正初見成效。
但在低價策略下，長久之計勢必＂以量取勝＂；而基地臺獲準架設和終端采用的速度，是否追得上資金周轉和投資回報速率，將關系到 SIGFOX 未來生存空間有多大。
