物联网市调机构 ON World 今年一月发布报告指出，无线传感网络 (WSN) 技术将为工业物联网 (IIoT) 提供关键因素，包括：长年电池供电的无线节点、IP 寻址能力、现场总线信道、云端配置和管理系统；预估 2021 年，用于工业自动化、农业和建筑的无线感测、追踪与设备控制相关服务产值将达 350 亿美元，届时 WSN 芯片出货量将达 25 亿片。该单位并剖析 WSN 未来发展的三大面向：短距固定无线感测、短距移动感测，以及远距无线感测、追踪，而增长最快的 WSN 市场将是智能手表、健身追踪器等穿戴式设备，以及智能家居／建筑／城市。
吊诡！ZigBee 在应用层建立共通语言，一刀双刃
ZigBee 可谓是正式敲开大规模联网之门的先驱，这个看似沈静许久的技术，其实有业界专家预估，它在 2016～2020 年仍以 26% 的年复合成长率缓步前进，在家庭自动化设备，如：智能照明、多媒体和安全性等应用尤为大宗；中国美的电器等制造商已加入 ZigBee 联盟。低功耗、网状 (mesh) 拓扑和开放式标准，是 ZigBee 最大魅力所在；然而，散乱的配置文文件、联机互操作性与竞争技术辈出，也是 ZigBee 为人诟病之处。所幸，今年美国 CES 期间，ZigBee 联盟展示以 dotdot 作为物联网 (IoT) 通用语言，可让连网设备在任何网络上共同作业。
图1：ZigBee 通信协议堆栈
资料来源：Wikimedia
例如，同为 802.15.4 标准的 Thread IP 网络，让应用层的互通不再滞碍重重，将有助于设备业者将不同的无线电模块放在单一设备中；包括：微芯科技 (Microchip，并购 Atmel)、德州仪器 (TI)、芯科科技 (Silicon Labs)、恩智浦 (NXP)、Exegin、Qorvo (前身为 GreenPeak Technologies)、三星电子 (Samsung Electronics)、和 ubisys 等八家联盟成员，已获 20 项 ARM- based Zigbee 3.0 芯片平台认证；而各大组件供货商或经销商，为突出旗下传感器 (Sensor)／射频 (RF)／微控制器 (MCU)／系统单芯片 (SoC) 卖点，莫不在开发工具包及整合平台下足工夫。
●Microchip：以原有 Atmel BitCloud 为基础，加上 SAMR 21 Xplained Pro 评估软件开发工具包 (SDK) 整合而成 ZigBee 平台。BitCloud SDK 是一个功能齐全的生产级嵌入式软件开发平台，为构建符合 ZigBee 标准产品的参考应用程序和数据库提供框架。除完整 ZigBee Pro、节能 (ZigBee Green Power, ZGP)、基本设备行为 (BDB) 和 ZigBee 照明和占用 (ZLO) 支持外，SDK 还提供几种用于家庭自动化、照明和控制的 ZigBee 应用设备类型。该平台支持可扩充和安全的无线解决方案，支持数百种设备的大型网状网络，并针对超低功耗进行优化。
图2：Microchip (Atmel) BitCloud SDK 包括全功能参考应用程序、ZigBee PRO 堆栈和用户文文件，可快速设计开发符合 ZigBee LightLink 和家庭自动化的无线产品
●TI：SimpleLink 平台的 SensorTag 开发工具包，DevPack 插入式模块具备扩充性、可编程特性，以及免费 iOS 或 Android 应用程序的开箱即用功能，无需程序设计经验也能迅速上手；通过包含 IBM BluemixIoT 基础架构的生态系统，可在 3 分钟内连结至云端。参考设计包括 SensorTag 3D 打印文件、协议堆栈、免费 Code Composer Studio 集成开发环境 (IDE) 使用许可、在线培训和每天线上 TI E2E 社群支持，另有多款整合型低功耗传感器，包括：OPT3001 环境光传感器、HDC1000 温／湿度传感器及 TMP007 非接触式红外线 (IR) 热电堆传感器等。
●Silicon Labs：2015 年收购智能电表厂商 TELEGESIS 后，去年推出首款可支持 ZigBee / Thread 软件的 Wireless Gecko 模块。MGM111 是基于 2.4GHz Mighty Gecko SoC 的多协议模块，内建协议堆栈、天线选项并预先通过 FCC (北美)、IC (加拿大)、CE (欧洲)、RCM (澳大利亚／新西兰) 和KC (韩国) 等 RF 规范认证，开发人员不必再受限于复杂的 RF／天线设计和测试，而能专注于终端应用并加速上市时程。Mighty Gecko 模块和无线 SoC 具备相似技术特性和应用程序设计界面 (API)，亦有开发和评估工具包提供，方便从模块过渡到 SoC，无需重新设计系统。
图3：Silicon Labs MGM111 Mighty Gecko 多协议模块
资料来源：Silicon Labs官网
●NXP：以 NXP JN5169 无线微控制器为基础的 JN5169XK010 扩展板工具包，提供开关、电平控制和 LED 功能——JN516x-EK004 或 JN516x-EK001 ZigBee 可利用 NTAG I²C 工具包 (单独供货) 将连网设备分别新增至 ZigBee 或 NFC网络。JN5169 模块默认为可调开关，可用于 ZigBee 照明／调光开关，或光传感器／模拟开关传感器。用户可通过＂BeyondStudio for NXP＂工具链 (JN-SW-4141)，以 USB 连接至 PC 重新编程，并通过 JN51xx 闪存程序设计器将新应用下载到 JN5169 片上闪存。
图4：JN516x-EK004 评估工具包
资料来源：NXP官网
吊诡的是，当 ZigBee 联盟急于为解决应用层互通问题而疲走之际，却有模块厂／系统商认为：此举可能导致 ZigBee 协议走向封闭，或将损及其＂开放式标准＂的初衷与既有优势。详见本期特辑系列文章。
基于 IPv6 的 6LoWPAN，可让节点设备直接与互联网对话
WSN 节点规模越来越大，令业界不禁开始思考：是否能省略网关 (Gateway) 转译，就能让所有连网设备直接＂上达天听＂、与云端沟通？6LoWPAN 便是在此背景下诞生。另因从 6LoWPAN 分枝发展的 Thread 已和 ZigBee 协议将提供兼容的 API 接口，故 Microchip、TI 和 NXP 等 ZigBee 芯片供货商，几都同时支持 6LoWPAN；例如，TI 以 CC2630 / CC2650 无线 MCU 为基础、包含十个低功耗微机电 (MEMS) 传感器的 SimpleLink SensorTag 物联网工具包。不同之处在于：CC2630 仅支援 6LoWPAN 和 ZigBee，而 CC2650 还多了 Bluetooth 4.1 协定。
图5：TI＂SimpleLink MCU 平台＂主打已将诸多无线通信协议整合其中，即使不具通信开发经验，也能驾轻就熟
资料来源：TI官网
6LoWPAN 代码空间小，不仅能降低边缘路由器的负载、可选用成本较低的简易型软／硬件嵌入式系统，另有下列三大好处：1.开放 IP 标准，与 TCP / UDP / HTTP / COAP / MQTT / WebSocket 等现有互联网协议兼容，不需做协议转换；2.网状路由可扩展且具自我修复能力，可将数据路由到其他目标，让主机长时间休眠、更省电；3.支持多重实体层，可自在悠游于以太网络 (Ethernet)、无线局域网络 (WiFi) 和 4G 电信网络等不同频段的通信，互操作性强。有鉴于此，ULE Alliance 去年亦成立 IETF 6lo 工作小组，宣布支持 IPv6 及 6LoWPAN。
ULE 制订规范允许 IP 协议以有限带宽承载优化传感器节点传输路径，在＂传输层＂上提供 IPv6 6LoWPAN 开源软件及相关测试范例，用户可轻松部署云端应用和互通，为 Bluetooth / NFC 等不同无线技术提供通用的互操作接口，且 ULE 节点可直接连到互联网。这将根本解决 ZigBee / Z-wave / Bluetooth 及其他专利网络架构在应用层遭遇＂鸡同鸭讲＂的问题 (如前述 dotdot 之于 ZigBee)，或需复杂的应用网关牵引、才能连结至互联网的困扰——不仅要汇集所有应用档案信息，一旦无线节点有变传输路径亦须随之更新，牵一发而动全身，工程极其繁锁。
亚德诺 (ADI) 一款低功耗、高性能的无线电收发器——ADF7030-1，在 sub-1 GHz ISM 频段内工作，数据速率在 0.1～300 kbps 之间，使用 2GFSK 调变。该无线电收发器还支持无线 M-Bus (WMBUS) 和 IEEE 802.15.4g 协定。新型收发器提供出色的灵敏度、更广的有效覆盖范围、良好抗干扰能力、系统可靠性，以及智能唤醒功能，整体功耗低；在低功耗休眠模式、保留内存数据的情况下，功耗仅为10 nA。它采用 ARM Cortex-M0 执行无线电控制和校准，而高度可程序设计的数据封包处理可简化主机 MCU 的程序设计界面和代码开发，减少工程时间。
图6：ADI ADF7030-1 无线电收发器区块图
资料来源：ADI官网
以智能仪表为腹地，从有线 HART 进化到无线 WirelessHART
ON World 另与国际自动化学会 (ISA) 合作对全球超过 180 位工业自动化专业人士进行研究，发现无线网状标准呈现稳定成长，但 LPWAN 的早期采用者有增多趋势。在无线网状协议方面，WirelessHART 在自动化占比最高。HART 自1989 年以来，一直是智能仪表的主要通信技术；挟着既有深厚客户基础，近年在增强版 HART 标准中，融合经过应用验证的现场通信、网络技术和安全协议，发展可与现有 HART 设备、工具和系统兼容的无线 WirelessHART 规格，可自动组态配置及适应。
WirelessHART 是支持多个接入点的网状网络，能检测到传输路径的恶化并自动修复，还可绕过障碍物、随机选择＂有利的＂冗余通道进行传输；经由获取网络上设备的诊断讯息，不断自我适应调整以因应环境变化。当网络侦测到新设备加入，会自动调整以适应工厂环境变化，不需一开始就建构整个系统。WirelessHART 网络在传输前会先对目标信道做评估测试，某些经常受干扰、通信质量不佳或已被占用的通道将会被禁止使用，且网络数据传送高度同步，既能提供实时回馈、又能优化通信的宽带和调度。
图7：WirelessHART 在工业仪表领域具先占利基
资料来源：Wikimedia
更关键的是，WirelessHART 采用＂直接序列展频技术＂(DSSS) 将数据分散到多个不同的实体通道，规避各种射频和电磁干扰；这在工业环境十分重要，因为工厂中的金属机台或厂房结构会影响无线讯号传输，而设备的移动也会让现场条件不断变化。不过，江山代有才人出，ISA100.11a 缘于更灵活的时间排程、软件信道，且可同时支持星状和网状拓扑，在过去两年市占率攀升了 67% 之多；这些功能对于日益增长的无线应用尤其重要，如：气体检测，蒸汽祛水器监测和油气井场的远程监测。
●SmartMesh 满足时分、频分和实体层多样性需求
日前正式与 ADI 合并的凌力尔特 (Linear Technology)，自 2011 年收购 WSN 知名大厂 Dust Networks 后，便跻身一线 WirelessHART 芯片供货商；其 SmartMesh 系列产品可满足时分、频分和实体层 (PHY) 多样性需求，确保 WSN 稳定、灵活及可扩展。LTC5800 SoC 整合电源放大器和 ARM Cortex- M3 32 位微处理器，只需外接电源、接地线和天线便可无线连网；LTP5901 / LTP5902 Mote 模块则提供易于整合，且已通过 FCC、CE 及无线电认证的印刷电路板——LTP5901 内建芯片天线，LTP5902 包括 MMCX 天线连接器。
SmartMesh 家族除了支持 IEC62591 标准的＂SmartMesh WirelessHART＂外，另有基于 6LoWPAN 和 IEEE 802.15.4e 的＂SmartMesh IP＂版本。多个 SmartMesh 子网可并列部署，即使再多节点的大型网络也不愁；且所有 SmartMesh 网络皆集中管理—— SmartMesh WirelessHART manager (LTP5903) 每个网络可支持 500 个节点，SmartMesh IP manager 最多可达 1,000 个节点。SmartMesh IP 可自动配置、修复及连续自我优化，提供经过＂美国国家标准技术研究院＂(NIST) 认证的安全性并备有 EManager (内建) 和 VManager 两种网络管理器选项；前者可用于 100 个节点数以内的 WSN，后者所支援的节点数更上看十倍！
图8：Linear＂SmartMech IP＂为网络中的＂每个节点＂提供原生 IPv6 寻址能力，VManager 管理软件可基于 X86 虚拟机 (VM) 运作，便于与 IP 连接
资料来源：Linear官网
LPWAN 为 WSN 开启新视野
大致来说，对 WSN 的满意度有所提升，但在电池寿命、成本、系统整合和网络传输距离还有很大的改善空间。有 4/5 的自动化工程人士已展开无线网状节点部署：近 1/3 的用户部署超过 1,000 个节点、12% 已完成 1,000 个以上的无线现场设备单点部署。与此同时，ON World 发现有近半数的 WSN 采用者藉云端基础设施发展 IIoT——48% 提供或拥有 WSN 系统的企业使用 AWS、Microsoft Azure 或 IBM Watson 物联网平台，显示 WSN 是衔接物联网的基础；目前，多数 IIoT WSN 的平均通信距离仅在 1 哩左右。
因此，与云端连接、电池寿命达 10 年以上以及用于资产追踪的无线传感器、传输距离上看 20 哩的低功耗广域网 (LPWAN) 正分食 IIoT 市场——有 11% 受访者表示已采用 LoRa / SIGFOX、有 2/5 正在研究或试点开发，而有 3/4 锁定新应用的技术缺口发展 LPWAN 解决方案。ON World 认为，未来五年，WirelessHART / ISA100.11a / WiFi / Bluetooth 等短距无线网状网络，仍将是主流；但 LoRa / SIGFOX 等瞄准分众市场的 LPWAN 成长力道更为惊人，但竞争也随之加剧。若 NB- IoT 商用网络在今年底之后大举布建完成，想必又是另一番局面。
图9：LoRa 在 WSN 应用的工作原理
资料来源：LoRa联盟官网
借助远距离、长时间和云端整合堆栈，LPWAN 将为 WSN 开启新视野，生态系亦迅速壮大；2025 年 LPWAN 服务收入将达 750 亿美元，其中 3/4 将由工业自动化、物流、智慧城市、农业、智慧建筑和企业物联网等非消费市场贡献。在对 AT & T、Bouygues、Orange、SK 和 Verizon 等多家电信营运商在内的 150 家 IoT 领导厂商访查后结论：有 1/3 正计划或已提供 LPWAN 产品和服务，以 LoRa 或 SIGFOX 为大宗，支持 LPWAN 的 IoT 平台包括：Actility、Cumulocity、Intent Technologies、Loriot、OrbiWise、relayr、Stream Technologies 等。
覆盖广、操作简便、收费低，SIGFOX 自成一家
比 LoRa 更早问世的 SIGFOX，近来亦动作频频。这个由一家法国公司所提出的特有物联网规格，因设备与云端不需沟通、只管在全球聆听并捕捉特定格式讯息，一般遥控器等级的简单芯片即可应对，可大幅降低功耗及模块成本；去年底创始企业宣布将与合作伙伴携手开发全球首款 SIGFOX 通信模块，以欧洲、中东和非洲为市场的目标售价仅 2 美元，而适用于美国及亚洲市场的售价则不到 3 美元。首批锁定亚洲工作频段的 SIGFOX 模块已于今年一月问世，由韩国 Wisol 公司采用安森美半导体 (ON Semiconductor) AX-SFEU-1-01 收发器 SoC 开发而成。
台湾厂商开元通讯 (InnoComm) 亦采用 NXP 收发器开发多款 SIGFOX 模块样品；而 SIGFOX 生态系统也推出结合 WiFi / Bluetooth / GPS 等多重协议的 SIGFOX 模块。为鼓励创新，这些试验性的模块不会收取权利金。以＂覆盖广、操作简便、收费低＂为号召的 SIGFOX 目前已进军 26 个国家，有超过 1,000 万个设备使用其网络服务。由于 SIGFOX 无产业联盟奥援且非共通标准，所属营运商须独立完成基地台相关设备的架设工作，资金需求可观。所幸，这家特立独行的公司似乎颇受投资者青睐，在去年底宣布即将完成 1.5 亿欧元的 E 轮融资。
这个刷新记录的融资额，将有助于 SIGFOX 如期于 2018 年将服务拓展到全球 60 个国家，并达到损益两平；包括 Alto Invest、Salesforce Ventures、Henri Seydoux、Swen CP、Tamer Group 及 Total 等将成为 SIGFOX 的新股东，而 Bpifrance、Elliott、Intel Capital 等现有股东也表态将再度投入资金。SIGFOX 在台湾独家营运商优纳比公司 (UnaBiz) 为加速物联网相关技术与应用推广，特与台北智能城市项目办公室及台湾大学合作，于今年 2 月举办台湾首次的 SIGFOX 物联网黑客松——#UnaHack1；以智能家庭与医疗照护为主题，开发相关产品与应用的原型。
图10：SIGFOX 适用于不须频繁对话的低量 IoT 传输
资料来源：SIGFOX官网
Microchip 与 ST 积极抢进 SIGFOX
Microchip 高度整合的 ATA8520E 是北美和欧洲首款获 SIGFOX 全面认证的芯片，整合 AVR MCU 的低功耗射频收发器。其开发工具包包含首个获得 FCC 认证的电路板，有两个版本供选择：一是作为 Microchip ATA8520E 独立测试工具包；二是结合 Xplained PRO 板用于系统设计。此外，另提供 SIGFOX 函数库、调变模式、ID 和 PAC 以及一个安全密钥，可帮助开发人员将设计快速推向市场。另早先推出相容于 SIGFOX 无线收发器 (S2-LP) 的意法半导体 (ST)，亦是台湾 #UnaHack1 协办单位之一，提供 STM32 Nucleo 扩展板供参赛团队使用。
ST 今年新推出两款 LPWAN 原型开发板——B-L072Z-LRWAN1 STM32 LoRa 和 I-NUCLEO-LRWAN1 扩展板。B-L072Z-LRWAN1 工具包采用 Murata 开发整合 STM32L072CZ MCU 和 Semtech Sx1276 收发器，待机功耗在 1.2µA 以内；它是开放式模块，开发人员能依需求整合 STM32L072 MCU 及周边，且可在设计应用过程使用 STM32L0 HAL 和 LL 嵌入式软件库，藉 STM32 Nucleo 生态系或 Arduino 扩展板进一步扩增功能，包括 MDK-ARM IDE、STM32CubeMX 配置器、软件工具及 LoRaWAN / SIGFOX 协议堆栈皆可免费使用。
只要将扩展板插到主板上，即可着手开发 LoRa 或 FSK / OOK (频移键控／二进制开关键控) 连接应用。该电路板整合 USI 的 LoRaWAN 模块、STM32L052T8 MCU 及 Semtech Sx1272 收发器；USI 模块预装简化设计、节省编程时间的 AT 指令堆栈，另一项优势是：I-NUCLEO-LRWAN1 评估板配有 ST LIS2DS12 三轴加速度计、LPS22HB MEMS 压力传感器和 HTS221 温／湿传感器，皆通过 LoRaWAN 认证，符合欧美、俄罗斯和印度 860～930 MHz 通信法规。身为 LPWAN 先驱，SIGFOX 自 2010 年以来鸭子划水式的布局，似乎正初见成效。
但在低价策略下，长久之计势必＂以量取胜＂；而基地台获准架设和终端采用的速度，是否追得上资金周转和投资回报速率，将关系到 SIGFOX 未来生存空间有多大。
