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jason
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 物聯網與感測器技術

物聯網商機夯 張忠謀︰半導體受惠

〔自由時報記者洪友芳/新竹報導〕晶圓代工大廠台積電(2330)董事長張忠謀昨表示,台積電繼第一季調高財測後,第二季、第三季營運也會很好,他對今年半導體景氣樂觀,他並認為,行動裝置是現在的Big Thing,仍為帶動今年及明年成長的主要動能,預期Next Big Thing是物聯網(IOT),台灣半導體業需要掌握到系統整合的先進封裝、微機電的感測及省電的低功耗技術,才能迎接物聯網的挑戰,邁向成長。

預期半導體前3季景氣樂觀

市場預期台積電、聯電(2303)及封測大廠日月光(2311)等多家封測廠、電源管理IC等類比IC設計廠商,均是物聯網受惠個股。

台灣半導體產業協會(TSIA)昨於新竹舉行年會,身為TSIA名譽理事長張忠謀率先以「Next Big Thing」為題發表演講,這題目是他首度演講,吸引數百位半導體知名業者到場聆聽,台積電共同執行長劉德音、魏哲家等多位高階主管也出席,顯見產業界對下一個驅動市場成長動能極為關注。

張忠謀指出,這幾年全球半導體業平均年成長僅3-5%,但像美國高通(Qualcomm)、台灣的聯發科(2454)及台積電,卻年成長兩位數,甚至近20%,因為掌握到Big Thing,就是以智慧型手機為主、平板電腦為次的行動裝置,市場每賣一支智慧型手機,貢獻台積電營收約達8美元,貢獻晶片大廠高通則更高。

對於Next Big Thing,張忠謀指是已開始的穿戴式、智慧家庭等物聯網(Internet of things),他預期以後最會賺大錢是能管理整個物聯網的系統整合應用公司,目前接近的公司像Google、Amazon、阿里巴巴等,半導體業則是最基本的供應者,不論誰成功都需要半導體,能供應的廠商才能成長比整個半導體快。

張忠謀昨也語出驚人表示,摩爾定律僅還有5-6年就差不多要死了,因等到那時製程到7奈米、10奈米極限,就應不需要摩爾定律。

張忠謀針對物聯網(IOT)發展,提出三大方向。一為系統整合先進封裝,將不同製程的晶片封裝為系統整合晶片,使晶片體積變小一點,功能更好;二為要測量溫度血壓等功能的微機電(MEMS)的感測器;三為比現行手機更省電十倍的低功耗技術。


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 2014-03-28 13:45個人資料傳送 Email 給 jason
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 Re: 物聯網

現在很多同學關心服貿協議對台灣之影響,事實上有無服貿協議,台灣都很難阻擋貿易全球化之浪潮,與其內耗於服貿爭議,不如思索如何提升台灣產業之競爭力。此刻,台灣最需要的是"遠見(vision)"。

上面貼文係TSMC張忠謀董事長針對物聯網之未來發展觀點,提到"系統整合"、"先進封裝"、"感測元件"、"省電低功耗技術",這些都是實驗室進行中之重點研究方向,希望同學們好好努力,掌握關鍵技術能力。

期待您們有遠見、善學習、能為國家社會著想,這樣就可以成為台灣向上提升的力量。


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 2014-03-28 14:19個人資料傳送 Email 給 jason
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 物聯網技術的四大挑戰

電子工程專輯 2014年04月02日

就像個人電腦(PC)、網際網路與智慧型手機改變了我們的工作與日常生活,物聯網(IoT)也將改變我們彼此互動、以及與環境互動的模式。不過物聯網對我們現有的網路以及基礎建設,也帶來了四個挑戰。

與Google Glass或是可穿戴式生物感測器等像是暫時性刺青的技術相較,基礎建設是比較不吸引人的話題;但對於想成為主流的物聯網技術來說,核心技術層面上的創新至關重要。


擺脫智慧型手機


對新進廠商來說,如果物聯網市場要充分發揮潛力,就必須切斷與智慧型手機之間的連結;人們就是不想帶著手機到處走,特別是尺寸比較大的智慧型手機。若智慧型手機是必備的,可穿戴式裝置就只是手機的配件。


可穿戴式裝置需要具備自己的通訊功能,才能打破與手機之間的連結並直接與雲端連線;此外,那些智慧型裝置也能相互直接連結,而不是透過雲端、也當然不要透過兩支智慧型手機。要變得真正實用,可穿戴裝置也必要有GPS功能;試想一支手錶不只能告訴你走了幾步路,還能告訴你走了多遠、海拔高度多高或是爬了幾層階梯。


創新的備用電源/低耗電方案


未來的可穿戴式裝置需要能透過一些替代方案取得電源,例如較長距離的無線充電、能量採集、太陽能,或者是透過使用者動作的能量轉換。這些裝置也需要有軟性電池等新型態的能量儲存設備,而且在品質與價格上符合商用標準;最好還要在支援GPS功能的同時,耗電量還能低於現有的解決方案。而上述創新技術並非科幻小說情節,已經在開發中。


對巨量資料的駕馭能力


今日的基礎建設,從無線網路營運商到資料中心、以及兩者之間的所有節點,不足以乘載當IoT系統成為主流之後所產生的大量資料流;這其中牽涉的不只是從各種裝置到雲端的資料傳輸管道,還包括在雲端進行所有資料處理與儲存的技術。


目前的資料中心架構就是沒有能力處理那些將被產生、且需要處理的異質性巨量資料;而且別忘了,要讓那些大型資料中心運轉也面臨能源供應上的挑戰。


挖掘創新能量來源


這裡說的創新將會以多面向的方式來產出;目前的產業領導者將會盡一己之力,不過恐怕也只能在已經有的基礎上循序漸進。而創新能量的主要推手將來自睿智的創業家,以及願意承擔風險、嘗試新業務與新創新模式的少數產業領導者。


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 2014-04-02 00:34個人資料傳送 Email 給 jason
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 智慧硬體市場起飛 IC廠商準備好了嗎?

電子工程專輯: 2015年04月10日

作為被寄予厚望的新興產業,智慧硬體涵蓋了可穿戴設備、智慧家庭、安全監控與醫療健康等在內的物聯網(IoT)各大重點領域。得益於3D列印以及集資平台、巨量資料雲端平台的興起,智慧硬體從產品的設計、研發到生產製造、銷售與服務都與傳統的硬體製造業產生了涇渭分明的區隔。

如果說2013年還處於智慧硬體概念剛剛興起階段,那麼2014年上游供應鏈廠商已紛紛覺醒,將智慧硬體領域看成智慧型手機後下一個即將爆發的巨大市場。創新工場(Innovation Works)創辦人、董事長兼執行長李開復日前就表示,未來5年,包括PC、手機、平板電腦、可穿戴設備,以及連網的電視、汽車、智慧家庭等加起來的智慧設備將達到400億台,這個數目將遠遠超越目前的60億台行動設備。
種種跡象顯示,2015年將成為智慧硬體的爆發之年,而創投業者也開始對智慧硬體的上游供應鏈表現出濃厚的興趣。春江水暖鴨先知,作為產業鏈上游的半導體公司對此最敏感也最先行動起來,紛紛調整組織結構,推出了相關產品,其中不乏過去專注於嵌入式領域的晶片廠商。而更上游的晶片代工廠商也針對該領域推出具有針對性的製程和技術。


各大半導體廠商紛紛佈局


在過去的一年來,幾乎每一家公司都宣稱進軍物聯網領域,開闢智慧硬體業務。據瞭解,高通(Qualcomm)已針對全球超過20個國家推出了15款物聯網設備,包括眼鏡、寶寶監視器與智慧手錶等。台灣聯發科技也計劃在2015年舉辦針對智慧家庭和穿戴設備的產業鏈大會。


2010年,英特爾(Intel)成立了線上業務部,希望藉由網際網路的形式建構一種快速、便捷的智慧硬體支援服務平台,針對從智慧硬體計劃研究到量產的各階段提供相關技術支援與服務。在2013年,英特爾還推出了Edison運算平台,致力於協助開發商克服技術難關。在2015年的CES上,英特爾發佈了英特爾Curie模組,這是一款瞄準可穿戴式解決方案且尺寸僅鈕扣大小的硬體產品,擁有包括低功耗藍牙、電池充電電路與感測器等技術,適用於各種不同類型的裝置,產品預計將在下半年上市。


Marvell也早在幾年前開始佈局物聯網領域,不但成為蘋果HomeKit合作夥伴,其高性價比EZ-Connect IoT平台和無線控制器更在全球無數的智慧硬體和連網裝置中得到應用,包括業界領先的智慧家庭、可穿戴裝置開發商也已經或即將推出基於Marvell平台方案的創新產品。


Marvell技術方案支援總監孟樹表示,Marvell在2014年成立了物聯網部門,涵蓋機上盒、電視、智慧家庭等產品線。“智慧家庭是我們發展的重點。Marvell已經進行了全線的佈局。整個物聯網部門從網路設備到網路核心元件都展開佈局。在無線連接方面,基於WI-FI、藍牙、Zigbee等三個方向都有自己的產品線,在技術方面更齊全,從微控制器(MCU)到無線都有,能提供非常全面的解決方案。”


孟樹表示,儘管未展開大肆宣傳,但其實Marvell已經悄悄佈局完成,目前在智慧家庭領域,Marvell的市場佔有率非常高。“智慧硬體方案在京東、小米的智慧裝置中得到了廣泛的使用。一些家電廠商也與我們積極合作,近期將陸續會有一些產品推出。”他同時特別提到在智慧照明領域,Marvell已經與歐司朗(Osram)、GE、貝爾金(Belkin)等廠商達成合作,出貨已經達到了幾百萬。







針對物聯網等領域提供半導體平台服務,瞄準以‘軟體平台為服務’(SiPaaS)的芯原微電子(VeriSilicon)為客戶提供客製化的智慧硬體平台、相關的IP授權以及ASIC客製與量產服務。芯原微電子銷售副總裁王銳表示,芯原目前已針對該領域累積了豐富的MCU客製及週邊類比、混合訊號IP平台、藍牙/Wi-Fi/EDGE/LTE連線性IP平台、低功耗SoC設計與量產以及SiP設計、模擬與量產的經驗,為客戶提供完整的一站式設計與量產服務。


除了自行研發外,不少半導體廠商還透過收購的方式加強佈局。2015年1月30日,芯科實驗室(Sillicon Labs)收購短距離無線網路連結解決方案和物聯網軟體供應商Bluegiga Technologies,這項策略性的收購大幅擴展了Silicon Labs在物聯網中無線網路硬體和軟體的解決方案。


去年3月,Sillicon Labs還收購了加州Touchstone Semiconductor全系列產品與 IP,透過收購強化了Silicon Labs在物聯網市場上的嵌入式產品陣容,包括節能MCU、無線產品和感測器。Silicon Labs亞太區資深現場市場經理陳雄基表示,目前公司重點佈局智慧家庭和穿戴領域,並且已經和不少知名企業攜手合作了。“Google之前收購的Nest內部溫控器就採用我們的Zigbee晶片。”

愛特梅爾(Atmel)微控制器業務資深產品行銷經理Andreas Eieland表示,Atmel為物聯網打造的產品線包括BLE、Wi-Fi和802.15.4解決方案及Atmel|SMART系列低功耗、高性能、基於ARM架構的MCU產品。產品廣泛適用於人機互動介面的高階產品SAM Q5系列,以及具有內建電容器式觸控感應、協議堆疊支援與加密功能的精巧SAM D系列產品。除了無線和MCU之外,Atmel還提供一系列硬體加密產品。“隨著互連互通的日益普及,不僅是安全問題,隱私問題的重要性也與日俱增。使用Atmel系列產品,用戶不僅可以得到互連體驗,還能夠在低功耗性能以及安全性方面得到更好的保障。”


對於低功耗性能,Atmel最近發佈了SAM L21系列的Atmel|SMART,基於Cortex-M0+供電MCU。SAM L21系列最高可提供256kB快閃記憶體和32kB靜態隨機記憶體,啟動模式僅耗能35uA/MHz, 而在休眠模式(關閉模式)大約耗能900nA。大容量快閃記憶體和靜態隨機記憶體以及超低耗電性能,將成為以電池驅動、執行大型(甚至多個)無線網路堆疊的應用不可或缺的功能。


產品定義方式改變


由於智慧硬體領域追求的並非更高性能,而是更低的功耗與成本,特別是針對可穿戴領域,更小的尺寸也非常重要。台積電(TSMC)中國區業務發展副總經理羅鎮球表示,高度整合的製程可以進一步降低成本和尺寸。“我們現在做的事就是把功耗降下來,整合度做好,功能做強。”他表示,針對智慧硬體市場,超低功耗、特殊製程整合、先進封裝三點缺一不可,台積電目前的智慧硬體產品涵蓋RF、嵌入式、快閃記憶體、邏輯與感測器等領域,主要集中在28、44、55nm製程。

聯華電子(UMC)副總經理王國雍表示,智慧硬體的產品定義方式也發生了變化,“有趣的是,我們第一次看到IC供應商在這個領域比較徬徨。”他表示,目前定義IC規格只有能夠提供巨量資料的系統服務商才比較清楚,這對IC設計公司提出了更大的挑戰。


羅鎮球對此表示,未來5~10年,整個半導體的產業鏈垂直整合會越來越多。代工廠不僅要和IC設計公司或IDM溝通,還要跟系統廠以及甚至更下游的客戶進行直接交流。Andreas Eieland也對此表示,為了適應物聯網/智慧硬體產品快速發展的需求,Atmel正廣泛與具備MEMS感測器和雲端連接解決方案等互補型技術的企業展開合作,以確保概念和上市產品之間彌合鴻溝。


中芯國際(SMIC)市場部資深副總裁許天燊指出,過去針對手機領域,中國IC設計公司的設計訂單(Design in)較少,原因是應用處理器(AP)和基頻晶片都掌握在幾家大型企業手中,原因在於這個領域需要追求先進製程的投入,如14nm與16nm。他認為,如今,智慧硬體帶來可以‘彎道超車’的機會,就在於中國IC設計公司可以在成熟製程上下更多功夫,這點與國際大廠是站在同一起跑線上的。“智慧硬體的技術並不是新的,智慧型手機的各種技術和製程都可以拿來用。”


瓶頸與挑戰:硬體設計與商業模式


儘管智慧硬體主要採用成熟製程,但是半導體廠商仍將面臨巨大挑戰。王國雍認為,目前包括指紋辨識、RF IC與電源管理晶片(PMIC)等都需要8吋產線,加上整個手機產業從3G轉向4G,預計8吋廠產能不足的問題會越來越嚴重。“這是一個結構性的問題,我們從2013年開始發現這個趨勢,越往下看發現情況越嚴重。”


為了因應產能不足的挑戰,聯電已經開始擴充8吋廠產能,中芯國際位於深圳的8吋晶圓廠日前也正式投產,這是中國華南地區第一條投產的8吋產線,預計將在2015年年底達到至少2萬片/月產能,最終達到5萬片/月產能規模。


除了面臨產能不足的挑戰,智慧硬體的設計也比過去更加複雜。英特爾中國區線上業務部總經理王稚聰表示:“以往廠商只需要考慮獨立硬體系統的輸入輸出以及和環境與人之間的互動即可,而今任何一款硬體的首要考慮是一個獨立設備如何和人與環境互動共存。此外還要思考和網際網路/雲端是否能形成一個共同的商業模式。一切都得從整體去考慮在環境與場景中的情況。”他認為,由於消費者對產品外觀具有很強烈的情感色彩,因此傳統的硬體設計工程師必須攜手專精於產品功能與外觀設計的公司,才能呈現真正有魅力的產品。


從技術角度來看,目前智慧硬體的感測器也較專門且單純。王稚聰表示:“例如醫療領域的感測器,在人體沒有任何創傷的情況下,體表測量的訊號非常微弱,感測器必須具有特別精密的插分電路,在電路層中濾除雜訊,然後再轉成數位訊號進行後期處理,但這種感測器的成本也比較高。以前這種類型的感測器主要提供給醫院的儀器設備使用,但這種應用無法實現大量市場,比不上普通的消費性電子產品。”


此外,目前智慧硬體還缺乏產業鏈的合作以及靈活的商業模式。Andreas Eieland表示,目前智慧硬體最大的挑戰在於如何輕鬆地開發複雜系統,將創意快速轉換為產品。這也是為何許多智慧硬體投入市場還不到1年時間就已經過時的原因。Andreas Eieland認為,面對未來越來越靈活的硬體創新與業務模式,還有待全產業鏈共同去研究,推出真正有價值且有具體應用場合的產品。

智慧硬體發展方向:更佳感知與互連


展望未來,智慧硬體的產品型態與技術將呈現何種變化?王銳表示,智慧硬體將越來越傾向於表現‘感知與互連’的特色。硬體中將整合更多樣的感測與定位(包括室內定位和室外定位),透過無線連接,擷取智慧型手機或網際網路雲端伺服器的強大軟體處理性能,為使用者提供更豐富的體驗和更便捷的服務。而智慧硬體的形態,也將呈現多樣化和分散化的局面。


王稚聰則表示,2015年的智慧硬體產品發展將呈現四大趨勢:首先,產品更貼近生活實際需求,更加簡單且易用;第二:軟硬結合更加徹底,體驗更完整。越來越多的網際網路廠商可能進軍智慧硬體領域,打造體驗更豐富的‘軟硬結合’產品;第三,人工智慧導入硬體實現真正的硬體智慧化;最後,硬體介面標準可能邁向統一,智慧硬體將成為標準化產品。


Andreas Eieland也表示,從2014年的發展來看,藍牙低功耗(BLE)技術逐漸發酵,最大的變化在於業界對無線連接的標準以及不同平台間互通性的關注度不斷提高。例如,Atmel在今年1月的CES展上推出SMART系列產品的藍牙低功耗收發器,以因應BLE 4.1日益成長的需求。“智慧硬體要真正取得成功,今後的任務就在於解決智慧建築物、產品規模與用電領域的挑戰。Atmel計劃透過針對Wi-Fi、藍牙和802.15.4的Atmel|SMART系列MCU、RF收發機以及具備靈活性、可擴展性和相容性的單晶片來因應這一挑戰。”



他認為,持續的產品整合、縮減尺寸和物料清單以及降低功耗是智慧硬體致勝的關鍵。擴大無線連線能力,以取代目前的有線自動化連接將是未來的一大發展趨勢。“如同Atmel所展開的行動——確保所有產品實現較長的使用壽命,對於在擁有較長設計週期和認證以及高達10年或以上使用壽命的市場中取得成功至關重要。”


孟樹認為,智慧硬體最重要的是雲端和人的互動,未來半導體廠商需要盡可能的協助客戶簡化這三個要素之間的互動。“在互連互通上,我們希望透過完整的開發平台提供通用的標準,實現完美的雲、人、端之間的互連與互動。”他重點介紹了該公司EZ-Connect IoT平台中的無線控制器晶片解決方案,即控制器+Wi-Fi+藍牙+ZigBee的整合型技術,幾乎涵蓋了所有目前智慧家庭、可穿戴領域市場的主流無線通訊方法,為開發者提供更大的想像空間。


他認為,在智慧家庭領域,Wi-FI會是焦點,但並非無所不能。Wi-Fi雖然可以支援高頻寬的應用,但相對的成本會比較高,功耗也比較高。相對於Wi-Fi而言,ZigBee較為標準化,雖然不同廠商之間的建置方案可能有所差異,但在Profile的定義上仍較完善。所以它更容易在一些特定領域,如智慧照明、LED照明方面開啟更多應用,而且預計在未來1-2年看到爆發性的成長。“相較於Wi-Fi與藍牙,ZigBee還有一個重要的優勢,即支援網格(mesh),組網能力更強,可支援多台設備或資訊接取節點,更適合未來家庭應用。”

智慧硬體的利基市場


由於智慧硬體涉及的範圍廣泛,產業細分和分散化較嚴重。對於半導體廠商來說,想要更有針對性地開發產品,就必須更準確地預測可能會爆發的應用市場。王稚聰更看好互補型的工業應用市場,如工業、醫療、健康與教育等。例如針對醫療領域,他認為目前的硬體和軟體技術並不是問題所在,未來必須改善的是整體醫療服務體系的軟環境。

Andreas Eieland則看好智慧照明、改善空調條件以及加強建築物控制等。他同時認為,越來越多的小型企業將尋求與市場中大型廠商的相容性,從而進入相關市場以及整個產業生態系統,包括飛利浦(Philips)的Friends of Hue、蘋果(Apple)的MFi認證、Google的Thread聯盟、英特爾主導的開放互連聯盟(OIC)、ARM針對IoT的mBed等。在此之前,小米(Mi)、三星(Samsung)和蘋果已經從諾基亞(Nokia)、摩托羅拉(Motorola)、愛立信(Ericsson)、BlackBerry和Sony等手中陸續奪走了整個智慧型手機市場。其中,小米以及中國的網際網路公司正透過資本和聯盟的方式大舉進入智慧硬體領域。


Andreas Eieland表示,“歷史將會重演,在硬體市場中取得成功的新一代企業將再次取代目前的大型企業,或者至少彌補其市場中的部份空白。”


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 2015-04-10 13:35個人資料傳送 Email 給 jason
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 IoT感測元件技術

2015/04/02 DIGITIMES

在物聯網的感測層中,負責了前端資料蒐集與擷取,無論是RFID、電壓、電流、溫度等環境感測器,或是結合能量採集和電源管理的壓電開關、熱電產生器、熱電堆等環境感測器等,物聯網的物物相連,唯有靠這些感測元件來建構IoT的眼耳鼻口,才能完成大數據的雲端資料庫的即時蒐集、擷取、運算、分析與數據智慧化…

無線感測器技術與日俱進

環境感測器最早可追朔到美軍在越戰時期,因為越南的茂密的叢林加上多雨的地理環境,使得衛星與偵查機的情資蒐集成效不彰,因此美軍透過運輸機將許多振動感測裝置空投到戰區,以偵察裝甲車與部隊所造成的地面震動,進而提早預警並切斷越共的補給。

前述的軍事應用之外,還可以用來做環境監測(如天氣、光線、污染等變化)、工程安全(如橋樑、建築結構檢測)、都市交通監測,以及各種工作與娛樂場所的防範監控等等。

進入21世紀,拜積體電路(IC)、無線通訊(Wireless Communication)與微機電(MEMS)等技術的加持,感測器(Sensor)技術越來越先進,不僅感測器越做越小,從區域的感測點佈置、網路節點(Sensor Node)到整體佈設成本都能獲得有效的縮減。

以眾多無線感測器(Wireless Sensor)所建構出來的無線感測器網路(Wireless Sensor Networks;WSN)的WSN,不僅涵蓋了大面積的資料蒐集、數據監控、自主運算、自主傳輸等現代化技術,其應用上也日漸蓬勃發展。

建構IoT感測層/感知雲的感測元件

感應器(Sensor)從早期的類比式到近年的數位式,對於光線、熱量、溫度、濕度、壓力、磁力、電場、機械、化學等環境,都能做極細微且精準的感測與數據採集;同時其數據傳輸方式,也從原本有線連接進展成無線傳輸的設計。

有鑑於近年來智慧型裝置的流行,開啟了IoT(Internet of Things;物聯網)的全新應用,在IoT包含應用層、雲端服務層、網路層及裝置/平台層等4個層級中,感測元件位於網路層及裝置層,也被視為隸屬雲端IoT的一環-感知雲(Sensor Cloud)。
而一個無線感測器,其硬體架構可包含:

1. 微控制器(Micro Controller Unit;MCU),通常這類MCU時脈在200MHz以下,CPU內嵌小量的SRAM/DRAM/Flash記憶體,並且存放小型的韌體OS與軟體,負責執行感測數據採集與運算。

2. 電力供應單元(Power Unit),一般會使用到像是網路電力線(Power Over Ethernet;PoE)、鋰電池,或者是採用太陽能、壓電開關(Piezo Switch),或可借助環境磁力、無線電波產生電源的環境能源採集(Energy Harvesting)的設計。

3. 一到多個感測單元,像是包含光線、溫度、濕度、壓力、磁力、振動、電流等的變化。通常會採用MEMS微機電感測元件。

4. 無線射頻單元(RF Transceiver)。

通常應用到像是RFID,或其它支援低功耗的無線電傳輸,例如低於1GHz頻段的Z-Wave、Thread,900MHz/2.4GHz頻段的ZigBee,2.4GHz頻段的低功耗藍牙(Bluetooth Smart)中低速率無線傳輸技術的RF晶片,傳送少量量測數據封包後即刻關閉以節省電力;傳遞到感測中繼站(Sensor Hub)彙集後,才轉以較高速率的Wi-Fi 802.11a/b/g/n或3G/3.5G方式傳送到中央伺服器。


感測器成本結構與低功耗設計

感測器(尤其是無線感測器)最大成本為CPU/MCU與RF射頻單元,有感測器業者藉由先進半導體與封裝製程MCP甚至SoC方式加整合、密集化。目前無線感測器的體積可以做到僅一枚硬幣大小,而具備802.11a/b/g/n Wi-Fi無線中繼傳輸節點,差不多跟一支隨身碟、口香糖的大小相當。

有些長被應用在像是火山口、酷寒地帶、湖泊或高架道路橋樑等,屬於難以接觸且維護上比較不容易的區域的感測器,為了降低安裝與頻頻更換電池的維護成本,這類感測器被嚴格要求到,僅憑電池就能運作3∼20年,有些還輔以太陽能、壓電開關、磁力、振動或擷取環境無線訊號的方式就能產生微弱的電力,使整個無線感測器能持續運作。

Research MOS/IDTechEx就預測,環境擷電的感測裝置在2012年市場總值為1.31億美元。到2019年將達到42億美元,以及超過100億組的裝置量。

在居家自動化中,從早期煙霧感測器、瓦斯感測器、玻璃窗被入侵感測器等應用,到近期像早期的到近期LED燈具的環境/情景設定、光源亮度設定,以及電動窗簾自動啟閉。像恩智浦(NXP)發表以壓電原理(Piezo)設計的無線切換開關,按下開關就能產成電力驅動內部的射頻晶片,傳輸訊號到支援ZigBee的無線LED燈具上。而也有廠商紛紛開發出以Z-Wave、ZigBee、BluetoothSmart或Wi-Fi無線遙控的LED燈具、家電、門鎖等應用。

區域自主運算(Local Processing)則是新一代無線感測器的設計新趨勢。平時無線感測器MCU與RF處於睡眠節能模式,一有量測訊號出現時先開啟MCU,做好數據簡易判斷確認後,快速開啟RF單元傳送數據後關閉RF與MCU,重返節能模式。另外韌體空中更新(Over-The Air;OTA)的設計,方便日後藉由遠端無線方式傳送韌體資料,對廣大的感測器的韌體進行更新作業。

監控產品導入物聯網應用

無論是工廠、公司機關或是家庭,安全監控系統(Surveillance)產品所涵蓋到的網路攝影機(IP Cam)、影像監控軟體、網路伺服器、影像儲存裝置等四大類,正是最早期物聯網中感知層、網路層與應用層的應用(只是無法透過網路查詢,算是私有雲性質)。

當隨著網際網路、雲端運算與物聯網的浪潮下,台灣監控市場業者也紛紛開發安控產品使用的CCD攝影機、直接一條網路線做供電/傳輸資料的PoE網路攝影機(IP Cam)、無線網路攝影機(Wi-Fi Cam)、影像監控軟體、網路錄影機(NVR)、網路影像伺服器等監控設備與產品。

監控攝影機依內部影像感測器(Image Sensor)技術,可分為CCD與CMOS兩大類。近年來CMOS影像感測器(CMOS Image Sensor;CIS)在影像處理、訊號降噪、背光寬動態等整體影像表現已追上CCD,且成本更為便宜。

當前主打數位家庭的低照度高清(HD)的IP網路攝影機,畫素從200∼1,000萬不等,用戶可藉由智慧手機、平板電腦或筆電,隨時透過雲端來監控居家的影像狀態。較高階的產品還會提供IR紅外線補光、動作與聲音偵測自動錄影,以及雙向耳機/麥克風錄音、螢幕顯示功能,使得在居家被照顧的老人、病患,或被監控的孩童或寵物,也能聽到甚至看到來自遠端主人的聲音或影像。

由於Wi-Fi 802.11a/b/g/n與WCDMA/3.5G HSDPA等無線/行動通訊方案的普及,開始也有安控業者,將無線/行動通訊模組設計整合於攝影機內部,或提供可擴充的Wi-Fi/3.5G附加模組設計,為IP攝影機建置無線傳輸的需求。

坊間在販售的Wi-Fi無線網路攝影機支援到2.4GHz 802.11b/g(11/54Mbps),高階產品還支援到IEEE 802.11n(150∼300Mbps)。也有安控業者跟4G電信營運商合作,推出專屬於4G LTE的無線網路攝影機的產品。

不少產、官、學界紛紛合作,尤其是體育或醫療大學與科技大學的資訊科技跨業結合,以各種不同的溫度、濕度、心電圖、脈博等感測器,結合穿戴裝置與無線網路傳輸的功能,讓有類似心臟病、高血壓的患者,藉由在家配戴具備無線感測傳輸的穿戴式感測器、感測衣,可以隨時隨時隨地監控記錄心電圖訊號(ECG)、呼吸、體液、溫度與移動加速度等狀態,不僅使得有限的醫療院所的資源得以有效運用,同時也使目前醫療照護的涵蓋範圍,進一步從醫院延伸到老人機構,再從機構再跨到一般社區的居家照護。


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 IoT無線&行動通訊技術與應用

2015/04/02-DIGITIMES

在物聯網架構中,網路層是銜接感知層與上游應用層的重要中介,能連網的行動裝置與世間萬物,藉由種種無線與行動通訊,向上傳遞感測資料或蒐集的特定訊息,能突破空間束縛的各種無線連網&行動通訊協定的支援,才是物聯網各種裝置能夠一同發揮智慧戰力的關鍵…


建構物聯網應用與感知的中介-網路

IoT(Internet of Things;物聯網)的應用架構中,第二層的「網路層(Network Layer)」-透過各種區域網路、近距離無線網路(WPAN)、中長距離無線網路(Wi-Fi)或更長的3G/4G行動通訊網路,來傳遞感測的資料/環境訊息。網路層這部份如果再細分,從矽元件供應商提供802.15.4規範的個人無線網路,如ZigBee、Z-Wave、ANT、Bluetooth Smart(BLE)。

更高傳輸速率的802.11無線區域網路(Wi-Fi WLAN),如2.4GHz頻段的802.11n (300∼450Mbps)、5GHz頻段的802.11ac(867Mbps∼1.3Gbps),甚至60GHz頻段的802.11ad(7Gbps)的傳輸速度。此外還有由電信營運業者所經營的無線存取網路(Radio Acess Network;RAN) 所提供的2G、3G(GSM/WCDMA)、4G LTE等行動通訊。


低功耗、短距離無線網路

像是IrDA、ZigBee、6LowPAN、WirelessHART、WIA-PA、ISA100等。紅外線通訊(IR)歷史最悠久,距離大約1∼2米,對傳角度限制30度以內。IrDA協會於1993年成立,制定像SIR (Serial Infrared, 9.6K∼115.2K bps)模式、FIR (Fast Infrared, 4Mbps)模式等,由於紅外線容易受障礙物遮蔽而導致傳輸中斷,因而逐漸式微。

藍牙技術最早由易立信(Ericsson)於1994年發起,起初應用於手機和配件,後來成立藍牙協會吸引各大ICT廠商加入與推廣。區分出:1. 傳統藍牙(速度1∼3Mbps;距離10~100米),作為訊息傳遞、裝置連線;2. 高速藍牙(Bluetooth HS;8~24Mbps;距離10米),主攻數據交換與傳輸;3. 低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy;BLE;亦稱Bluetooth Smart)則是2010年針對穿戴式裝置、IoT物聯網或工業自動化之低耗電連網需求所提出,距離在30米以內,傳輸速度為1Mbps。

ANT是加商Dynastream Innovations公司所主導,使用鈕扣電池可維持1年以上,應用在體育健身、醫療保健、穿戴式裝置等產品上。其傳輸速度為20Kbps,採自適應同步網路架構,確保各裝置在傳輸時不受其他訊號干擾。而ANT+為ANT的延伸協定,可定義不同廠商產品的裝置參數,以便互享感測器數據資料。

於2005年開始嶄露頭角的ZigBee協定,以IEEE 802.15.4標準規範之無線網狀網路架構,具備低成本、低功耗特性,傳輸速度在250Kbps,距離10∼20公尺,廣泛應用在如家用燈控、家庭建築&工廠等自動化,及無線感測網路(WSN)產品。其網路拓撲可支援Star(星狀)、Cluster Tree(簇樹狀)、Mesh(網狀)型態,被業界視為智慧建築(Smart Building)、物聯網(IoT)最廣泛的協定之一。

ZigBee v1.2(又稱ZigBee PRO、ZigBee 2007),則涵蓋了: 家庭自動化、智慧能源、通信服務、醫療保健、燈光控制(Light Link)、建築自動化、閘道器、以及Green Power(綠能)等協定;而ZigBee RF4CE協定則是針對消費性電子產品,以取代遙控器、輸入裝置為主。

另一個跟ZigBee很類似的Z-Wave,是丹麥ZenSys公司所開發專門針對家庭自動化遙控的低功耗無線傳輸協定,規格為ITU-T G.9959。最初使用的頻段為868MHz(歐洲)、傳輸速率也只有9.6Kbps∼40Kbps,因為其設計的目的僅在於遙控家中電器、燈光控制,不需要太多數據流,但靠著低頻(低於900MHz)無線電波的優勢,即使在樑柱與隔間多的大房子內也有很強的穿透性;後來也流行到北美(908MHz)、日本(922∼926MHz)、香港、澳洲、紐西蘭與巴西(921MHz)。為了因應ZigBee升頻段與升速,Z-Wave也將傳輸速率提高到100Kbps。

而針對無線感測網路(WSN)之節點(Node)間傳輸協定,除了ZigBee之外,另也有採用ISA100、WirelessHART、WIA-PA、6LowPAN等嵌入式產品專用的通訊協定。以IETF (Internet Engineering Task Force)制定的6LoWPAN開放標準,支援IPv6,讓無線路由器可休眠,甚至免閘道器設置也能使裝置相互連接,適合WSN低規、低耗的客製化環境,故也廣被ZigBee IP、ETSI M2M、ISA 100.11a、BLE等無線網路技術所採納。


超高速近距離無線傳輸技術

像Sony在2008年發表的TransferJet,以近距離感應通訊(NFC)結合超寬頻(UWB)的電感磁場技術,在相距幾公分內,兩個裝置資料傳輸速率高達375Mbps;若採用4.48GHz頻帶,速率更高達560Mbps,能應用在手機、遊戲機、數位相機、攝錄影機、電腦、電視與印表機之間的近距離傳輸。

而Li-Fi 燈光上網技術-也是一種以燈光為電磁波,讓LED燈泡快速地閃爍(肉眼難以察覺),搭配專屬的Li-Fi接收器即可做為資料傳遞。上海復旦大學搶先2013年10月發表-在單一LED燈源下提供4台裝置同時上網、互傳資料,平均速度達150Mbps。台灣台北科技大學呂海涵教授,於2014年4月創下紅光雷射光傳輸速率10Gbps與17.5米距離的成功案例。但光通訊有無法折射、怕阻擋物、接收角度受限等缺點,再加上成本高、耗電大,因此尚無法完全取代Wi-Fi。


WiFi長距離無線網路技術演進趨勢

1997年IEEE(國際電機電子工程學會)制定出使用2.4GHz頻段的802.11,最大傳輸速率為2Mbps;1999年推出5GHz頻段的802.11a(54Mbps)與2.4GHz頻段的802.11b(11Mbps);2004年同為2.4GHz頻段的802.11g,連線速率提升到54Mbps且維持跟802.11b相容。2009年採用2.4/5GHz頻段的802.11規格推出,導入最新4x4 MIMO (多重天線收發)技術與頻寬倍增優勢,單資料串流連線速率為150Mbps,4資料串流(4x4 MIMO)的連線速率高達600Mbps。

2014年1月定案的802.11ac規格,以5GHz頻段、頻寬倍增技術,傳輸速率從433Mbps(單資料串流)起跳,最高可到7Gbps (8資料串流/160MHz),即時傳輸高清影音(Full HD)甚至4K (3840x2160)影音串流。但目前僅筆電具備802.11ac 3資料串流能力,多數手機、平板電腦因為低功耗因素,僅使用到1~2資料串流,且速度降為325∼650Mbps。

至於60GHz超高頻無線技術,則有WiHD (IEEE 802.15.3c規格)與WiGig(802.11ad)兩大聯盟的競逐。WiHD傳輸速率達10∼28Gbps,晶鐌(SiliconImage)是唯一晶片供應商。WiGig晶片供應商是以色列塞沙里亞(Caesarea)新創公司Wilocity,傳輸速率7Gbps雖然較慢,但WiGig已成功與Wi-Fi聯盟的2.4GHz 802.11b/g/n、5GHz頻段的802.11ac整合,達到三頻(2.4/5/60GHz)多模共用的境界。

Wilocity已於2014年發布28奈米的802.11ad WiGig晶片,而高通(Qualcomm)在2014年7月宣佈以3億美元併購Wilocity,將60GHz WiGig新技術整合到其Snapdragon 810處理器/智慧手機平台,來實現4K影像的無線傳輸,以及無線擴充底座等超高速應用。

谷歌(Google)在去年(2014年) 2月併購Nest Labs公司,取得其提出專門鎖定智慧家庭市場的Thread連網平台技術。Thread採用802.15.4規範並以IPv6為其網路層的主要架構(即6lowWPAN),不受任何硬體(x86/ARM)、軟體平台(不限iOS或Android)或各種無線實體層技術的限制,部份ZigBee、Z-Wave或Bluetooth Smart晶片,可藉由韌體升級,來支援Thread進行無線網路相互連接。Thread Group聯盟預計2015年7月就會有第一套應用Thread技術的產品問世。


4G LTE行動通訊建置IoT網路最後一哩

LTE第四代行動通訊協定,全球已有28個LTE-FDD以及12個TDD-LTE頻段。台灣則使用700MHz、900MHz、1,800MHz,由中華電信、遠傳、台哥大與台灣之星等取得4G頻譜執照並於2014年6月陸續開台營運,未來2,600MHz頻譜預定在WiMax執照期滿後收回轉向LTE-FDD或TD-LTE之用。

從連線速率觀點,LTE提供;第1類DL 10Mbps、UL 5Mbps,第2類DL 50Mbps、UL 25Mbps,第3類100Mbps、50Mbps;從第4類開始需使用多重天線收發(MIMO)技術,第4類(2x2 MIMO) DL 150Mbps、UL 50Mbps,第5類(4x4 MIMO) 300Mbps、UL 75Mbps,最高速的第7類(LTE-A)則到UL 300MBps、DL 150Mbps。目前台灣僅開放到LTE第3~4類。

預估隨著IoT裝置無線連網/行動通訊科技及應用環境的成熟,智慧家庭可望加速成長,2013年全球智慧家庭營業額330億美元,預估2018年可躍升到780億美元。至2019年底,全東北亞區智慧型手機用戶數將達到16億以上。IDC與Gartner都預估。2020年全球IoT智慧連網裝置總數將達250億。其中消費端所使用的物聯網裝置數達130億。


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 免電池也能實現物聯網!

電子工程專輯 2014年08月14日

電池有時候是行動裝置與感測器的禍根,這種電源並不可靠,必須充電或是定期更換,可能會成為物聯網(IoT)的最大弱點;為此美國華盛頓大學(University of Washington)研究人員想到了一個好主意:藉由從現有的廣播、電視以及其他無線訊號中採集能量,他們開發出一種能讓感測器、可穿戴式裝置等低能量設備,不需要電池或電線就能連網的方法。
除了利用射頻做為電源,華盛頓大學的工程師們也發現了重複利用現有Wi-Fi訊號為無電池裝置提供連網功能的方法;這種稱為Wi-Fi Backscatter的技術,號稱是第一個能讓無電池裝置與Wi-Fi基礎設施連結的方案,奠基於讓低功率裝置如溫度感測器從廣播、電視與無線訊號採集能量的較早期研究成果之上。

華盛頓大學表示,這種新技術需要克服的挑戰在於,傳統的低功率網路如Wi-Fi與藍牙,所消耗的能量是得以從電視廣播、蜂巢式網路或Wi-Fi發射器採集之能量的兩到三倍。Wi-Fi Backscatter這種通訊機制,能讓透過射頻供電的裝置透過反射(reflecting)或不反射來自Wi-Fi路由器的訊號,將資料編碼;現有的裝置與感測器能偵測到由那些反射所產生的Wi-Fi訊號強度變化。而因為Wi-Fi Backscatter只是反射、並非產生無線訊號,因此只需要不到10mW的電量就能與連網設備溝通。


華盛頓大學電腦工程暨電子工程副教授Joshua Smith表示:「你可能會想,一個低功率裝置怎麼可能造成無線訊號的微小變化?但如果你仔細觀察,會發現環境中所有Wi-Fi訊號的反射都有這種現象。」Wi-Fi Backscatter可達到1kbps的通訊速率,裝置之間的距離最長可達2.1公尺,這看起來似乎不那麼令人印象深刻,因此華盛頓大學的研究人員打算將通訊距離拉長到20公尺;該團隊也為該技術申請了專利,並打算成立一家公司來推廣。

早在19世紀末20世紀初,知名發明家Nikola Tesla就提出過無線供電技術,不過一直以來相關解決方案都無法取代隨處可見的AC電線;而現今產業界也有許多廠商都在開發短距離的無線充電技術。華盛頓大學電腦科學暨工程系副教授Shyam Gollakota表示:「要讓物聯網起飛,我們必須為可能達數十億台、嵌入在各種日常用品中的無電池裝置提供連結性。」

Gollakota指出:「我們現在可以讓裝置擁有無線連結功能,而且所消耗能量等級低於一般Wi-Fi裝置。」也參與Wi-Fi Backscatter研發的華盛頓大學電子工程博士生Bryce Kellogg表示,該技術最大的優勢之一,是只要透過軟體更新就能讓現有的家用無線路由器,擁有與其他家用智慧感測器、物聯網裝置通訊的功能,這大大降低了消費者佈署新技術的門檻。


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 2015-08-24 17:38個人資料傳送 Email 給 jason
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 物聯網引爆新一波工業革命

電子工程專輯 2014年09月04日

我們正處於一個智慧運算無處不在的時代,通訊與運算技術日趨成熟,幾乎所有基於網際網路協議(IP)的連網設備、有線的以及無線的都可以進行連接,各種物件也開始變得智慧,並透過與雲端運算、巨量資料分析相連,將我們帶入一個物聯網(IoT)的新世界。工業物聯網(IIoT)正是其中的一個重要分支,它將在因應社會發展最迫切的挑戰中發揮關鍵作用,例如空氣污染、食品安全、智慧交通、遠端醫療與資訊化教育等。

工業物聯網(IIoT)只是IP連網裝置的三大類之一。其他兩項分類是消費性IoT以及機器對機器(M2M)裝置。比起消費性IoT或傳統M2M,工業物聯網的應用更加嚴格,更強調採用自主對等分佈式控制的M2M通訊架構。

目前以IP實現的物聯網可分為三類:消費性、M2M以及工業M2M。隨著工業控制網路開發商越來越感興趣,物聯網目前正處於密集評估和迅速採用階段。大多數的IT、企業軟體、設備、半導體與服務公司都已經擁有設計物聯網的產品。與廣義的物聯網一樣,工業物聯網涉及的關鍵技術問題包括感測器、射頻辨識(RFID)標籤、嵌入式系統、網路傳輸以及閘道器等技術。

根據市調公司McKinsey Global Institute的統計,全球工業物聯網預計可望在2025年創造出每年約3-6兆美元的市場規模。這為半導體供應商帶來了大好機會,因為智慧化、通訊、感測、自主作業,以及環保都是物聯網的關鍵特性,而這些特性最終將轉化成對於微處理器、無線元件、感測器、電源管理等嵌入式技術的需求。

2025年以前,工業IoT可望創造出每年3-6兆美元的商機產值;其中,以醫療保健與製造業市場規模最大。

感測器與RFID技術新趨勢

在物聯網中,首先要獲得現實世界的各種資料,而這就需要感測器與RFID技術的支援。感測器技術正不斷地更新與變化,越來越多的智慧技術被應用在感測器上,網路技術也開始與感測器密切結合,例如Bluetooth Smart技術。Nordic Semiconductor戰術行銷經理John Leonard表示,Nordic的nRF51系列SoC是用於物聯網端點的理想方案,不僅支援Bluetooth Smart,還支持 ANT+以及Nordic專有的2.4GHz協議。

他強調,nRF51系列SoC在單一晶片上結合了功能強大的32位元ARM Cortex-M0、多協定2.4GHz無線電和快閃記憶體。Nordic晶片在單一元件上結合了物聯網的連接性以及執行應用程式的運算能力,再加上特別設計的SoftDevice軟體堆疊,為nRF51系列帶來一個清楚分離RF協定和應用程式碼的獨特架構,從而使工程師得以在最低風險的情況下方便且快速地開發應用。

而在RFID系統中,標籤可能預先被嵌入人們日常生活的任何物品中,透過對嵌入的電子標籤進行掃描、定位與追蹤,就能追蹤物品的狀態資訊,包括產地、生產日期、原始方式、材料與真偽等。

HID Global大中華區行銷總監趙建邦看來,RFID電子標籤技術是能夠讓物品自我介紹的一種技術。它可透過貼在物品上的特定標籤來收集物品的資訊,並透過無線通訊網路,把資訊自動傳輸到中央資訊系統,實現物品的辨識,進而以開放性的電腦網路實現資訊交換與分享,以及對物品的‘透明’管理。

HID Global可提供門禁和電腦桌面登入、認證與證件管理、卡片列印與個人化服務、訪客管理系統、安全政府ID,以及工業與物流的應用。對於RFID的應用,他舉例說,“HID Global曾經為澳洲海關與邊境保護署提供一組客製化RFID標籤解決方案,在各工作地點部署先進的資產追蹤系統,其中包括為每一個部門的武器與重要資產安裝標籤。”

“透過這套系統,可即時查看所有使用中的資產和庫存資產,即時獲得相關設備與武器的使用狀態與所在位置,總部也能根據最新資訊做出重要決策。新系統保障在履行職責時,工作人員都能取得適當的設備,而且設備運作正常。此外,該系統還降低了武器被盜或改造的風險。”先進資料傳輸技術

工業物聯網開啟了將不同自動化系統產生的大量資料移至雲端的趨勢,以便進行先進的資料分析,用於機器診斷、預防性維護以及工業過程最佳化。隨著自動化系統及其相關的感測器/閘道器連接至雲端,半導體元件的用量將會大幅提高,包括傳統的現場匯流排、乙太網路與無線射頻等不同元件,均可用於實現連接性。

各種機器和設備變得越來越智慧化,並且需要網路連接。對此,Vitesse技術與戰略副總裁兼技術長Martin Nuss認為,這種連接最終都會透過乙太網路技術來實現,並為像Vitesse這樣提供低功耗、窄頻到中等頻寬容量與工業級溫度範圍乙太網路解決方案的半導體公司帶來了機會。

Martin Nuss表示,物聯網正經歷快速的成長與蛻變,而且就像先前的電信網路一樣,正朝向十億位元乙太網路(GbE)遷移。Vitesse已經針對工業物聯網的各種不同應用提供了相應的產品。例如針對高能效乙太網路,EcoEthernet 2.0透過支援多種EEE PHY,可在進行主動連結的閒置模式顯著地降低功耗,與全數據速率的1000BASE-T相較,可實現能耗降低高達85%;在安全性方面,Layer-2 IEEE802.1AE MACSec加密技術──Intellisec,則提供了一種低成本、低功耗和易於擴展的網路級安全機制。

此外,對於物聯網網路言,為了確保所連接的設備在進行資料擷取與系統控制時擁有精確的時脈,準確的時間‘同步’至關重要。Vitesse的VeriTime是一款經現場驗證可滿足物聯網網路確定性要求的時間同步解決方案,採用IEEE 1588v2 Precision Time Protocol高精度時間同步協定建置,可實現奈秒級精度的網路授時與同步。

乙太網路的確定性是工業物聯網的關鍵要求。這些系統必須具有可預測性和一致性,更重要的是必須同步,因此關鍵是授時。Martin Nuss舉例說,“在諸如高速封裝的產線上,你會發現數百台馬達必須密切地同步。對於任何高速產線來說,通常都要求達到亞微秒級以上的精確同步。即使只有一個馬達不同步,整條產線系統都可能發生災難。”

此外,Martin Nuss指出,功效在工業物聯網中也非常關鍵。因為更低的功率,通常意味著更低的成本。在許多工業應用中都需要密封罩,以便可在諸如高熱、濕氣、灰塵或甚至水下等惡劣的環境條件下運作。擁有更高能效的晶片可降低成本,並且更易於為這些環境構建解決方案。

針對低功耗,凌力爾特科技Dust Networks產品部總裁Joy Weisss也認同這個看法,她表示,凌力爾特致力於低功耗最佳化的電源管理產品,其中包括利用採集的能量作為電源。她以一個成功的工業物聯網案例表示,隨著工業市場上無線感測器與儀表連網的出現,Dust Networks的SmartMesh Wireless HART無線網格網路成為生產Wireless HART感測器和閘道器的儀器製造商首選。

在無線傳輸方面,ADI針對物聯網推出了AD9361無線收發類比前端。AD9361是一款高性能、高度整合的RF捷變收發器。該元件的可程式設計與寬頻性能使其成為多種收發器應用的理想選擇。該元件集RF前端與靈活的混合訊號基頻部份為一體,整合頻率合成器,為處理器提供可配置數位介面,從而簡化設計導入。AD9361工作頻率範圍為70MHz至6.0GHz,涵蓋大部分授權與免授權頻段,支援從不到200kHz到56MHz的通道頻寬範圍。該元件可用於小型基地台/femtocell等微型基地台設計,便於安裝與除錯以實現工廠自動化。

智慧化工廠的產品主要瞄準工業連網應用。ADI提供從4~20mA、RS-232、RS-485、CAN、LVDS等多種工業通訊協定的晶片,可支援隔離與非隔離、工業溫度範圍、含DC-DC隔離電源等技術;還有一些支援短距離無線通訊技術,提供可涵蓋不同頻段的高性能射頻晶片。這些晶片都為工業網路帶來很大的便利性,例如,ADM2582/2587帶隔離電源的整合RS-485介面晶片、ADM3052/3053帶隔離電源的CAN介面晶片均便於工業網路應用。

當然,在工業物聯網的資料傳輸過程中,除了乙太網路與無線射頻技術以外,也包括以新型感測器介面標準(如IO-Link),以及廣泛佈設的現場匯流排標準所進行的連接。Maxim Integrated工業應用市場專家Suhel Dhanani表示,Maxim提供獨特的方案,能夠有效因應工業物聯網面臨的連接性與嵌入式安全方面的重大挑戰。Maxim擁有廣泛可靠的收發器PHY產品線,支援各種現場匯流排標準(如Profibus),以及發展迅速的感測器標準(如IO-Link)。



Suhel Dhanani指出,“IO-Link方案具有先發優勢,在數位感測器這一持續成長的領域擁有較廣泛的市場接受度。我們還提供針對數位I/O卡的介面產品,允許採用一個整合元件因應8通道I/O;此外,還有完整的類比訊號調節器產品線,這類元件在感測器和類比I/O模組中的部署數量呈穩定成長趨勢。”

他還指出,在嵌入式安全領域,Maxim在POS金融終端和ATM設備相關的嵌入式安全方面擁有領先優勢。這一技術也被應用於需要在硬體層面進行保護的工業系統。這些產品的範圍從低成本認證引擎到能夠進行工業標準加密演算法處理的先進安全微處理器。

隨著系統供應商將工業資料移至雲端,使用工業物聯網實現最佳化控制、實現差異化診斷,對於可靠通訊、精確測量以及嵌入式安全產品的需求將持續擴增。Maxim已針對這三個應用領域投入巨大的精力,目前並正開發新一代、支援多通道的整合I/O Link元件、精度更高且功耗更低的資料轉換器,以及具有最新工業標準認證/加密演算法的防篡改嵌入式安全產品。

連網與運算無處不在

物聯網時代是一個運算無處不在的新時代,每個設備與物件都將具備運算能力,基於半導體的整合運算解決方案將在擁抱物聯網方面持續發揮關鍵作用,並將朝向尺寸更小、執行速度更快、功能更靈活、產量更大的方向演進。而開放來源的發展策略也更有利於生態系統的構建。

英特爾中國區嵌入式事業部總監曾明表示,英特爾的物聯網核心策略是透過開發內建Quark、Atom、Core與Pentium等核心的多種運算平台,提供與之配套的軟體解決方案,為更多的設備類別注入智慧,實現端到端的分析能力,並藉助智慧閘道器將傳統設備連接至雲端,以促進原本孤立的系統轉為互連設備,突破‘資訊孤島效應’,從巨量資料中挖掘商業價值,不管是在零售、交通、安全、工廠自動化,還是可穿戴技術領域,都能提供‘端到端’解決方案的開發與部署。

據曾明介紹,英特爾依次從‘物件、平台、資料分析和生態系統’四個層次,針對物聯網提供全面支援。首先,憑藉英特爾Atom處理器E3800系列、Quark系列晶片X1000以及Edison運算平台,英特爾的運算觸角得以從工業物聯網延伸到可穿戴式裝置等日益增長的細分市場。

其次是平台層面,著眼於閘道器的重要性,英特爾推出了軟體和硬體整合的閘道器系列,由英特爾的晶片、Wind River的軟體,以及McAfee軟體整合而成的解決方案,可在既有的系統與新系統之間建立連接的通用介面,支援網路供應商與服務供應者在通用平台上設計網路,從而更快落實可用的工業物聯網方案。

此外,英特爾提供垂直的端到端和分佈式分析能力,使設備與設備、終端系統與資料中心、資料分析與行動終端之間互連互通,繼而將物聯網產生的小量資料彙聚成為巨量資料,並使其經過過濾、分析與分享,最終變成可用的資訊。

最後,英特爾還將與更多當地合作夥伴協同合作,開啟更多創新、建立智慧與互連生態鏈,同時攜手解決各種挑戰。

邁向工業物聯網之路面臨挑戰

雖然工業物聯網的前景看好,但面臨的問題也不少。Joy Weiss認為如今的工業市場非常保守,新產品和新技術在得到廣泛採用之前,一定要實現非常高水準的可靠性。Suhel Dhanani指出,“工業物聯網益處頗多,但需要前期成本投入。成本來自於所有現場設備實現連接,管理工業環境中常見的各種不同標準。

此外,“Suhel Dhanani強調還必須說服客戶,使其確信未來所獲得的收益是值得前期網路開發成本投入的。因為無論在世界各地均可獲取工廠資料,以及利用巨量資料演算法進行過程最佳化與診斷。另一個瓶頸在於讓更多的人認清物聯網也可能削弱安全性漏洞、帶來惡意攻擊,甚至是剽竊生產IP/技術。”

網路通訊技術的發展可望促進工業控制的智慧化發展,因為網路通訊技術可將工業控制整合成一個系統,在最佳化的控制系統中實現智慧化,也易於將各個獨立的子系統與節點連接成更大的系統。

ADI市場經理張鵬指出,在工業網路技術領域,軟體技術的發展面臨巨大挑戰,因為真正雙向的通訊、智慧感測器與智慧通訊,都需要更高可靠性的軟體來支援,針對不同的控制物件也需要更多專業化與客製化的軟體。此外,針對工業應用複雜的現場以及特定的環境條件,高溫、高可靠性、需要隔離的元件也需要更多的新技術支援。

工業物聯網將是一個融合多種設備、網路、應用、互連互通的大規模網路。工業物聯網的發展至今尚未出現大規模的應用範例和成熟的商業模式。在曾明看來,這主要是由於缺乏工業物聯網發展規範和技術標準所致。

在工業物聯網的發展道路上,感測器、介面、通訊協議與管理協定等方面都需要建立統一的標準,才能整合與節約資源以及降低成本。曾明強調,“工業物聯網將推動傳統工業的資訊改造,實現產業資訊化、部門資訊化,從而推動社會整體的資訊化。工業物聯網要得到大規模的進展,就必須打破跨產業之間的壁壘,建立新的共用與協同管理體系與生產流程。


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 2015-08-24 17:44個人資料傳送 Email 給 jason
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 物聯網亟需MEMS感測器創新

電子工程專輯 2015年07月09日

電子產業迫切需要新的微機電系統(MEMS)來推動感測器和物聯網(IoT)的發展。根據業界分析師表示,如果期望利用物聯網驅動下一輪的電子產業成長,在很大程度上必須依賴MEMS和感測器技術,才能使所有的智慧物件與現實世界進行互動。但從實現新的MEMS設計到量產,可能要花很長的時間以及高昂的代價,才能滿足物聯網市場的期待——除非電子產業能夠找到加速MEMS開發之路。

採用現有MEMS元件的新應用正以12%的年成長率推動MEMS市場進展。然而,Yole D?veloppement執行長兼總裁Jean-Christophe Eloy表示,除非業界能夠找到如何順利將機械元件轉換為矽晶的方法,否則要加速突破性新產品量產的困難度,可能減緩未來的MEMS市場成長。

MEMS完全創新產品缺席逾十年

透過在更多應用中更廣泛地採納成熟的MEMS元件,可望讓這種更小體積、更高性能且更低成本的漸進式元件創新,持續刺激感測器及其所實現的系統邁向強勁成長。去年在MEMS領域實現最快速成長的要算是安華高科技(Avago Technologies)和Qorvo(原Triquint),這是因為LTE的廣泛普及對於多模手機所用的體聲波(BAW)濾波器帶來了很大的需求。同樣地,更多應用對於MEMS麥克風和慣性感測器的強勁需求,有助於推動更多的感測器供應商進軍2-3億年營收範圍的行列。

“這真的很重要,因為現在有多家公司都有潛力發展成為10億美元的公司,”Eloy指出。

然而,僅採用現有元件類型的新應用要維持110億美元業務的兩位數成長,在時間上可能無法長久。“挑戰之一在於最近完全創新的產品還是2003年時樓氏電子(Knowles)開發的MEMS麥克風。”Eloy表示,“從那以後,都只是在整合度、更好的封裝等方面帶來漸進式創新。雖然這些也是非常重要的創新,但不是突破性的新產品。我們仍在等待MEMS開關、自動對焦和揚聲器等產品完全過渡到大量生產階段。”

半導體產業已經找到可在競爭前的研究領域展開合作的方式了,而且已經有了發展良好的商用基礎架構來支持持續的成長,他表示。“MEMS產業需要一些變革發生,以便簡化與加速設計過程,並儘快投入量產。”


“隨著到處都需要感測器來實現物聯網、情境感知,尤其是對於新型生化與生醫感測器的新興需求,我認為MEMS產業的發展的確才剛剛開始,”矽谷投資業者Band of Angels SIG委員會主席Kurt Petersen表示。“價格將繼續下滑,但目前開發中的新型感測機制將大幅提高精度,”對於發展中的壓電麥克風、超音波手勢辨識以及新的慣性技術帶來巨大的潛在影響——以更高10倍的精確度大幅改善導航資訊。

Peterson認為真正有用的穿戴裝置尚未被開發出來,但對於其未來的發展表示樂觀。最有發展前景的是現正開發中的新一類生化感測器,例如新創公司Profusa的可植入式葡萄糖感測器,外部光學裝置讀取,它利用一種可調式感測器平台,在人體內偵測化學藥物。

除了更好的生化和生醫感測器以外,能量採集器是另一個機會。“能量採集器將會變得日趨重要,因為物聯網將為其提供一個巨大的市場,”他說。

MEMS新平台推動成長

為了能以市場要求的最快上市時間與低成本,將這些新式的MEMS元件投入量產,推動半導體業開發出一些新的方法。

“過去客戶求助於我們時通常要求採用他們自己的獨特製程,但現在有越來越多的客戶要求我們盡可能使用標準平台,只需少量修改即可,”Teledyne Dalsa公司MEMS代工廠執行副總裁兼總經理Claude Jean表示。“一款產品採用一種製程的傳統做法還沒有被完全淘汰,但越來越多的客戶傾向於利用成熟的平台來開發產品,”他補充道。

Dalsa公司正為慣性感測器、微測輻射熱計、光學MEMS和壓電元件提供更廣泛的不同平台,並盡可能地擴展自家的設計和測試支援業務。

新平台技術也來自研發實驗室。法國原子能署電子暨資訊技術實驗室(CEA-Leti)的目標在於與代工廠合作,將其壓阻式MEMS平台投入生產以提供給更多客戶。這種技術在移動的物質利用10um的厚層,而將500nm 的超薄層用於邊緣的壓阻式元件,然後透過壓縮或拉緊改變電阻來檢測其運動。

“這種技術為緊密地整合多個感測器提供了替代性方法,可以協助像系統或CMOS製造商等缺少自有技術的新公司很快地開發出產品來。”CEA-Leti北美策略合作夥伴副總裁Hughes Metras並指出,CEA-Leti已經與首家取得授權的業者Tronics迅速地將其六自由度慣性感測器推向市場了。

如今,這些基本技術的成熟還意味著MEMS市場開始從一些基於共同利益的合作中尋找優勢,特別是在一些設備要求或測試操作等方面。目前在測量慣性感測器性能方面還沒有被廣泛接受的標準,也沒有像ITRS路線圖那樣為設備製造商定義未來需求的手段,Teledyne Dalsa的Jean指出。

“目前在MEMS市場所要求的成本和可用的先進CMOS設備之間存在著巨大的差距。”他認為,“不過,相較於為先進CMOS開發的製程,這還需要更簡單且更低成本的TSV製程等技術支援。”

Teledyne Dalsa目前正與Alchimer合作開發低成本的濕式銅製程後鑽孔(Via-Last) MEMS TSV途徑。Teledyne DALSA的Via-Last技術採用銅鑽孔,並利用Alchimer的低溫電化學製程,形成具有5微米直徑x100微米深完美填充的穿孔,並利用銅再分佈層和鎳/金UBM連接到外部。但該製程目前僅適用200mm晶圓,因此,“我們需要MEMS製造商和設備與材料供應商之間展開更加密切的合作,共同開發出更低成本的方法來推動創新進展。”他表示。





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 2015-08-27 13:58個人資料傳送 Email 給 jason
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 機器人、無人機…農業擁抱高科技!

電子工程專輯 2015年08月28日

24小時耕作、自動駕駛拖拉機、無人多用途收割機…這些設備不再是科幻小說的想像,今日的農業已經開始擁抱各種創新科技。

在人們印象中農民辛苦揮汗播種、祈求風調雨順五穀豐收的那些畫面,其實從未精確反映農業科技;美國威斯康辛州戴恩郡(Dane County, Wisconsin)的作物與土壤部門代表官員Heidi Johnson表示,農民其實是最具創意的「能工巧匠」。

面對農耕設備的科技化議題,農人們通常都得自己解決;因為有塊地的那位王老先生不太可能擁有一個IT部門。美國威斯康辛大學麥迪遜分校(Univ. of Wisconsin, Madison)副教授Brian Luck表示:「農民朋友們不只能自給自足,也擅長於在開發能貼近他們需求的東西上掌握先機。」他補充,其實現在看到的許多新興農業科技,都是農民們自己的發想。

美國威斯康辛州在不久前舉行了一場「農業科技展(Farm Tech Days Show)」,現場不只能看到大型收割機、農業用直升機,參觀者還能親自嘗試並與其他同業探討最先進的農業科技,包括能連結至雲端進行分析、改善農作物產量的感測器,以及能分擔勞力的機器人。

你可能不知道,無人機、機器人、分子科學、雲端服務,以及氣候變遷背後的巨量資料分析,已經是當代新農民每日閒話的議題。而Luck表示,農業領域的下一件大事,並非管理單一大農場,而是許多個小規模單位:「藉由透過GPS與地圖科技的進展,我們的目標是管理個別區域內的農地灌溉輛、施肥量,並精細到每一株作物。」

農民需要能即時處理分析農場資料的方案

如此精確的農業耕作科技,能讓農民們即時觀察、量測作物的狀況並作出回應;Luck指出:「資料是其中的關鍵。」

美國明尼蘇達州農業合作社Land O’Lakes旗下的農業顧問子公司Winfield Solutions業務經理Larry Fiene接受EE Times美國版編輯訪問時表示:「農民們會想要立即知道農作物何時“不舒服”,以及原因所在;」他表示,農民最需要的高科技方案,包括能告訴他們土壤肥沃度的感測器,甚至精細到土壤顆粒中的化學/礦物質成分比重。

此外Larry指出,農民們也會想知道:「土壤營養成分傳遞到作物的流速;」因此農民需要即時性的資料,以及所需的感測器、診斷工具。

去年底,美國國家食品及農業研究所(National Institute of Food and Agriculture,NIFA)總監Sonny Ramaswamy首度提出「農事聯網(Internet of Ag Things)」這個名詞,但它也並非全新概念,因為農民們已經在實踐;Luck指出:「他們收集來自空氣與土地的資料──藉由放飛無人機、在施肥與噴藥設備中佈署作物感測器,以及把濕度感測器推入土壤。」

不過Luck也指出,農民們缺乏能滿足需求、具成本效益的寬頻連結技術;現在就算是在偏遠地區,農民們也能連上網際網路──例如透過衛星;但是其可取得性與連線成本對他們來說不太友善,因為農民們得處理越來越大量的資料流。

現在農民們是會用SD卡或隨身碟,來儲存在農場上收集到的資料,再帶回家輸入電腦、傳送至服務機構讓顧問或農作物專家進行分析;整套流程可能得花上幾天。若農場設備終端節點具備足夠運算能力,可以處理或編輯原始資料,再將其中最必要的部分直接傳送至雲端呢?這樣的自動化程序將會是即時運作的,Luck指出:「我們正朝著這樣的方向邁進。」

高科技農場上的機器幫手

戴恩郡作物與土壤部門的Johnson表示,今日的農場規模越來越大,農民們有很大範圍的耕地面積,因此他們也正在積極尋求:「能從各方面提升產量,以及因應農業勞動力短缺問題的解決方案。」

機器人正準備大舉進軍農耕領域,例如有一種能在玉米叢中竄來竄去的小型機器人,可以在夏季末開始播種,甚至在成熟的玉米收割之前;還有一種擠牛奶機器人也正興起,但價格仍非常昂貴;Johnson表示,比起真人擠牛奶的手法會因人而異:「乳牛們其實更喜歡機器人穩定、力道一致的“手感”。」

不需要操作員的自動轉向拖拉機也已經問世,但威斯康辛大學麥迪遜分校的Luck表示:「當然,那總是會引發一些憂慮;例如若一台500匹馬力、無人駕駛的機器突然失控,衝向農舍怎麼辦?」

但農民們其實已經開始嘗試較小型的無人操作機器,也為24小時的農耕開啟了大門;因為不需要人力,不必睡覺的機器能讓農民坐享豐收之樂;而Luck認為,在無人駕駛車輛上路之前,應該可以先看到無人駕駛拖拉機在農場上工作。

當農業遇上科技

農民們通常會根據自己的經驗法則來做決定,根據這個訣竅再加上農民們基本上具備的創新天性;農業為想嘗試新工具、新演算法與分析技術的科技業者提供了一個完美的試驗場。

美國矽谷的農業與食品相關技術新創公司正夯,聚焦農業科技的研討會快速增加;Cleantech Corp.的統計數據顯示,農業與食品科技的投資額呈現大幅成長的趨勢,在2014年相關領域投資金額達到11.4億美元,投資案數量有176件。

讓創業者與各家企業對農業與食品領域興趣濃厚的原因,還包括根據聯合國統計,全球需要糧食的人口數到2050年將達到90億;Luck表示:「這意味著我們需要在未來40年內,將糧食生產量提高一倍。」雖然在理論上,新科技能讓農耕「有種就有收穫」,但仍有風險;Johnson表示:「天氣是個問題;」農民們無法掌控老天爺的脾氣。

為了收集更多精確的科學資料,像是Johnson 這樣的官方部門研究員,需要農民們持續好幾年採用相同的技術;但如果出了什麼問題,農民們就不會再想要重複那些產量不佳的實驗。「這通常都是強迫推銷,」Johnson 表示:「因為農民們認為這是在浪費錢。」

正如Winfield的Fiene所言,農業有三成到四成的產量,是天氣決定的;靠天吃飯或許仍是農民們難以擺脫的宿命,但藉由最新的農業科技,還是可以當個快樂的農夫!(請點選以下原文連結,看更多在FarmTech Days上展示的農業科技)


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 2015-08-28 10:08個人資料傳送 Email 給 jason
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