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精確、聯網、高效能 嵌入式系統聯網新革命
真正解決物聯網應用挑戰

【作者: 王岫晨】   2018年10月12日 星期五

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嵌入式系統涵蓋了所有電腦控制的設備,包括PC上常見的儲存媒介、光碟機的伺服控制,以及資料的存取介面等。可以說,嵌入式系統設計與PC技術的演進是相輔相成的,特別是嵌入式系統的需求,更成為了PC產業蓬勃發展的主要動力。嵌入式系統稱得上是最小規模的系統整合,其設計上包括核心元件與系統整合等關鍵。核心元件的採用基本上必須要能滿足各種不同嵌入式應用的需求,例如低功耗便是嵌入式系統十分在意的一個特性。



圖1 : 越來越多感測器已經被應用於工廠的自動化產線中,成為感知網路的第一線關鍵元件。
圖1 : 越來越多感測器已經被應用於工廠的自動化產線中,成為感知網路的第一線關鍵元件。

而近年來,除了對於功耗的要求,針對不同元件也有了許多不同的市場需要,例如感測器需求更高精準度與穩定性,控制器則提供了更多高效能的選擇,以因應各種不同的物聯網應用。至於系統設計,則偏重於設計人員的系統整合能力,不只要能夠讓軟硬體整合後的系統能力充分發揮,重點更是要能夠真正解決該嵌入式應用所應處理的問題。


嵌入式系統需具備聯網能力

在物聯網的應用中,嵌入式系統多半必須要能夠具備聯網功能,才能夠有效傳送或分享數據資料。事實上,網際網路早已被人們應用於改善生活,甚至營造出全新的經濟革命與消費型態。然而網路的普及,卻也造就了另一種奇蹟,消費者身邊的所有電子設備,都將成為物聯網連線中的重要成員。從過去常見的聯網電視,到可聯網的冰箱或冷氣等。這些電子設備的聯網,象徵意義就是可以邁向更為智慧化的生活型態。透過電視上網選擇喜歡的電影節目,冰箱可自動補充即將用盡的食材,冷氣可在即將回家之前自動開啟調節溫度。這其中,嵌入式系統扮演了非常重要的關鍵角色。



圖2 : 嵌入式系統多應用於智慧穿戴裝置上。圖為ST的智慧手錶開發套件。
圖2 : 嵌入式系統多應用於智慧穿戴裝置上。圖為ST的智慧手錶開發套件。

透過物聯網可進行的事情還不只如此,例如工業上,可透過同步網路,來使遙遠距離的數百公尺的兩顆伺服馬達同步運轉。這意義在於可以透過網路來提供設備同步處理的能力。對於工業生產環境來說,嵌入式系統的特定功能,未來都可以透過網路來同步或更改,或進行維修與更新等作業。


若依據這樣的趨勢觀察,具備聯網功能的嵌入式系統,重要性將與日俱增,特別是在萬物互聯的這個時代。事實上,現今許多嵌入式元件,如MCU與感測器等,都已經內建網路介面,例如藍牙、Wi-Fi、甚至是NB-IoT等無線連結技術,嵌入式元件都已經具備聯網能力,這似乎也意味著嵌入式系統工程師必須都要具備聯網的能力才行,否則將很難在趕上這一波嵌入式的物聯網新革命。


感測器需滿足物聯網多元需求

近年來物聯網成為IT產業的重要趨勢,作為物聯網架構的第一線,感測技術的重要性不在話下。然而,在物聯網系統中,傳統感測器設計已不敷所需,新一代感測網路除了感測功能外,還需有傳送感測訊號的傳輸功能。


面對物聯網需求,相關業者認為磁力感測與顏色感測發展潛力十足,重力感測則多應用於智慧手機,未來智慧家庭也會是其重點發展領域,從設計面來看,目前市場上的感測器仍多為標準品,客製化設計需求相對較少,以日本大廠羅姆半導體為例,客製化感測器約佔整體產品的25%,而若客戶要求的客製化設計廣為市場所接受,相關廠商也會將之標準化,並納入旗下產品線。



圖3 : 智慧手機均內建了多軸感測器,可以滿足多種應用情境。
圖3 : 智慧手機均內建了多軸感測器,可以滿足多種應用情境。

至於智慧感測應用加速普及,過去5年來無論是技術或產品種類,都有顯著提升,其成長動力來自雲端系統的生態鏈逐漸成形,另外工控領域也是發展重點,近期自動化設備的自我診斷偵測,已然成為工控設備的新興設計。放眼未來,加速度計、磁力、氣壓等感測器將在工控系統加重應用力道,半導體業者與系統整合商的合作深度也會進一步強化。


物聯網應用加速 多軸感測將成主流

感測器經過多年的發展,不但技術成熟,應用也廣泛。特別是針對物聯網的嵌入式應用上,感測器是感知網路的第一線。在技術方面,動作感測是目前最普及的技術,聲音感測則仍處於發展狀態,不過未來相當具有發展潛力。


放眼未來感測技術趨勢,無論是物聯網或穿戴式裝置,感測元件仍有幾個共通趨勢,首先是系統多軸化,感測系統朝向多軸化發展,是感測應用市場的重要趨勢。事實上,感測系統朝多軸化發展的腳步一直沒有停止過,從早一代的單軸感測器,演進到目前常見的3軸、6軸、9軸、10軸、11軸,甚至最新的12軸感測系統,多軸化已經是不可逆的道路。


而感測器所謂的「多軸」,到底有哪幾軸,哪些軸又是必要的,哪些只是次要的?一般來說,從三軸加速度計、三軸陀螺儀到三軸電子羅盤,此9軸已經幾乎成為智慧手機的標準配備,透過這三種感測器,幾乎已經可以完成絕大多數的應用。而除了這三種感測器之外,包括高度計、壓力計、溫度計與光感計等,都陸續被加入感測系統,成為多軸感測器的成員之一。多軸化已是既定趨勢,未來相關廠商也將持續研發多軸感測平台,以符合市場應用需求。


結語

在萬物聯網的趨勢下,嵌入式系統除了必須滿足低功耗的需求之外,近年來的市場需求也讓各種元件的特性持續精進。例如感測器必須走向更高精確度與更高穩定度,控制器則必須提供更高效能以及更多樣化選擇,而聯網功能則必須要滿足遠距離、近距離等各種不同通訊協定。物聯網的應用無遠弗屆,而嵌入式系統的能力也不斷提升,不管應用如何變化,都能輕鬆搞定。


[物聯網發展新趨勢]

很多新科技都在2018年發揚光大,其中也包括物聯網(IoT)。透過物聯網技術,家用恆溫計、智慧門鎖和智慧電表等新應用持續增溫,業界也競相投資物聯網技術以提升獲利成長。歸納物聯網近期的幾項發展趨勢如下。


首先,物聯網的應用更為廣泛。多數企業漸漸將物聯網結合至自身的核心產品和計畫,以推升數位企業發展。在2022年以前,物聯網將成為數百萬業務流程管理中,扮演核心角色。未來甚至可透過物聯網技術遙控汽車空調系統(HVAC systems)。


其次,物聯網也提高了資安需求。隨著連網裝置讓人類的生活更方便,資安的重要性自然也不言而喻。物聯網資安需要多管齊下,且所有在物聯網生態系統的參與者,都應肩負保護資訊安全的責任。因此,預料各界未來對於物聯網資安的投資將持續增加。


第三,由於物聯網將產生大數據,因此會促使行動業者加速朝速度更快的5G網路發展。不過,儘管5G網速將飛躍成長,但不會在短時間內普及。


第四,另一個快速發展的領域是汽車產業,尤其是車隊管理。預料連網汽車產業將快速起飛。而貨車、租車和其他公司利用物聯網技術,也將呈現爆發性成長。


第五,企業也會開始大舉投資物聯網技術。預料政府部門和私部門將會領軍投資物聯網。預測企業在2021年以前對物聯網解決方案的投資將達到6兆美元。預期許多創投業者將會投注更多資金於物聯網產業,主要的資金來源則都將流入物聯網新創業者。


最後,工業物聯網(IIoT)也已經開始起飛。預期工業物聯網將透過併購與取得大數據來革新製造業,目前已經有很多企業開始布局工業物聯網,讓聯網裝置在工廠中發揮更大功能。


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