物联网风潮兴M2M通讯模组需求大增

万物联网风潮兴M2M通讯模组需求大增

物联网革命的目标很简单，即让所有能够因联网而获得利益的装置都能与网路相连，如手机、笔记型电脑、平板电脑、汽车和游戏机都具备网路功能。虽然这些都是行动连接性最显而易见的应用，但并不是只有人类用得到网际网路，还有很多看不见的应用正飞快地成长，例如数以百万计的机器在没有人为干预的情况下，正在全年无休的不停地交换资料运作中。

为实现上述的目标，这些需要联网功能的装置都必须内建一个小型、低成本的无线数据机，而能够回报位置、速度或导航资讯的应用还需要采用全球卫星定位系统(GPS)或全球导航卫星系统(GNSS)接收器，这两种元件再配上一个天线，就能轻松安装在远比行动电话还小的装置中。然而，根据不同应用，开发具备M2M通​​讯功能的装置还得符合一些特别需求。不仅需要在初始设计阶段就将这些需求纳入考量，还要考虑产品寿命时限、地理覆盖范围，以及是否无缝从2G升级到3G和4G的无线网路。本文将针对设计M2M应用时须考虑的重要技术特性进行详尽阐述，并且说明这些特性将如何影响特定装置的设计。

对可携式追踪、保全或个人安全装置来说，电池寿命是最重要的特性之一。举例来说，一个安装在货柜上的追踪装置若需要每天充一次电，那就太过频繁了，因为通常不管是空运或路运都得花上好几天的时间，如果是海运的话，运送时间更将长达数个星期。对个人追踪或医疗监控装置等消费产品来说，行动电话已设下了标准期望，即至少要有3天以上​​的电池寿命。在为这类应用评估数据机和GNSS接收器规格时，不仅要考虑操作和待机电流消耗，还要考虑自动唤醒特性和智慧省电等节能模式，以及毋须唤醒主机处理器便能自主记录资料的功能。理想上，这些元件大部分时间都应处于最小功率的模式，只有在绝对需要时才被唤醒运作。

随着人们和商品的行动性日渐升高，设计人员亦必须考虑能在某个区域运作的数据机被移到另外一个区域时，一样能发挥功能。对这些应用类型来说，必须先确认装置使用的地理区域，并考虑未来是否会扩大应用的区域。当你厘清需求后，就能选择最适用的无线数据机，以确保网路相容性。

举例来说，必须监控全球各地货物情况的资源管理系统应采用四频GSM数据机，或六频UMTS数据机。若是在固定地点使用的装置，比如家用电表，就只需要单一频段即可。其他应用可能会有另外的考量。例如，位置常被遗忘的自动贩卖机，就应该常常联系主机，但它须配备所在区域或位置操作的数据机。

另一方面，任何一款利用全球行动通讯系统(GSM)、通用行动通讯系统(UMTS)或LTE网路通讯的无线装置在能够存取网路前都须得到电信业者的认证。若想大幅简化认证过程，内建于装置中的数据机也须要取得电信业者的核准。设计人员应针对追踪装置将使用的区域，确认该区域获得数据机认证的清单，然后再决定选用哪款数据机。目前大多数的数据机供应商都会在公司网站上提供获得电信业者合格认证的清单。

强化车用追踪装置效能高整合度M2M模组立功

针对需要在城市环境中，取得可靠定位讯息的车用追踪系统M2M应用，应该考虑是否有辅助定位系统可用。特别是在卫星讯号会被高楼大厦阻挡的城市中，追踪系统须能够透过连结至远端AGPS伺服器来克服定位讯息中断的问题。这只须要利用无线数据机，从网际网路简单下载几个位元组的卫星轨道资料，就可以在缺乏卫星可直视性时推算出位置。

事实上，对低阶导航系统等特定应用来说，暂时没有定位资讯是可以允许的，但对车辆紧急呼叫救援或道路收费系统等其他应用，即使是瞬间失去定位也会造成无法接受的后果，这使得辅助定位成为一项深具吸引力的特性。设计辅助定位功能时须考量GPS接收器供应商是否支援线上辅助服务、可靠性、支援的地理区域、供应商是否提供能支援此服务的客户端软体、定位接收器和无线数据机是否具备支援此服务的介面，以及此服务能同时支援GPS和GLONASS等因素。

对车用追踪装置等系统​​而言，正确记录位置、方向和速度讯息是非常重要的。但在隧道中，由于卫星讯号被阻挡，因此须靠另一个平行系统来暂时产生这些讯息。惯性导航便是能用来辅助卫星讯号的一种重要技术，它能根据汽车感测器传来的位置与速度资讯进行推断计算。

因此，选用定位接收器时须仔细考虑它是否支援惯性导航功能、能否直接插入汽车的控制区域网路(CAN)汇流排以撷取资料、能否直接与陀螺仪和里程表等汽车感测器连接、系统有无验证过、元件是否符合车规等级等因素。

此外，GPS无法在室内运作，其他任何一种采用卫星技术的导航系统也不行。这些非常微弱的讯号很容易被墙壁与金属所遮蔽，这是否意味着大多数放置在室内的机器装置，由于缺乏定位资讯，其M2M应用部署就注定会失败？答案显然是否定，对需要室内定位资讯的应用来说，只要透过结合卫星接收器与无线数据机，建构同时运用2G或3G蜂巢网路的混合式解决方案便能克服这个问题。

由于GSM或UMTS讯号能轻松穿透墙壁，如果知道可视行动蜂巢网路的边界，就能根据蜂巢重叠的区域计算出大概的位置。这种解决方案须要与外部服务无线连结，这跟先前提到的辅助式定位解决方案类似。选择定位接受器和无线数据机时应考虑是否支援此解决方案、供应商提供的方案是否经过验证、供应商是否提供线上服务、此服务是否仍在运作、设计人员是否能自行选择支援此服务的卫星接受器和无线数据机以及它的准确度高低。

长久以来，GPS一直是唯一可用的导航系统，但随着俄罗斯的GLONASS、日本的QZSS系统，以及中国北斗卫星开始启用，再加上之后将投入营运的和欧洲的伽利略(Galileo)卫星，因此接收器必须具备GPS和至少其他一种卫星系统的相容性，才能提升系统可靠度与准确度，并符合各国政府对于能与自有系统相容的强制规定。

通常，同时采用两种系统的并行处理方案会被纳入设计规范中。举例来说，俄罗斯新制定的ERA-GLONASS汽车紧急呼叫系统就要求GLONASS相容性。选择GPS/GNSS接受器时须考虑它是否提供多重GNSS支援、否同时支援GPS/GLONASS或GPS/北斗卫星。

满足不同通讯技术需求高整合度数据机行情看涨

由于GSM/GPRS所需的通讯资料量很少，因此用高整合度数据机来设计远端电表应用是很吸引人的做法，但要考量GSM频段未来有可能会被配置到3G和4G服务。若果真如此，要重新改装数十万台远端电表将耗费非常庞大的成本。因此，最好能在设计时就采用未来仍然能适用的技术。换言之，应该考虑用UMTS/HSPA或LTE数据机，或至少设法让硬体设计在未来尽量能以具成本效益的方式进行数据机升级。

图1 套叠式数据机设计示意图

避免此一问题最好的方法就是选用全系列无线数据机模组或GNSS接收器都具备布局相容性的元件。利用这样的解决方案，设计人员只须设计一种PCB就能供应所有不同的产品版本使用。此外，供应商下一代数据机是否拥有与现有数据机产品完全的PCB相容性、是否提供书面的技术支援，以协助客户成功实现套叠式设计，亦是开发时的考量。

对现今许多的追踪应用来说，支援追踪和文字传讯只须用到很低的频宽，如果只需要数据传输，那么简单的整体封包无线电服务(GPRS)便已足够；如果还需要语音通道，那么至少得选用GSM/GPRS；如果还需要视讯串流来支援监控应用，UMTS/HSPA则是较佳的选择。对需要最低延迟的高画质视讯，例如远端医疗终端装置，LTE便是必选技术。

追踪应用的需求一定会越来越高，设计人员不应仅针对今日的需求选用数据机，而是要考虑3?5年后的需求，且最好能选择可以最低成本进行升级的数据机。

对于安装在汽车上的系统来说，由于汽车环境的温度、湿度和震动条件特别极端，设计人员必须采用具备汽车级规范的元件，能符合AEC-Q100标准，并在ISO/TS 16949合格的工厂制造。每个元件的合格测试都应遵循ISO 16750标准--「道路汽车电机和电子设备的环境条件和测试」。这不仅对车用装置来说很重要，对于必须用在室外、船舶或轨道车辆上的工业装置也同样重要。

强化车用紧急呼叫救援同步数据机受市场青睐

在新款汽车上安装能自动回报意外事件以及能协助找回失窃车辆的自动系统已是一项全球趋势，此一认证将会对未来出厂的汽车有相当大的影响。目前美国、欧洲、俄罗斯和巴西都已经展开了支援这些系统的计画，未来这些国家的政府都将会强制要求车厂须导入此一应用。对这些系统来说，通常需要一种特别的数​​据机，亦即同步数据机(In-band modem)。

同步数据机能将数据透过语音通道传送，这与传真机透过电话线路传送数据有点类似，须采用这项功能是因为在行动网路中，语音通​​道的优先顺序比数据还高。发生意外事故时，语音通道的优先启动性比GPRS或高速封包存取(HSPA)数据通道高，且在偏远地区甚至可能没有GPRS或HSPA讯号，因此，语音通道是将资料传送到紧急应变中心的关键链结。

总结而言，由于无论是无线通讯和定位技术，都有许多新标准持续演进中，因此设计人员必须考虑产品在市场上的使用寿命，以及产品将会应用在哪些市场，尤其是能否支援下一代效能与网路覆盖范围，或是能否轻松进行产品升级等问题，都是设计人员在进行开发产品时应纳入的重要考量。