智慧家庭發展熱度加溫。繼Google、蘋果(Apple)、亞馬遜(Amazon)先後推出OnHub、Apple TV、Echo等智慧家庭接取裝置後，今年初的國際消費性電子展(CES)上，各種創新智慧家電產品也大舉出籠，如三星(Samsung)發布全新的智慧型冰箱做為家庭中樞(Family Hub)，其配備21.5吋超大1080p顯示螢幕，並內建三個網路攝影機(IP CAM)，可讓用戶出門在外時也能查看冰箱存糧狀況。樂金(LG)則發表智慧閘道器SmartThinQ Hub，可透過Wi-Fi、ZigBee或藍牙(Bluetooth)等無線技術和手機相連，進而操控洗衣機、冰箱、掃地機器人及冷氣機等各種智慧家電。
實現智慧家庭最重要的關鍵，在於各種智慧家電彼此間，以及與智慧型手機之間的互聯互通，因此包括ZigBee、Wi-Fi、藍牙等技術聯盟皆加緊制定更低功耗且支援IP網狀網路(Mesh Network)的新規格，促進智慧裝置無縫連結。另一方面，有線寬頻網路技術也持續向Gbit/s以上的傳輸水準邁進，以滿足智慧家庭應用需求。本活動將介紹智慧家庭應用市場及相關聯網技術標準最新發展，並剖析閘道器與終端應用產品設計之道。
智慧家庭市場爭奪戰愈趨白熱化。在物聯網風潮的帶領下，各大標準組織和晶片商、通訊大廠、傳統家用電器商或消費型電子主要廠商皆紛紛搶食智慧家庭這塊市場大餅，並激發出各種有線/無線的解決方案大舉出籠，為消費者未來的日常生活帶來無限的想像。
資策會智慧網通系統研究所組長何智祥表示，從年初CES展會上各家廠商參展的產品分布即可看出今年的重點鎖定智慧家庭、智慧型穿戴裝置以及虛擬實境等三大方向；此外，受物聯網少量多樣的特性影響，各大廠商的產品經營模式也朝向多元跨領域的布局。
何智祥指出，智慧家庭主要可布局的領域分別為智慧安全監控、智慧操縱與能源管理控制等，透過家庭網路與行動網路，結合監視設備掌握門戶安全，抑或是進一步實現照明、空調等調節控制；現階段智慧家庭物聯網終端商品則是以智慧照明和智慧保全具備較高CP值的優勢。
然而，打造智慧家庭的首要條件就是讓終端產品具有「聯網」的功能，因此家庭網路將扮演終端設備與家庭閘道器間連接橋梁，確保家庭服務與應用傳送所需之寬頻與品質。目前在智慧家庭應用領域中，無線通訊技術更是呈現群雄割據時代，其中又以Wi-Fi、Thread、ZigBee與藍牙低功耗(BLE)等通訊協定最為活躍。
是德科技(Keysight Technologies)應用工程部資深專案經理張式先表示，智慧家庭所使用的無線通訊技術分為短距離的Thread、ZigBee與BLE技術；中短距離的802.11標準的Wi-Fi技術，該技術屬於區域網路，訊號涵蓋範圍擴及上下樓層至左鄰右舍；至於長距離傳輸則包括第三代合作夥伴計畫(3GPP)聯盟底下的LTE技術、LoRa與SIGFOX(圖1)。
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| 圖1 可與物聯網應用搭配的各式無線通訊技術 |
值得注意的是，張式先提及，2017年中國移動有可能將3GPP底下的窄頻物聯網(NB-IoT)和機器類型通訊(MTC)納入使用規範之中，而這一趨勢將可間接帶動台灣電信業者競相採納。
恩智浦(NXP)半導體應用工程經理江梓宏指出，目前智慧家庭的無線通訊技術五花八門，尚無任一技術能獨占鰲頭；廠商在開發智慧家庭元件、或尋找元件時，須考量聲音觸發(Voice Triggering)功能；舉例來說，無論是ZigBee或是Thread通訊裝置皆有很多配對方式，由於通訊距離的長度問題，將可能發生家中的裝置連結到他人的網路中，因此必須確保所有家中聯網裝置基礎於同一個PAN網路，在這種情況下，即可使用Voice Triggering或近距離無線通訊(NFC)，使裝置之間可互相辨識。
除此之外，江梓宏表示，現有智慧家庭無線通訊產品種類繁多，包含BLE、ZigBee、NFC、Thread、藍牙智慧(Bluetooth Smart)網狀網路(Mesh)，而這些通訊技術不外乎需要有一個微控制器(MCU)偵測或控制家庭中任何一個感測器或照明裝置，且安全功能的元件亦是重要元素，以阻絕家中資料或設備受入侵者控制的疑慮；最後，還需具備一個強而有力的應用處理器(Application Processors)。
江梓宏分析，現有的無線通訊解決方案僅能處理無線協議(Protocol)的部分，若要執行外網連結，則須透過乙太網路(Ethernet)、3G、4G做為橋樑，但本身無線通訊晶片無法執行這些功能。也因如此，需要有一個應用處理器扮演無線通訊技術的閘道器(Gateway)角色，以作為外網連結時的管道。
搶攻無線智慧家庭市場半導體廠無線方案上陣
因應智慧家庭聯網所需，恩智浦推出一系列的解決方案，以整合了Sub-GHz和2.4GHz射頻收發器的Kinetis W系列為主；其中，包含支援Thread的低功耗的無線MCU Kinetis KW2xD，可與IEEE 802.15.4無線設備整合，適用於家用和建築自動化的控制和監控應用，包括家電、門禁、溫度控制、能源管理、照明、安全和安保等應用。該產品是一個輕量級、低延遲IPv6網狀網路協議，專門設計來滿足下一代無線網路的需求。
江梓宏透露，在選擇智慧家庭需要的射頻元件須考量到以下幾項因素：
江梓宏分析，以內部的功率放大器(PA)來講，目前市場上的無線連結功率大多為介於+4dBm∼+10dBm，若要符合一般法規標準，則須另外搭配外部PA，其最大輸出功率可達+18dBm。此外，考量安全防護的基礎設備與記憶體容量大小，皆是選擇射頻元件的重要元素，現階段記憶體容量大致只需要512K就夠用了，但不排除繼續往更大一點的記憶體空間邁進，當然，使用更高容量記憶體設計產品，成本會隨之提高。
另一方面，意法半導體(ST)技術行銷經理莊維燾表示，藍牙智慧的裝置市場成長已從2013年的13億個擴增至2016年的33億個，其主要應用領域分成四大塊，分別為穿戴式裝置或運動裝置、健康照護醫療、消費性電子產品與智慧建築類型等。
張式先進一步指出，2016年藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)發布的藍牙4.2版本是進入物聯網的里程碑。他表示，藍牙技術聯盟為符合物聯網低功耗的需求打造出藍牙4.2，不過新一代的藍牙4.2所支援的數據資料量並未因改版提升(圖2)。
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| 圖2 藍牙通訊技術演進發展歷程 |
除此之外，張式先強調，在物聯網時代萬物皆聯網的情況下，將會產生難以計數的節點，為支援這些龐大的節點數量，無線通訊標準則必須支援IPv6的技術，以確保聯網裝置可互通無虞。
整體而言，張式先認為，無線通訊技術是否可在智慧家庭擴大應用，低功耗並非首要條件，最重要的因素在於應用層面的影響。換言之，智慧家庭的製造商除了符合低功耗需求外，還必須製造出打動消費者的終端產品，更須考量智慧家庭背後推動聯網技術的組織。
舉例來說，蘋果(Apple)所主打的HomeKit平台，就是基於旗下手機與平板電腦的出發點，並考量手持裝置普遍支援Wi-Fi與藍牙，可較容易切入大眾市場，因而支援這兩大無線技術。
整體而言，智慧家庭的通訊技術分為有線和無線兩大趨勢，無線通訊技術較偏向於低功耗、低傳輸速率的要求，毋須布建線路，在使用上較為簡便；而有線通訊技術則朝向更快速、更高頻寬的速率發展，在影音傳輸方面具有一定的優勢。
往Gbit/s速度邁進 三大有線技術強勢來襲
智慧家庭有線通訊速度邁向更高速發展。隨著智慧家庭市場升溫，無論是基礎於電力線、電話線或同軸電纜線等有線網路技術皆更上層樓，朝向Gbit/s等級的頻寬速度前進，其最新標準包含國際電信聯盟電信標準化部門(ITU-T)推出的G.hn技術、第二代家用電力線影音(HomePlug AV2)技術和美國市場為主的MoCA 2.0技術等，皆積極搶攻智慧家庭聯網商機。
中華電信研究院寬頻網路研究所計畫副理郭斐華表示，有線通訊技術正朝向更高速、跨媒介的發展。早期有線通訊技術約莫只有10Mbit/s左右的傳輸速率，時至今日，無論是G.hn、HomePlug AV2和MoCA 2.0在實體層的技術皆已可達到1Gbit/s的水準(圖3)。
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| 圖3 家庭有線網路技術標準發展 |
以G.hn技術來說，郭斐華認為，該技術最大的優勢在於可跨媒介支援三種不同媒介，包含電力線、電話線和同軸電纜線等三線合一的有線技術。其針對不同媒介所使用的頻帶範圍也會有所相異，舉例來說，若是使用於電力線和電話線，則可選擇2MHz∼50MHz或2MHz∼100MHz的頻帶範圍；若使用於同軸電纜，則可使用300MHz∼2.5GHz的更高頻頻帶。當然，使用頻帶越寬，可傳輸的數據量就會越大。
另一方面，Home Plug AV2是來自於HomePlug電力線聯盟(HomePlug Powerline Alliance, HPA)，以電力線作為主要傳輸媒介。郭斐華指出，Home Plug AV2本身具有750MHz頻寬速度，可利用多重輸入多重輸出(MIMO)技術增加頻寬速度，抑或是透過通道匯整技術(Channel Bonding)的方式，將不同的通道結合一起，其頻寬速度即可倍數成長。
整體而言，郭斐華說明，G.hn採用新的低密度奇偶校驗技術(Low Density Parity Check, LDPC)和Relay技術來延伸涵蓋率與抗家電雜訊干擾能力，因此G.hn/Home Plug AV2均可採用地線MIMO傳送提升兩倍的頻寬速率；不過受限於成本考量，大多數的電信商或用戶比較不會考慮加裝該技術。
除此之外，MoCA 2.0技術大多為有線電視業者較常使用的聯網技術，主要利用同軸電纜線為媒介。郭斐華表示，由於美國地區同軸電纜的技術發展較為成熟，因此使用MoCA 2.0的業者居多；考量便利性因素，大多數的地區則採用電話線或電力線的網路傳輸方式為主。
然而，無論是利用何種線路作為傳輸媒介，皆須考量家庭環境所帶來的干擾問題。以電力線來說，電力線訊號可穿透電錶至鄰居內部電力線，因此須留意跨家庭間之鄰網干擾(Neighbor Network Interference)造成頻寬共享問題。另外，在家庭同軸電纜的部分，有鑑於國內一般公寓普遍為品質較差的同軸電纜(例如3C線)與Splitter元件，導致高頻特性偏差，所以須考量避免與有線電視業者之Cable Modem(CM)及Cable TV (CATV)服務相互干擾議題。
綜觀各國電信業者家庭網路布建狀況與未來規劃，郭斐華分析，目前大多數的電信業者皆已採用Ethernet與Wi-Fi為主家庭網路，再搭配不同纜線輔助網路傳輸方式；看好未來G.hn的商機，NTT DOCOMO、AT&T、中國電信、葡萄牙電信(PT)皆已計畫搭載G.hn技術，不過現階段還尚未有大量採購案出現。
資策會智慧網通系統研究所工程師江肇元分析，近年來智慧家庭的網路成員變多，如五花八門的電器設備(燈光、照明、門鎖)相繼出現，使用戶可透過網路了解家庭狀況並控制家中聯網設備，不僅如此，隨著聯網裝置增加，通訊方式不再只限於存取網際網路，其每個節點之間亦可互相溝通，導致網路使用的場景複雜度增加。
杜絕駭客入侵硬體 智慧家庭安全有保障
隨著智慧家庭應用裝置飛躍性成長，導致安全問題一觸即發。根據Gartner研究指出，2020年一個典型的家庭環境中可能會使用超過五百種智慧裝置；而這股新崛起的力量將帶動智慧家庭應用商機，同時也引發個人資料被盜用、居家安全，甚至是社會公共安全風險等問題。
英飛凌(Infineon)中國智能卡與安全事業部市場經理于葉表示，以廣義的概念來講，可連接到網路上的裝置都是物聯網的範疇，其中包含個人電腦(PC)、工業應用與智慧家庭等應用，然而這些聯網設備沒有一個完善的安全機制，導致網路上出現很多不同駭客入侵的案例。
于葉進一步說明，去年中國大陸舉辦一個「360安全軟體大賽」，其中就可看到各式各樣智慧家庭設備破解的示範案例，包含烤箱、冰箱、洗衣機和豆漿機等家電，凡是聯網設備，在此大賽中都被破解；有鑑於此，智慧家庭安全已非潛在可能，而是確實出現的問題(圖4)。
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| 圖4 智慧家庭應用安全分布示意圖 |
于葉認為，由設備端來看，智慧家庭面臨的主要安全威脅是設備被注入偽造測量資料，擾亂控制過程，使其做出危險或不當反應，或可能被用於掩蓋物理攻擊，導致產品本身保固期縮短、預期壽命降低，造成後期產品品質無法預期問題；另一方面，若伺服器端被駭客入侵，例如問題伺服器發送錯誤指令，則可能被用於觸發非計畫事件，將重要資訊資料發送給非法接受方，引發伺服器數據盜用，將涉及用戶隱私洩漏，甚至是洩漏家中關於基礎設施運行資訊的問題。
為改善居家安全，于葉指出，目前智慧家庭安全機制有兩大類，一種是在軟體建立安全措施，通常以安全通訊端層(SSL)、PKI認證的方式建立防護機制，只能防範偶然入侵和基本軟體攻擊，在安全防禦上較為薄弱；另一種為硬體晶片上實施安全防護，強化了抵禦軟體攻擊的能力，達到代碼隔離、防篡改的效能，且可藉由第三機構執行安全平台、生產與個人化的認證，強化安全管控，保證晶片本身不會有被攻擊的疑慮。
另一方面，于葉強調，智慧家庭產品大多為耐用型，所以用戶在五年或十年之後還會使用相同產品，因此製造商在產品設計過程中，需考慮後續擴展安全功能；再者，隨著智慧家庭應用複雜度增加，加密演算法的擴展也將為考量因素之一。
值得一提的是，智慧家庭事實上有可能會引發國家安全問題。于葉透露，美國有一案例，該案例的入侵者利用聯網的空調系統，將空調設定為滿負荷的狀態，掌握其建築物的電力。換言之，若要掌握一個國家的電力，無須攻擊國家的電力系統，只要直接控制家庭或大樓掌握其電力即可。
于葉表示，智慧家庭現在前景光明，若要保障智慧家庭一直成功發展，則需要有安全措施保障智慧家庭。