整合GNSS/蜂巢式無線電　M2M模組催化物聯網創新應用

物聯網應用包含四個基本元素。
．一個或多個可偵測真實世界情況的感測器
．一顆應用處理器
．透過一或多種無線協定的網際網路連結
．雲端資料收集與分析服務

針對行動中的個人或物件應用，不管是在區域或全球範圍內移動，地理及高度定位資料意味著，電子系統必須是位置感知的。位置感知在汽車、工業與消費性應用上已日漸普遍，位置可利用一或多種無線技術來決定，包括全球導航衛星系統(GNSS)、運用無線電塔台三角測量訊號的蜂巢式無線電，以及透過偵測連接至已知位置路由器之裝置MAC位址的Wi-Fi技術等。

路由器位置可透過知道其IP位址來決定。在某些情況下，結合這些技術能在兩公尺的範圍內找到正確的位置。

多項無線連結技術助力車聯網加速實現

整合交通資訊的汽車導航系統，能告訴駕駛哪裡會因車流擁塞而造成堵車，因而受到消費者的歡迎。在最早期的產品中，服務供應商是透過結合歷史的車程時間，及採用雷達或紅外線技術的路邊感測器資訊來提供路況資訊。之後，Google等業者透過運用與其服務相連的智慧型手機的即時資料，並匿名地收集這些資料，因此不會有侵犯客戶隱私的疑慮。

智慧型手機通常能在車內正常運作，但是效能比不上與車輛整合在一起的系統。整合式導航系統可享有外部天線帶來的效益，因為天線能接收到更多來自GNSS和蜂巢式網路的可靠訊號。

對於配備先進駕駛安全輔助系統(ADAS)的汽車來說，在所有情況下皆能可靠地接收訊號已變得越來越重要，對自動無人駕駛汽車的開發更是如此。在此應用中，位置與定位、地圖資訊、交通資訊及氣象資訊，全部都有其重要性，而汽車將會須要能持續與週遭環境通訊，甚至與其他車輛通訊的能力，為滿足這樣的需求，須同時採用多種無線技術，如圖1所示。

圖1　多種無線技術將共同運作，以滿足駕駛輔助技術終將整合於自動無人駕駛汽車需求。

當然，即使是採用最好的GNSS系統，也不是隨時都能接收到衛星訊號；地下室停車場、大樓林立都會區，以及立體交叉高架道路都會對訊號的接收帶來挑戰。但是，結合蜂巢資料、Wi-Fi位置資料及輪胎位移量感測器(Wheel-tick Sensor)輸入的3D慣性導航技術可用來解決此一問題。

物聯網在車隊管理的應用

車隊管理是一項競爭非常激烈的業務，因此任何有助於強化客戶服務、降低成本、改善駕駛安全、提升安全性或營運效率的方法對車隊營運商都是深具吸引力的。整體車隊管理系統與服務市場預估將從2013年起，以22.8%的年複合成長率(CAGR)增加，到2018年將達303.5億美元。

結合GNSS與蜂巢式無線電技術，能讓營運商看到車隊中每一台車輛的位置，而且只要在有網路連結的地方，不管在世界哪個角落都沒有問題(圖2)。事實上，當我們談到車隊時，卡車通常是第一個想到的，但是車隊也會包含緊急救護車、小型巴士和計程車、警方執法車、公共工程箱型車、以及用來提供各種業務與消費者服務的道路汽車等。

圖2　將所有車隊連結至中央管理系統能節省成本，並提升客戶服務。

要從遠端擷取燃料消耗、引擎效能和速度的數據是有可能的─事實上，任何會被顯示在汽車儀表板上的資訊都能透過雲端傳送到中央管理系統。此外，射頻辨識(RFID)標籤能被整合至這些系統中，以實現貨車資產的全球追蹤，這將能為客戶提供更精準的貨物送達時間，而物聯網能被用來在運送過程中監控像是產品溫度這類訊息─有時候，對於易腐壞貨物來說，這些資訊是很重要的。Wi-Fi和藍牙技術在車內的不同感測器與系統間往返傳送資料時亦可發揮作用。

藉由將車隊車輛連結至中央管理系統而獲知的資訊，可有助於縮短行車時間、節省燃料、確保安全與駕駛行為是否遵循法律，最終能讓業務變得更精簡，且具競爭力。與經營車隊的整體成本相比，能夠實現這些備受期待的目標的系統與服務的成本是很低的。

卡位消費性物聯網應用可攜式GNSS整合度躍升

對於長途旅行的健走族與單車客來說，不管就便利性或安全性來看，衛星導航已經成為必備的輔助工具。可攜式GNSS裝置近年來已有很大的進展，將心跳監控、高度感測器，甚至溫度感測器都整合在一起。每趟旅程的過程都能被記錄下來，然後連接到使用者的各種雲端服務，儲存資料、進行分析並與朋友共享資料。

有些還在藍牙或Wi-Fi上整合短距離無線連接技術，讓行動電話、平板電腦或電腦應用程式能用來處理或顯示這些資料，或是做為連接至雲端服務的閘道器(Gateway)。

此外，個人追蹤器的市場也逐漸成長。這些裝置可用來為單獨作業的工人，或是較弱勢的老年人與孩童提供更好的安全保障。這類裝置通常整合GNSS與蜂巢式無線電技術，可利用SIM卡支援全球漫遊功能；另外，利用蜂巢式網路的緊急求救功能也常會被整合在一起。

定位與蜂巢式無線通訊

在產品中建置定位和蜂巢式通訊的成本始終是重要關鍵。但是，一如以往，價格不一定能反映裝置在整個使用壽命期間的真正成本，還有很多其他的考量。不僅是設計終端產品所需的時間，還包括現場使用的可靠度，以及將來必須升級時，是否容易進行升級等；此外，還有一些其他的因素須納入考量，才能實現最佳價值。

簡易設計

這是大部分系統設計人員的主要考量。隨著聯網效益的實現，產品設計人員擁有許多可展現其無限創意與創新的可能性，有些設計人員已經有豐富的定位與無線電系統經驗，但對其他技術可能完全陌生，不管是哪一種狀況，在市場上成功與失敗之間的差別，取決於新產品上市時間。

所以利用可滿足各種規範標準且經驗證的元件，輕鬆地整合定位和無線連結功能是非常重要的。利用預先通過認證的GNSS和蜂巢式無線電模組是實現簡易建置的最好方法，在某些時候，預先通過標準認證的模組還能簡化終端產品的認證過程；對內建天線的裝置來說，也能有效降低設計的複雜度與成本。

尺寸

對絕大部分的應用而言，GNSS或蜂巢式無線電模組的尺寸大小是很重要的設計考量，對可攜式和穿戴式裝置更是如此，不僅終端產品的尺寸與重量是消費者購買產品的主要考量，就連汽車儀表板後方的空間也是非常有限的；大卡車用的系統通常是可拆卸裝置，須被安裝在儀表板或座艙的其他地方，所以，精巧尺寸也是同樣重要。

可靠度

定位裝置與無線電通常被廣泛使用在各種不同的環境，所以必須依照非常高的標準來製造。它們有可能會被用在從-40、+50℃的外部溫度中，但請注意，即使在相對涼爽的氣候中，由於產品微型化，元件在狹窄空間中會產生熱量，使電子產品包裝的內部溫度可能很高。除了對成本非常敏感的應用之外，專業等級的產品都需要能支援從-40?+85℃的溫度範圍。

地理與前瞻性設計

曾經有一段時間，衛星導航系統是由美國GPS系統所主導。事實上，有許多人使用GPS做為衛星導航的通用說法，但是當要選擇GNSS晶片或模組時，市面上有俄羅斯GLONASS、中國北斗、日本QZSS和歐洲Galileo系統可供選擇。終端產品可能會使用的地區將影響GNSS系統的選擇，而對某些應用來說，利用能同時追蹤兩個GNSS系統的模組可提升其準確度和可靠度。

在選擇蜂巢無線電元件時，考量也是類似的，但由於2G/3G/4G(LTE)網路的持續演進，甚至5G也近在眼前，會使得情況變得較為複雜。2G蜂巢式無線電非常適用於低數據傳輸率的應用，但由於4G技術的部署成長快速，已經有一些電信業者縮減2G網路。

即使是只需要低數據傳輸率的產品，採用具前瞻性技術的設計還是更為適當的。現在建置4G連接技術，特別是如果在沒有4G覆蓋的地區，解決方案可自動向後相容於連接3G或2G網路，對物聯網產品的整個生命週期來說，都是最具成本效益的做法。當然，蜂巢無線電須能與該區域電信業者的需求相容，他們的產品設計也要考慮是否能隨著技術進展輕鬆進行升級。

現在，市面上出現兩款GNSS模組，分別為獨立式GNSS模組EVA-7M和多重GNSS模組EVA-M8M。兩款平面網格陣列封裝(LGA)模組都是為低成本、空間敏感應用所設計，尺寸僅有7×7×1.1毫米(mm)，皆包含石英振盪器與所有的被動元件，僅須增加天線和電源就能為產品增加全球定位功能。與其他的GNSS接受器不同，這些獨立式模組毋須與主機整合或是額外的RF元件，能使材料清單(BOM)和系統成本降至最低。

圖3　EVA-M8M模組能同步追蹤兩個GNSS系統。

當與主機處理器整合時，兩款GNSS模組都能透過整合的UART、USB、SPI或I2C介面提供此功能。此外，兩款模組都能直接與M2M模組廠的蜂巢式無線電模組通訊，進一步簡化與加速從手持式GNSS裝置到車隊管理系統等位置感知物聯網產品的設計與建置。

圖4　「套疊式」設計概念--能隨標準演進(2G-3G-4G)和產品功能增強輕鬆進行升級。

目前，市場上真正具有影響力的「物聯網」應用還是少數。GNSS系統和LTE網路的就緒將能鼓勵產品設計人員將網路連接功能整合至前所未有的更多裝置中。這些產品的使用者體驗將能大幅提升；製造商與服務業者能收集資料，為消費者提供更好的產品與服務，使新的業務模式應運而生。在所有的這些應用中，透過採用GNSS與蜂巢式無線模組，即使是沒有無線設計經驗的設計人員也能輕鬆地開發出具聯網功能的物聯網裝置。

(本文作者為u-blox企業策略副總裁)