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IoT終端應用開發導入開源硬體基礎 縮短開發時程
2017/01/09-魏淑芳  

DIGITIMES企劃

IoT物聯網應用熱門,但基於物聯網應用,開發平台必須達到極低功耗、高擴展性、小尺寸等要求,使用客製化的嵌入式平台固然可以快速達到需求,但開發資源、成本與耗時等問題將限制IoT服務擴展,使用現成的開源硬體平台先做前期開發準備,完成IoT系統低需求後再導入終端系統硬體設計...

針對物聯網應用需求,第一個要解決的問題即終端感測平台、嵌入式系統整合等工作,一般會使用具體而微的嵌入式系統、嵌入式運算平台整合達到物聯網前端所需的感測或智能處理應用,有些個人或社群的物聯網前端嵌入式平台,會選擇如Arduino之類的開放性嵌入式運算平台,進行初步感測終端的硬體與系統開發,即便Arduino有號稱電子界的快速打樣系統稱號,但實際上在導入物聯網應用仍有相當多關鍵問題需要克服。

LinkIt 7688開發板單片售價不到500元新台幣,硬體成本低廉。MediaTek
   
開源硬體平台除提供線路資源外,多數另有提供PCB線路布局,甚至提供完整的硬體參考設計。(MediaTek)
選用開源硬體進行開發  需注意量產的成本與優化需求

尤其是在開發商業用途應用方面,Arduino硬體與嵌入式平台整合,可能在小型專案中可以達到快速滿足開發需求的目的,但若在大型專案整合需求上,在嵌入式系統與對應硬體的量產、成本管控、平台穩定性與可支援量產的整合性方面,可能就會受到極大的限制,或許在開放硬體社群或是部分個人開發的專案中Arduino仍可相當稱職的完成開發硬體要求,但若轉換至大型系統的開發方向採行Arduino之類的開源硬體平台在量產評估後或許就需重新思考應用方向。

一般來說,目前熱門的群眾募資硬體產品或是智能應用產品,大部分從募資走到生產階段都會耗上一年左右,多達七成的群眾募資專案會遭遇延遲出貨或是延遲生產問題,其實多數的狀況都是開發者對於可量產的硬體產品設計經驗不夠所導致,或是在募資階段忽略了量產電子產品的開發難度,錯估可能產生的開發成本、硬體料件成本結構等,經驗不足導致拖延上市計劃,甚至可能讓整個群眾募資專案出現問題。

開源軟/硬體資源 成為群眾募資產品專案實踐設計首選

加速群眾募資專案可執行性,最簡單快速的方式或許直接運用如Arduino之類的開源硬體平台,是可以讓嵌入式系統的開發前期直接有高穩定度、低成本、豐沛開發資源的系統硬體基礎,但實際上Arduino這類開源硬體平台大多是針對社群或是個人開發需求所設計的通用嵌入式開發硬體架構,對於所需的物聯網應用設計仍有相當多未用的設計功能,這些未用硬體、線路等不僅讓硬體尺寸無法更進一步優化、縮小,會導致無法壓低系統功耗問題,即便後期準備量產預留將開源硬體優化的成本費用,需要針對硬體優化的工作也會相對較多,增加專案支出與可能風險。

相較於Arduino這類開源硬體,亦有手機或是嵌入式運算晶片業者推出更彈性的開源硬體平台,例如MediaTek的LinkIt系列嵌入式開源硬體平台,值得思考整合開發商業化物聯網應用。

以LinkIt開源硬體平台為例,不僅以開源硬體為核心,即開放相關硬體設計資源,同時在確認參考設計後,晶片業者已有針對產品開發需求提供對應硬體、線路參考設計、擴展料件整合等資源,在物聯網開發者確認量產需求後可以採較整合應用參考設計更進階、優化的設計方向整合嵌入式運算硬體架構,在料件組合做最優化的架構設計,不僅能在成本與量產條件下更有效呼應物聯網應用終端部署需求,極度精簡設計可以在產品功耗上獲得最實質的節能效益。

物聯網應用多元  使用開源硬體平台加速服務雛形建構

以物聯網應用的關鍵三個核心檢視,物聯網架構核心元素包含終端連接能力(Connectivity)、裝置(Device)設計與雲端服務(Cloud)等,而業者欲開發物聯網裝置,除必須強化終端裝置的連網能力外,針對裝置本身的功耗必須在長時間運作(Always-on)方面深入優化設計。

反觀,Arduino或是其他開源硬體開發板硬體平台,其實會發現多數開源硬體在性能與擴充規格上僅能算是堪用,屬於較為入門的開發平台,應付個人或社群開發專案或許綽綽有餘,但因應商業用途使用,就必須考量聯網能力與穩定性,而在後期產品部署需求需針對終端設置要求,進一步優化硬體架構,如果一開始便選擇功能有限的開源硬體平台,為了擴展終端應用還需要追加介面擴充板、功能版追加感測元件,都會讓物聯網終端的硬體部署成本與體積增加,影響終端效用。

檢視LinkIt開源硬體平台,其參考設計(reference board)本身即具備極高的整合性,加上MediaTek亦是智能手機嵌入式SoC晶片龍頭業者,對於開源硬件所需的聯網、嵌入式運算硬體性能與品質均有一定水準表現,除參考設計開發板外,在物聯網終端設計導入量產前的硬體優化,可善用MediaTek相關SoC與感測模組元件組構物聯網應用硬體平台,建構的彈性與性能表現均可優於其他自社群與個人應用出發的開源硬體開發板、提供更大的擴展彈性與整合可能性。

以參考設計為基礎  建構物聯網應用硬體架構

其實以參考設計(reference board)的實行概念,蠻大程度與開源硬體概念不謀而合,因為參考設計硬體平台提供完整線路資料、甚至是佈線與零組件布局,透過晶片供應商最佳化的參考設計資源,加速產品開發者投入研發的速度,進而提高導入晶片解決方案的市場機會。

相同地,在開源硬體平台也是透過社群或個人的硬體線路、料件布局、PCB線路圖公開釋出,提供開發者無痛擴展硬體平台設計領域的策略一致,只是晶片商的參考設計可能會有不同的授權範圍、方案,與開源硬體的授權方式略有差異。

尤其在現今多樣、少量生產的電子產品設計趨勢下,使用開源硬體平台或是晶片商的參考設計為基礎,自然可以快速因應多元化的專案需求,未來物聯網應用開發方向,會跟多樣化設計需求相同,加上部署物聯網終端所需的感測終端數量更龐大,使用開源硬體平台或晶片商參考設計基礎,不僅可以欸壓縮開發與驗證時程,能有效減省開發成本,推動物聯網架構投放市場應用更大的可能性。

有趣的是,為了推展物聯應用導入,晶片業者亦擷取開源硬體平台的成功經驗,卯足全力備足物聯網應用開發所用需的軟/硬體資源,而不是如以前僅需要提供reference board這麼單純,除需要給上reference board參考設計外,還需要提供嵌入式系統、開發原始碼、軟體資源、整合雲端服務資源等,加速SoC或物聯網嵌入式晶片的市場需求用量。

以MediaTek LinkIt Smart 7688平台為例,開發板僅新台幣不到500原便可購得,超低的定價策略可吸引等多社群或個人開發者參與投入LinkIt硬體平台開發資源擴展,加速越來越多電子應用原型設計推出,甚至成為量產應用設計。

小型、新創公司  透過開源硬體推出產品驗證市場

這對小型或是新創公司更是一大利多,透過選擇低成本的開發硬體設計進行功能規劃與部署,在內/外部商務條件達到應用市場需求時、同時開發服務的資源齊備,便可將原有原型設計以最短時間轉換至量產設計,對於資源不夠多、開發能力不足的業者,可以在有限資源下擴展事業版圖,將產品構思快速產出規模化應用環境,減少不斷試誤與浪費開發資源的研發過程。

以MediaTek LinkIt系列硬體開發平台為例,來檢視應用原型設計轉至量產可能經過的程序,以產品或服務概念階段,可使用LinkIt硬體開發平台的reference board先進行功能開發,先將產品或服務概念先以實作於reference board的應用實踐Prototype設計原型,而基於Prototype反覆驗證服務或是產品的實用性,透過驗證概念(Proof of concept)過程不斷優化Prototype原型設計,直至優化至一定程度再將Prototype轉至產品化(Production)階段。

在Prototype原型設計所需的硬體平台需高度擴展性、豐沛與靈活的軟體開發套件(Software Development Kit;SDK),而在跨至產品化過程中,又可自豐富的SDK快速汲取開發所需資源,加速產品上市過程,在轉商品化設計目標中,可使用晶片商提供的模組化功能晶片組構商品化所需硬體平台,透過模組化硬體或線路功能組構平台、縮減載板面積同時達到降低開發成本目的。

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關鍵字 
嵌入式系統物聯網(IoT)
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