穿戴式物聯網應用開發限制 需透過異質多核心MCU設計改善
- DIGITIMES企劃
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Apple WATCH與各式穿戴應用、物聯網應用最大的問題，其實就在於當裝置整合通訊、感測、通用運算等功能後，受限於產品體積、功耗與物料成本，終端產品能裝載的電池肯定不夠大，如此也將導致電池續航力驟減，影響產品使用體驗，而功耗改善問題透過異質多核MCU也可獲得紓解…
以目前最熱門的Apple WATCH智能表穿戴應用為例，新品推出雖造成市場熱烈討論，但最大的產品問題仍是其一天僅有18小時電池續航力，暴露其電力功耗控制的產品限制，即便Apple WATCH透過自動關屏、節電模式進行手錶電力表現優化，但實際上在產品上的表現仍受到多數體驗用戶質疑。
其實穿戴應用這類不需要太強大通用運算需求的應用裝置，基本上僅需多核或是異質多核MCU就能處理，從產品運行功耗、低功耗聯網能力、資料感測？擷取、人機介面互動等，都需要靠MCU的精簡架構來有效處理運算與功能任務，同時應用MCU的低功耗特性讓穿戴應用的電池續航表現不再是產品的致命傷。
先不要提太多單一商品問題，先檢視幾個物聯網、車聯網、穿戴應用在產品開發中必要的產品特性重點，以及如何透過多核異質MCU架構加以改善優化產品表現。
產品體積要求小巧
先討論產品體積的部分，以Apple WATCH這種智能穿戴產品為例，智能手錶表盤提供38mm、42mm兩種尺寸規格，智慧表的厚度也不能太厚實，重量也不宜過重而造成配戴的垂墜不適感。因此，扣除錶身結構是金屬材質既有的重量外，裡面的電子零件、電池等元器件體積、重量都是關鍵。另外若是無屏幕顯示的智能手環，體積要求更小巧、更輕盈，能用的元器件體積、重量的要求更高。
至於在物聯網、車聯網會用的連接終端設計，雖然在體積要求沒有穿戴應用這麼高，但實際設計上也有一定程度的體積要求，這會對實際部署物聯網感測終端可以因為體積優勢，而讓部署難度與成本變得更低。
而在一些智慧設備的設計要求，例如機器人、無人飛行器、智慧家庭設備等，基本上為在現有設備上追加智慧控制模組與網通模組，因為既有功能關鍵模組或功能設計已相對成熟，智慧控制模組整合必須在不損及既有設計現況下進行功能整合，因此在這類智慧裝置的整合應用上，也必須關注智慧功能模組的體積要求。
智能軟體整合問題
對穿戴裝置、智能設備等產品，這類設備要能發揮效用，實際應用是需要搭配智能軟體進行整合，才能有效發揮產品功效。一般關注的焦點會在軟體與底層嵌入式作業系統方面。
軟體部分，需考量是否能與異質多核的硬體平台最佳化設計，有效善用硬體運算效能與執行資源，而不會出現資源緊缺或導致產品故障問題；而在底層嵌入式系統部分，則需在輕量化的硬體平台下，如何動態調配硬體資源給予軟體運行，或針對生態系內的第三方軟體進行資源管控，避免設計不良的應用程式耗盡硬體資源導致操作體驗不佳。
軟體部分除了硬體本身裝載的嵌入式系統運行程式外，另一種軟體形式為透過另一行動裝置或遠端控制管道，進行智能裝置、穿戴裝置的遠端遙控操作，若是這類軟體由於運行的資源在於遠端控制的設備，自然不會牽涉到小型系統、嵌入式系統的運行細節，其中會考驗的僅是遠端遙控所使用的無線技術、傳輸速度、傳輸功耗等，運行品質則看軟體與智慧硬體間的互聯測試、相容性測試是否完善而定。
功耗問題影響穿戴或物聯應用體驗
對於穿戴或物聯網應用，另一個大問題即功耗控制問題，因為只有在硬體層的功耗表現，會直接左右用戶採用該項設備的選擇。倘若設備功耗表現差，如智能手錶若電池續航力撐不了一天，等於有大半天智能手表會處於充電中狀態，而在充電過程中穿戴設備是無法記錄運動資訊的，這樣就無法進行完整的一日運動活動記錄，等於是個人健康資訊的大數據多了一個缺口。
檢視電子電路的功耗，由功耗(P)算法=電流(I) X 電壓(V)，若想積極降低功耗表現，可從電流(I)或是電壓(V)兩方面同時著手，讓整體耗能壓低調降。
基本上裝置在進行運作時，多數情境是不會全速運行，其中耗能的設備或元器件包含處理器、記憶體、快閃記憶體、外接周邊、無線通訊模組、感測器等，最理想的節能設計為在裝置或元件不用時，將對應功能關閉，如電流(I)為零，理論上該功能區塊的功耗(P)即為零，但實際上並不是這樣，這種狀態只能算是接近零，積體電路在關閉部分功能後仍會有極小的漏電流，而異質多核MCU在部分核心關閉不運行時，其實在控制不同核心運行時機的控制單元，也會有運行電流，導致功耗(P)的降低程度受到影響。
而硬體的狀態切換，也必須考量待機狀態與待機電流狀態檢視功耗優化問題。例如，若物聯網終端的待機時間佔運行時間的95%，那表示異質多核MCU必須更專注優化95%不運行狀態下的維持電流降低狀況，以降低整體的功耗(P)表現；而當系統處於待機狀態時，要從待機轉到全速運行會有極短的轉換時間，若刻意壓低低功耗模式下的待機電流，相對也會導致MCU喚醒全速運行的時間拉長，這在面對需要即時擷取、處理數據的應用可能會出現系統誤差問題，在優化功耗表現時也必須考量額外的系統喚醒需求問題。
MCU的聯網問題
目前熱門的穿戴式裝置多搭配低功耗藍牙無線技術(BLE/Bluetooth Smart)，或是ZigBee進行設備與設備、裝置與裝置間的資料數據傳遞，對物聯網、車聯網應用來說，就必須額外支援如2G/3G/4G甚至Wi-Fi的無線數據高速傳輸應用，但這類數據傳輸技術較少用於穿戴式裝置上，因為Wi-Fi絕對是最耗電能的無線技術，而2G/3G/4G則看數據傳輸模組本身的功耗優化狀態而定。
操作介面人機互動 也是影響功耗的關鍵
物聯網、車聯網應用較無顯示與人機互動需求，因為多數的現場監控資訊大多透過數據傳輸送回記錄大數據的雲端應用備存，供物聯網、車聯網應用服務隨時分析調用；反而是類似智能手錶、智能腕帶等智慧裝置，就必須搭配顯示屏進行人機互動操作。
其中，智慧錶代表產品Apple WATCH使用的顯示屏同時具備觸控功能，這部分光是屏幕本身的背光、驅動耗費的功耗外，驅動感測觸屏的觸點掃描、分析與人機交互互動操作，過程中也會產生或多或少的運行功耗，這時，若要人機介面的操作反饋更即時、快速，表示處理觸控的相關操作都必須加速，這也會加速電池耗用，尤其是像Apple WATCH這麼重視人機互動體驗的產品，處理屏幕觸按操作就會耗掉不少電力，必須透過整合MCU的功耗優化，補強這部分因人機交互體驗損耗的電力問題。
感測器整合、資料獲取 需搭配低功耗整合元件優化
車聯網、物聯網、穿戴應用其中一大部分是透過環境感測或是生物感測，新一代的MCU透過異質多核整合元件也嘗試把感測器整合到MCU中，進一步壓低整體電路的功耗表現，而進行延伸數據的再利用。
例如穿戴式應用可以記錄配戴者的日常活動狀態，進行記錄、分析，在系統如何進行資料採集、資料如何處理加工、處理好的資訊透過何種機制展演呈現，每個過程環節都會產生或多或少的功耗，開發時應提供相對應的低功耗感測器進行整合，搭配低功耗傳輸技術將採集的資料派送到對應的元件或是處理單元，相關整合問題都需一併整體考量。
