Circuit Cellar嵌入式科技 國際中文版 No.7

本期內容以自造樂器（穿戴式音樂合成系統與電子鼓）與物聯網為主軸，前者討論打造穿戴式音樂合成系統與電子鼓的技巧，後者則包含硬體／韌體開發、LoRaWAN與無線連網方案等主題，除此之外，其他議題涵蓋嵌入式安全、智慧眼鏡、MCU無線介面標準、工業4.0實作、生醫訊號分析，以及微軟DevDays Asia 2017亞太開發人員技術年會及Computex 2017會後報。

本期封面故事《比iPad彈琴還酷 - 打造穿戴式合成琴音手套》作者想為學琴的年輕學子打造一組能模擬鋼琴聲音的合成系統（包括合成器與電子手套），以便解決傳統鋼琴太過龐大與笨重的問題，同時又能打破空間及成本的限制，實現沒有鋼琴與鍵盤的情況下也能方便彈奏的境界與目標。

特報1《支援數位錄製與使用者可修改的音響工具 - 專屬電子爵士鼓動手做》中作者詳述如何透過ATmega1284p微控制器及Bruce Land教授設計客製化PCB板來打造電子爵士鼓組的設計細節。特報2《探究類比ASIC (2)- 縮減尺寸、保護IP並降低成本》則繼上期如何透過整合實現簡化設計複雜度並達到節省成本目的注意事項，本期則進一步以縮減尺寸、保護IP並降低成本三大主軸來作更深入的探討。特報3《IoT解決方案DIY(1) - 物聯網硬體與韌體開發實戰》中筆者探討了尋求如何自動偵測車庫大門狀況而能發送警示訊息並可遠端關閉解決方案過程中不同方案的優缺點，以及最終選擇方案的選擇原因與硬/韌體開發要訣。

再者，本期「社群人物1」單元特別就台灣智慧眼鏡技術發展狀況及台灣智慧眼鏡聯盟/協會成立始末專訪佐臻董事長梁文隆及資策會智通所主任鄭育鎔。此外，「社群人物2」單元則專訪嵌入式硬體安全專家ColinN O'Flynn，其現身說法如何透過自己開發的Chipwhisperer-Lite來協助使用者了解各種專門鎖定嵌入式系統的旁路攻擊。

本期「疑難終結者」專欄報導的是《MCU實戰前基礎(5)- 無線介面標準基本認知》，作者進一步將探討主題從上期的有線介面移轉到無線介面上。本期「悠遊物聯網」共有三篇，其一是《物聯網長距離無線射頻技術(2)- LoRaWAN大直擊》，該文延續上期介紹可實現低位元速率及低功耗達成長距離通訊的LoRa技術，而接著介紹與LoRaWAN相關的協定堆疊、系統架構、聯盟運作狀況、裝置類別、安全事項、營運商及未來走向等重要議題。
第二篇則是《物聯網面面觀(1) - 無線連網可選方案大剖析》，作者介紹透過外部蜂巢式數據機、內部蜂巢式數據機、不含LINUX內部蜂巢式數據機及MIFI解決方案等四種將客戶產品連接到網際網路的方法。第三篇為《工業4.0範例實作 - 透過網頁控制Modbus RTU繼電器模組開啟家電》，本文將以當紅的Ameba RTL 8195開發板為例，探討以網頁瀏覽器、手機APP來操控工業設備的步驟式訣竅。

在「元件追新族」專欄裡本期將介紹《debootstrap指令攻略 - 打造Tinker Board精簡Debian系統》，作者Step by Step介紹如何在比樹莓派效能更強大的Asus Tinker Board上安裝Debian作業系統的方法與可能遇見的問題排除。本期「科技大未來」專欄中，本雜誌特別為讀者報導《生醫訊號分析技術的未來》，作者除了介紹當前生醫訊號分析技術的進展，並認為這些技術創新將為工程師提供千載難逢的機會，因為他們可以從系統的角度，結合病患安全性、低功耗需求、互操作性與效能要求等考量來設計裝置，更為電腦和資料科學家(Data Scientist)提供大量具有可變特性的巨量資料。

本書特色

《Circuit Cellar嵌入式科技國際中文版》主題涵蓋嵌入式軟硬體、電子工程及電腦應用等領域。《Circuit Cellar》英文版不但擁有多元化的國際性讀者群，包括長年從事嵌入式及微控制器(MCU)相關技術領域的專業人士、學者及電子專家，旗下作者群也來自世界各地，包括美、英、加、比利時等地。本雜誌的編輯宗旨在於協助讀者成為全方位跨領域的從業人員，進而能充滿自信地將創新與尖端前瞻的工程構想運用在各種相關任務、問題及技術上。
《Circuit Cellar嵌入式科技國際中文版》是當前台灣乃至亞太地區唯一一本藉由專案實作報導形式，兼顧理論與實際、趨勢與實作地從專案主題背後的市場趨勢、技術要點，到元件準備，更擴及設定調校、程式設計規劃等各個面向的注意重點與訣竅，企業可以從中了解各種新興嵌入式技術靈活搭配與整合的技巧，長此以往，並能培養出開發各種實用智慧應用的能耐與實力。
本書專案主題涵蓋領域包括：
1. 類比技術：涵蓋降低EMI/RF問題、高速訊號完整性、訊號調節、A/D或D/A轉換器、類比可程式邏輯，以及低功耗、單供電及混合電壓設計等熱門主題。
2. 通訊：涵蓋網路協定、乙太網路、USB、I2C（Inter-Integrated Circuit）協定、同步序列資料協定( Serial Peripheral Interface, SPI)及Firewire等熱門主題。
3. 資料擷取：周邊介面、感測器、感測器網路、訊號調節、A/D或D/A轉換器、資料分析及後置處理等熱門主題。
4. 嵌入式應用：車用、測試設備、模擬器（Simulator）、消費性電子、即時控制及低功耗技術等熱門主題。
5. 嵌入式開發：原型及模擬、仿真器（Emulator）、開發工具、程式語言、硬體描述語言（HDL）、即時作業系統、除錯工具及有用技巧與訣竅等熱門主題。
6. 嵌入式程式設計：程式語言、即時作業系統、嵌入式Linux、檔案系統、驅動程式、網路協定、演算法及最佳化等熱門主題。
7. 網際網路與連接：網路晶片、協定堆疊、裝置伺服器與實體層介面等熱門主題。
8. 測量與感測器：環境感測器、智慧感測器、單線感測器（1-wire sensor）、微機電系統（MEMS）感測器及感測器介面技術等熱門主題。
9. 可程式邏輯：直接進行設計（Design-in）的技巧與竅門；核心智財Core-IP(例如處理器、DSP、週邊等)；針對傳統設計挑戰的創新解決方案（例如初始化、動態可重組dynamic reconfiguration及安全等）；即時發揮作用之軟硬體工具等熱門主題。
10. 機器人：馬達驅動器、近接感測（Proximity Sensing）、電源控制、電池技術／管理、電子羅盤及加速計等熱門主題。
11. 訊號處理：DSP晶片及演算法、類比可程式邏輯、訊號調節、A/D或D/A轉換器、濾波器、訊號壓縮技術，以及RISC、DSP及VLIW之比較等。
12. 無線通訊：無線數據機、Wi-Fi/IEEE 802.11x、藍牙、ZigBee/IEEE 802.15.4、蜂巢、紅外線/IrDA，以及安全應用。

Circuit Cellar

Circuit Cellar Inc.是一家專門提供國際嵌入式設計社群相關產品與服務的媒體，為了扮演專業工程師與程式設計師所信賴的內容提供者，該公司除了發行Circuit Cellar雜誌外，亦推出許多工程/程式開發相關書籍、網站及新聞發佈。Circuit Cellar亦負責舉辦嵌入式設計與程式規劃/燒錄方面的國際性設計競賽。

Circuit Cellar長年進行嵌入式軟硬體與電腦應用方面必知訊息的蒐集、篩選與傳播，並融合實體印刷刊物與電子內容交付平台，來接觸更多元化的國際性讀者群，尤其是長期從事嵌入式及微控制器（MCU）相關技術領域的專業人士、學者及電子專家，進而共同為嵌入式領域相關的創新突破貢獻心力。

譯者簡介

林斯睿：嘗經歷IT雜誌編輯、主編與多家產業分析師之職，現為某IT公司內部產業分析師，並兼職各IT雜誌翻譯工作。
郭復誠：嘗經歷IT雜誌編輯、主編與產業PM等職務，現為產業分析師，並兼職各IT雜誌翻譯工作。
林泰宇：長久從事產業分析師工作，並兼職各IT雜誌翻譯工作。
李書安：萬能技術學院電機系畢業，現任某半導體公司Presale，並兼職各IT雜誌翻譯及企業英文白皮書製作等工作。
IRIS：現就讀成功大學資工系博士班，並從事各類外文書及雜誌專職翻譯工作。

編輯札記

People
社群人物1：智慧眼鏡將成為帶動各種智慧連網應用的終極裝置
專訪佐臻董事長梁文隆與資策會智通所主任鄭育鎔
社群人物2：另闢創新性嵌入式安全蹊徑
專訪嵌入式硬體安全專家ColinN O'Flynn

CoverStory
比iPad彈琴還酷—打造穿戴式合成琴音手套

Features
特報1：支援數位錄製與使用者可修改的音響工具 - 專屬電子爵士鼓動手做

特報2：探究類比ASIC (2) - 縮減尺寸、保護IP並降低成本

特報3：IoT解決方案DIY (1) - 物聯網硬體與韌體開發實戰

Columns專欄
疑難終結者：MCU實戰前基礎(5) - 無線介面標準基本認知

悠遊物聯網：物聯網長距離無線射頻技術(2) - LoRaWAN大直擊

悠遊物聯網：物聯網面面觀(1) - 無線連網可選方案大剖析

悠遊物聯網：工業4.0範例實作 - 透過網頁控制Modbus RTU繼電器模組開啟家電

Future
生醫訊號分析技術的未來

Industry
新品直擊
產業要聞
元件追新族

<特報1>專屬電子爵士鼓動手做
利用微控制器、壓力感測電阻（Force Sensing Resistor，亦稱力敏電阻）、簡單的瓶瓶罐罐，以及一些基本的電子零件，便可以打造出客製化的電子爵士鼓。此系統可偵測四個鼓的敲擊，並且播放出不同鼓的聲音。

使用者曾想過在家裡安靜地打鼓，又不用花上數百甚至數千美元買個電子樂器嗎？現在有個DRUMSET系統可以做得到：可數位錄製、使用者可調整修改的音響工具。這是筆者在康乃爾大學跟實驗室夥伴一起設計打造的。本文中會詳述設計細節，裡面用到ATmega1284p微控制器，及Bruce Land教授設計客製化的PCB板子（如圖1所示）。使用者當然也可用不同的微控制器及PCB板子來設計類似的系統，但是效益上會不太一樣。

系统概述
此電子系統隨著每個鼓（鼓是自行打造）的敲擊，能播放高品質的鼓聲。它會偵測4個鼓受到的敲擊，並播放不同的鼓聲。使用者可利用按鈕及2x16液晶顯示器的介面來選擇多種預先設定的爵士鼓風格，因此四個鼓可設定為不同的鼓聲。這樣便能創造出一個客製化的爵士鼓，而且還可以從麥克風錄製樣本聲音並指派給某一個鼓（參見圖2）。

系統核心是ATmega1284p微控制器（如圖3所示）。為偵測鼓的敲打，打鼓的力量會被傳遞到Tekscan Flexiforce A201的壓力感測電阻（經由一個可以把敲打力量集中到一點的兩公升改裝蘇打瓶）。A201再連接到微控制器的類比數位轉換器輸入端，然後轉變成數位脈波訊號後，再由軟體進行去彈跳(Debounce)處理，並判斷是否為有效敲打或雜訊。如果是有效的話，系統會依目前設定，經由外接數位類比轉換電路及喇叭播放預先設定的鼓聲樣本。使用者介面有7個按鈕，讓鼓聲設定非常簡單。

<悠遊物聯網>物聯網長距無線射頻技術(2) - LoRaWAN技術大直擊
歡迎再次回到本系列專欄裡。在先前的系列專欄文章中，筆者介紹了來自Semtech的無線技術LoRa（請參見「物聯網長距離無線射頻技術(1) — Lora技術大直擊」《Circuit Cellar嵌入式科技雜誌》No.6 2016）。簡而言之，LoRa是一個被稱之為「寬頻線性調頻擴頻」(Chirp Spread Spectrum, CSS)的調變技術，可以使用非常低的位元速率和低功耗來實現長距離的通訊（在開放場域中通訊範圍可達幾十公里）。不論是透過某個可連接到使用者首選微控制器上的低成本整合式收發器，抑或現成既有的LoRa相容模組，使用者都可以快速地透過該技術來與裝置無線互連。

本月，我將繼續介紹LoRaWAN，LoRaWAN是一個基於LoRa的協定堆疊，並由國際組織LoRa聯盟來進行標準化。

什麼是協定堆疊？
就讓我們先從一個關於協定堆疊的快速提示作為本文開頭吧。在電腦網路早期之際，很快就出現了對通訊功能之概念模型的需求。其首要理由全在於通訊協定的規定細節很複雜，因此將它們劃分成個別單獨的「層」，進而能提供一種更清楚且更精準的描述方式。第二個原因在於靈活性。一旦協定被分層，某階層便可被另一種版本的階層所取代，而不會對其餘階層造成影響。例如，拜各階層之間的這種獨立性之賜，使用者可以透過乙太網路、無線Wi-Fi或蜂巢網路連線來透通地使用HTTP或FTP。

無所不在的7層OSI模型是打從1984年開始採用的，而目前仍在使用（見圖1）。基本上，較低的實體層(Physical Layer)主要處理原始位元的傳輸。緊接其上的階層是負責點對點傳輸管理的資料鏈結層(Data Link Layer)，其最上層可到達應用層(Application Layer)，該層定義了資料的實際內容。

在有了上述網路模型的了解後，那麼就能看出我所談到的LoRa調變是一個實體層的解決方案(Layer 1)。LoRa定義了如何透過CSS調變來對位元進行編碼，以及如何透過其中某個可用頻段來無線發送這些位元，然後實體嵌入到專用的矽元件之中。

使用者只能使用LoRa在其上層建構自己的協定，但接著將必須處理Layer 2到Layer 7中有關定址、重傳、路由及安全性等等作業。

進入LoRaWAN中。它是建立在LoRa上層的標準化協定堆疊，其縮減了LoRa(Layer 1)與最終應用(Layer 7)之間的差距。你將會了解到的，LoRaWAN是一個相當簡單的協定，其不需要落實OSI模型所有階層。它藉由明確定義的Layer 2來管理點對點連結（一種簡單明瞭的路由方法），最後但並非最不重要的是安全功能。然而，LoRaWAN並未指定應用層。與ZigBee之類的協定相反的，儘管LoRaWAN負責資料傳送，但資料是使用者的。