联网技术/芯片方案成熟 物联网基础建设更加完备 - 全文

　　作者：德州仪器策略营销部门 Jim Chase

　　万物联网的远景虽令人期待，但实现的过程将挑战重重，尤其各种垂直系统因通讯层设计不一，故难以水平连结。目前产业界已积极着手制定物联网相关技术协议及开发相对应的芯片方案，进而加速整体环境的成形。

　　一般认为物联网（IoT）意指链接设备至网络，并藉此远程监控。此种定义相当狭隘，仅涵盖部分物联网内容，不过是将现有机器对机器（M2M）应用换个名称罢了；而广义来说，必须从联网设备到数据生活、预见挑战与网络环境整备度等各个面向着手，才能真正开启物联网时代。

　　物联网发展完备后，将可创造出一个智能且无形的网络结构，可加以感测、控制与设定。具备物联网功能的产品将运用嵌入式技术，直接或间接与彼此或网络沟通。1990年代，网络开始在企业与消费市场普及，但由于网络互连效能低落，用途相当有限；进入2000年后，网络联机成为多种应用的常态，今日更是许多企业、工业与消费产品藉以存取信息的管道。不过这些装置仅是存在于网络当中的设备，仍须透过应用程序与接口，进行人为互动与监控，相较之下，物联网的真正前景才刚刚开始要实现，将以无形科技在幕后运作，让设备能够动态因应人类需求。

　　

　　图1　移动装置、穿戴式电子及联网汽车等物联网产品可望在2020年突破五百亿部大关。

　　目前全球共有约五十亿部“智慧”联网设备，预估至2020年规模将增至五百亿部（图1），你我也可望见证突破一兆部的时刻。这个数字确实庞大，但若要达成这项目标，现今的设备部署架构反而是一大障碍，唯有简化设备连结与沟通的方式，业界才可能实现五百亿部联网装置的中长期理想。

　　垂直系统链接不易　物联网环境发展受阻

　　

　　图2　网络营运中心的概念正逐渐延伸至在智慧家庭，联网家电将在无形中为消费者提供服务。

　　早在因特网这个名称出现之前，许多制造商就已将设备链接至网络。嵌入式产品自1990年代中期加装网络服务器。过去15年间，M2M制造商已逐步将网络联机系统整合至高价值资产追踪（Asset Tracking）、警报系统、车队管理等类似产品。虽然有些M2M系统采用业界标准协议，制作起来仍有难度，但随着终端节点的高效能处理器日益普及，整合M2M系统变得容易许多，且处理器支持高阶操作系统及程序语言，让平台可运用智慧架构。这些系统通常与高端商业服务层相连，并由网络营运中心（NOC）管理（图2）。

　　目前消费市场上已出现各种联网产品，如恒温器、能源量表、照明控制系统、音乐串流与控制系统、远程影音串流盒、泳池系统和灌溉系统等，未来的市场发展潜力看俏。多数系统可透过网站相互链接，方便用户透过一般网络浏览器或智能型手机应用程序加以管理，发挥个人网络营运中心的功能。

　　虽然物联网在工业与消费领域发展均令人期待，但由于系统之间毫无链接且属垂直性质，整体网络建置并未因此简化。各系统或许能采用一模一样的协议与操作系统基础，可是通讯层的设计却不一致；纵然使用开放应用程序编程接口（API），但因为无水平连结，因而未能简化跨应用整合。

　　以洒水器控制系统为例，其藉由传感器、网络气象数据与可编程控制机制，而实现可判断洒水时机的智能功能，可是系统却未链接住家周围的动态感测装置，故自动洒水系统可能淋湿小狗或儿童。

　　由于控制器无法取得来自动态感测装置的信息，故得运用其他动态控制垂直整合，将数据传输至另一部云端服务器；再想办法让两部云端服务器相连，并盼望这两次整合后还能增加少许控制空间。然而，电子系统的运作不该仰赖“盼望”，若使用Perl、Python、PHP或其他程序语言，在服务器内额外设计一套垂直应用，将可建立链接，依据动态数据延后洒水时间。不过如此构想需要高度专业才能实践，故无法迅速建置。

　　因为市场有连结垂直整合的需求，IFTTT.com与zAPIer.com等新式网络服务应运而生，协助用户以图像化方式串连个别垂直系统，不过用户得先注册加入另一服务项目，确认应用程序编程接口是否符合特定垂直整合需求。这些网络平台只能提供基本的服务选项，例如“若收到妻子寄来的电子邮件，就自动发送简讯至手机”，并假设日后不会出现更多的流量控制需求。

　　在前例中，假如洒水器系统具备延迟控制应用程序编程接口，即可设定“若感测到动态，就延后洒水”；这种模式包括三项服务、三次登入（且必须在第三项服务下进行管理）、三种不同的智能型手机应用程序，而且有好几个故障点（Points of Failure）。如果用户希望整合上述服务与个人行事历，确保举行户外家族聚会时草皮能保持干爽，情况将更加复杂。

　　结合移动/穿戴式电子　物联网勾勒智慧生活

　　虽然上述应用很有意思，仍无法加速物联网普及。毫无疑问，未来自造者社群肯定会打造新的工具，也将有新的垂直应用与载具问世，但物联网并不只是简单的垂直一次性文字简讯或推特（Twitter）发文。那是有趣的示范案例，可是欠缺扩充性与垂直系统整合。物联网应传递讯息，但也需要简易途径，方便装置程序运作，以及响应其他装置或服务，无需复杂程序环境便可打造高科技应用。

　　举例来说，消费者一旦允许苹果（Apple）与Google追踪所在位置，预订的旅馆可事先得知该订户大约何时抵达，也能透过其身上智能手表的温度及湿度传感器，知道长途旅行的订户热得满身大汗，途中旅馆房间仍处于休眠状态（未开灯、拉上窗帘、维持最佳休眠室温），但当消费者一抵达旅馆，门房就能藉由物联网系统知道是该房间订户，而车辆也因为侦测到门房人员接近，自行调整座椅。

　　不仅如此，系统也能掌握消费者喜欢自己拎行李的习惯，故行李员并未上前；当一接近旅馆大厅，智能型手机将自动下载安全房钥应用程序；走进电梯时，房间已依据智慧手表回传的感测数据调节合适温度，灯光明暗、音乐与隐私设定均依照消费者要求而定。快走到房门时，安全房钥应用程序已打开门锁；晚上准备就寝时，房间侦测到照明已关，便会依据个人喜好调整室温。

　　以上情境里，这家连锁饭店每个房间均设有多个感测及致动器（Actuator），每辆租赁车亦然；而消费者也穿戴着多种感测及启动装置，例如以手表震动做为提醒，不必时时透过智能型手机触控屏幕，指挥联网设备采取移动，不过手机的确是与用户活动息息相关的网关；未来这会是无数人日常生活的一部分，联网数据将无所不在。

　　然而，这样的物联网愿景不会一夕之间发生，若要达成所需网络规模，唯有创造最小公分母，制定全球通用的简易讯息传递配置，也必须仿照自然，以有机方式发展。目前物联网技术协议与数据结构仍受限于设计复杂度、安全性和延展性等。联网装置将会愈来愈复杂，但使用方式必须愈来愈简单。模拟与数字的界线将变得模糊，纵然世界上每个人对幕后技术毫无所悉，依然能够主宰个人生活环境。

　　物联网下一步　追求垂直与水平应用均衡

　　今日人们所知的网络（严格来说就是HTTP技术），其实源自于Tim Berners-Lee的利他概念，希望透过开放平台让全球每个人都能相互连结。过往只有企业专用网络，信息分享近乎于零，亦即网络时代之前的垂直模式，直到ARPANET奠定一部分基础与传输协议，启动网络迅速发展，亦衍生出国防数据网（DDN）、国家科学基金会网络（NFSNET）等。后者在公私部门经费赞助下，演变为因特网建构基石。今日网络内充斥各种垂直应用，全都建基于简易的链接与信息传送平台。

　　目前制造商有各种垂直应用需求，部分或许利他，但多数背后都有利益考虑，否则未来发展也不可能出现；但水平均衡须要利他。未来物联网将是人类史上最大水平系统架构，垂直应用依然存在，可是最根本的低阶链接与信息传递功能，必须普遍存在与隐身于所有应用程序当中。

　　此外，为达到水平均衡，物联网也必须更近似有机系统。当细胞复制时，会以DNA形式传递基本信息，细胞结合后则形成自动机制阶层，运用神经系统来建构与保护细胞结构，亦即人体内的水平整合形式。每个人身上皆存在无数细胞，韧性极高，不必“重新启动”亦可连续运作逾百年。因此打造基础信息与装置架构时，必须先研究有机系统。

　　或许有人认为，因特网具备有机系统特质。但今日网络多数流量均汇聚至少数极巨大的数据管线。最初的网络架构较为“扁平”，较接近点对点（Peer-to-peer）性质。过往带宽需求相当低，最大流量仅来自讯息传输，后来由于丰富的影音与实时信息迫使大型线路兴起。

　　主从式架构为今日主流，背后大多由内容汇流者与大型线路公司推动。随着产业进步，未来将逐渐回归较扁平的架构，大型线路不会消失，继续支撑高带宽与实时需求。不过当物联网联网装置数量破兆后，将出现多重数据流动路径，这个巨大点对点平台的汇流带宽将远超过大型线路效能。

　　下一代物联网挑战艰巨

　　物联网的网络若无法规范，就会完全中立与隐形，后代甚至不会知道何谓“因特网联机”，不过前提是各方必须对物联网基本单位达成共识。若想为物联网水平架构打造最低层技术，制造商得着手处理以下最根本的难题：

　　· 网络链接

　　未来不会有单一独大的网络链接标准，势必由多种有线与无线标准并存，再加上各种专属应用来串连物联网内各种设备，而难题在于如何让连结标准彼此构通，使用流通全球的数据单位。

　　· 电源管理

　　愈来愈多以物联网连结的设备将以电池供电，或运用能源采集（Energy Harvesting）技术，变得更容易携带且能源自给自足；有线设备必须提高能源效能，而难题在于如何以简易方式，在这些装置与设备中加入电源管理功能；无线充电将结合连结与充电管理。

　　· 信息安全

　　物联网传输大量数据，故信息安全至关重要，必须内建资安硬件与运用现有链接资安协议，巩固物联网安全；另一难题在于如何教育消费者，善用装置内建的资安功能。

　　· 网络复杂度

　　制造商希望扩大物联网规模，涵盖过往并无链接功能的装置与设备，尤其是射频（RF）编程相当复杂时，设计与研发必须简易，才可能增加联网装置数量；此外，还要让一般消费者在不需任何技术背景的前提下，也能设定与使用装置。

　　· 产业迅速演进

　　物联网不断变迁演进，每天都新增更多装置，相关产业也尚在萌芽阶段。业界面临的难题在于其中有太多未知元素，包括装置、应用和用途等一概未知，故必须在各个发展层面保有弹性。

　　因应上述挑战，业界认为介于16～1，500MHz的处理器与微控制器（MCU）必须搭配各种应用，例如无线小型能源采集感测节点的微控制器，或是物联网基础架构的高效能多核处理器，同时还需要各种有线及无线连结技术，满足市场多样需求。最后则是各种传感器、混合讯号与电源管理技术，供物联网与节能设计做为用户接口。

　　进军汽车/照明/穿戴式应用　物联网将改变生活型态

　　无庸置疑，物联网将改变你我生活、工作及玩乐方式，无论是厂房自动化、汽车连结、穿戴式人体传感器或家电；物联网也将触及生活各个面向，让用户能运用周遭网络主宰生活，依据个人环境及来自其他系统的信息，时时变换与调整。

　　举例来说，在物联网环境下，汽车将能感测其他来车，避免事故发生，让生活更安全；照明系统将依据窗外光线明暗调整，让生活更环保；穿戴式装置能侦测心脏病与中风可能发生，让生活更健康。只是，迈向2020年的物联网仍是条漫漫长路，但途中肯定处处惊喜。

　　因应物联网发展，芯片商已推出许多解决方案，涵盖有线与无线连结技术、微控制器（MCU）、传感器、模拟讯号链与电源管理，同时也提供云端系统方案，以加速建置物联网环境。无论是智慧家庭、工业与汽车应用、电池供电的穿戴式电子、能源采集无线感测节点（WSN），相关业者皆须备妥各项软硬件工具，方便各种装置加入物联网。