物聯網的運作架構分為感測層、網路層與應用層。感測層包含末端被感測的物體、感測器、感測區域網路、閘道器這4項組成要素,網路層大多是TCP/IP網路或行動通訊網路,最後一層應用層則是企業因應不同的業務需求建置的應用系統。(資料來源,中華電信,iThome整理,2011年12月)

物聯網的運作機制如同人體的神經網路,末梢神經自動感測各種訊息之後,會將訊息一路從神經網路分支匯流至主要幹道,再傳遞至人腦,由人腦研判訊息的意義後,進一步做出反應與決策。

設想一座龐大規模的物聯網正在運行著,最末端的物體如同末梢神經,網路如同中樞神經,應用系統如同人腦,當上千上萬個物體不斷製造與發送微量的感測資訊,這些資訊經由層層網路匯聚與傳遞,被推送進應用系統當中,由系統來研判與分析資訊的意義,進一步採取應對方式。

從實際用途來看,物聯網在概念上可分成3層架構,由底層至上層分別為感測層、網路層與應用層,這3層各司其職,同時又環環相扣。感測層用來識別、感測與控制末端物體的各種狀態,透過感測網路將資訊蒐集並傳遞至網路層,網路層則是為了將感測資訊傳遞至應用層的應用系統,應用層則是結合各種資料分析技術,以及子系統重新整合,來滿足企業不同的業務需求。

物聯網非新技術,而是現有技術再延伸

這3層架構只是一種物聯網技術的分類方式,其實物聯網並不是新的技術,有些是常見的IT技術,像是RFID、Wi-Fi,網際網路,有些則是工業上運用多年的專用技術,例如溫濕度感測技術,電力量測技術等。不過,相較於5、6年前物聯網萌芽時期,現在各項技術越來越成熟,也讓大規模應用的可行性越高,建置成本也越低。

臺北科技大學物聯網技術研發中心主任黃榮堂表示,不同於一般企業建立的無線感測網路(Wireless Sensor Network,WSN)只連結數十至數百個感測節點,而且連結的物體同質性高,只能視為物聯網的初階應用。當企業邁向物聯網時,必須在一個區域網路內連結上千個至上萬個感測節點,而且節點連結的物體異質性高,涵蓋動植物、有電流的機器、沒電流的物品等。

在感測技術上,電子晶片的製程、單價與耗電量等不斷降低,感測裝置能夠依附於更細微的物品之上,以更精準的方式感測微量資訊,而各類無線感測網路的通訊模組則朝著低單價、低功耗、高可靠傳輸的目標邁進,如RFID、ZigBee與藍芽4.0等,使感測網路的涵蓋範圍擴大與精準度提升。

以網路層來說,隨著電信網路、網際網路與電視網路的分界逐漸消弭,在三網上的應用開始匯流整合後,使物聯網可以同時傳遞與呈現更多異質性的資訊。另一方面,網路層不斷擴大的網路頻寬能夠承載更多資訊量的同時,QoS頻寬分流管理的政策必須更加複雜,而企業的網路管理平臺也確實朝著這個方向邁進。

以應用層來說,雲端運算的種種技術成為物聯網擴大規模的助力,同時也促成物聯網五花八門的應用服務,當物聯網規模擴大,更加需要採取雲端運算的運作體系。

雲端運算將所有運算資源集中於資料中心進行處置,再透過網路將服務延伸至更多的端點。物聯網的理念與雲端運算不謀而合,同樣企圖擴充延伸終端連網的節點,進而涵蓋萬事萬物,藉由中間的網路傳遞訊息,透過應用層當中集中化的運算資源進行處置。因此,物聯網同樣可以藉助雲端運算的各種技術來傳遞、儲存及分析巨量資料,進而將應用轉變為隨取隨用的服務。

然而,現階段企業在發展物聯網的最大挑戰不是技術不足,而是這些技術之間的介接與標準化,現在不同產業各自發展出各式各樣的物聯網型態,在技術與應用難以互通的情況下,導致每一種物聯網的規模因而受限。不過,新的網路架構在發展初期難免如此,透過多方嘗試,較容易歸納出最佳化的標準。雖然物聯網技術仍是百家爭鳴,但目前都已經有幾項主流的技術逐漸脫穎而出,可一窺物聯網技術標準化的走向。

感測層主流技術:被動RFID、ZigBee、藍芽4.0與Wi-Fi

物聯網當中的感測層如同人體的末梢神經,用來識別、感測與控制末端物體的各種狀態資訊,再透過低功耗、低頻寬的感測網路通訊模組,將這些資訊傳遞至網路層。感測層至少包含末端被感測的物體、感測裝置、感測區域網路、銜接網路層的閘道器等4項組成要素。

一般而言,物體自身或感測裝置必須具備識別、感測與傳輸資料的能力,又因為多數的物體不具備這些功能。因此,企業通常會在物體上裝設感測裝置,每臺感測裝置含有一顆低功耗的微型處理器、通訊晶片、感測器、記憶體等硬體配備,用來感測物體本身的狀況,或物體週遭的速度、圖像、溫濕度、位置、光、壓力等數據資料。

接著,這些資料會定期經由感測裝置的通訊晶片、感測區域網路的天線與無線存取點(AP)一路回傳至閘道器,透過閘道器將感測網路訊號進行中介轉換,並傳遞至企業通用的網路層。

不同於一般網路的通訊協定,感測區域網路講求低頻寬、低功耗,以及擴充支援上千萬個感測節點等特性,因而需要在網際網路之外,另外制定感測網路的通訊協定,目前感測網路同樣包含了有線與無線網路這兩種。

有線感測區域網路通常用於固定不移動的物體、感測範圍固定不擴充、各節點傳輸距離普遍較長,以及需要大量頻寬與供電的應用環境,像是工廠自動化、建築自動化、醫療儀器、能源管理、鐵路系統等產業,目前主流的匯流排標準包括AS-i、CAN、HART等。

無線感測區域網路則通常用於移動的物體、不適合布線的環境,以及感測範圍不一、各節點傳輸距離短,以及低頻寬與低功耗的應用環境,像是遙感探測、物流、運輸、雷達、通訊與金融交易等,目前主流的無線感測網路標準包括RFID、ZigBee、藍芽與Wi-Fi等。

中華電信數據通信分公司公眾數據處處長王余煥表示,隨著無線網路的頻寬與穩定度提升,將來企業在布建最末端的感測網路時,會優先選擇無線網路,藉此減少初期布線成本、日後維運,並且能夠快速擴充感測網路的範圍,不必受限於實體線路。

以目前主流的無線感測網路技術來說,各自有適用的領域。黃榮堂表示,被動式RFID適用於不供電的物體,如卡片、書籍、一般用品等;ZigBee多用於量測物體本身的及週遭的資訊,如智慧電網、環境監控等;藍芽則多用於人與物互動的設備上,如手機、筆電、家電用品、醫療儀器等,通常內建藍芽的設備也會同時支援Wi-Fi網路,進而可以將這些資訊上傳至網際網路。

網路層主流技術:Wi-Fi、3G、TCP/IP網路

介於感測層與網路層之間的閘道控制器,可以銜接有線或無線的網路,將資訊傳遞至網路層。網路層如同人體的中樞神經一般,扮演感測層與應用層中間的橋梁,負責將分散於四面八方的感測資訊集中轉換與傳遞至應用層。視物聯網的規模與所在環境,網路層的類型可能為一般企業的內部網路,或是電信業者的廣域(外部)網路,也可能同時涵蓋內外網。

如果企業物聯網環境受感測的末端物體會移動、感測範圍未固定、感測環境在戶外等,通常會採用電信業者的廣域網路,包括電信網路、有線電視網路與網際網路等,藉此擴大傳輸範圍。反之,企業物聯網的末端物體固定、感測範圍與環境固定,企業就會直接透過內部的有線乙太網路或Wi-Fi無線網路來當作網路層。

不過,目前臺灣的電信業者並沒有針對物聯網提供專屬的網路傳輸服務。王余煥表示,臺灣的電信業者提供通用的TCP/IP網際網路、VPN、GPRS(又稱為 2.5G)、3G行動電信網路等,與一般網路服務相同。例如,中華電信iEN智慧電網服務平臺採用GPRS協定來傳遞設備的用電記錄,中華電信若要提供企業廣域網路環境來建立物聯網,也同樣提供GPRS、VPN、3G等通用的服務。

相較於中國大陸目前已發展了頗具規模的物聯網,在網路層這方面,一開始就採取了不同的作法,針對物聯網打造專用的3G網路,每顆感測裝置都植入一張SIM卡,透過同一個號碼來傳遞感測資訊,好處如同VPN的效果,不僅頻寬資源可以獨享,還能避免網際網路的資安風險。

王余煥表示,由於物聯網很多的系統控制功能是自動化運作,許多業務流程免除了人為操作與管理的程序,如果這些物聯網的應用系統遭受入侵攻擊,系統會執行錯誤的控制指令,將造成企業更嚴重的損害。不過,臺灣電信業者目前都還沒有建置物聯網專用網路的打算,仍提供VPN網路來避免資安風險。

事實上,無論企業選擇內部或外部環境,當網路的規模必須擴充至物聯網時,都將造成終端連網節點的數量暴增,而容易面臨網路管理與IP位址重新分配的問題,目前臺灣電信業者還未提供IPv6商轉服務,若臺灣的企業普遍著手建置物聯網,將加速耗盡臺灣僅存的IPv4位址。

不過,臺北科技大學機電學院副院長李達生認為,IP位址不是企業導入物聯網的最大阻礙,在感測網路當中,通常會建立ID來辨識每個感測節點。例如,中華電信iEN平臺為每顆感測裝置都建立ID進行辨識。如果企業非得分配IP位址給各個節點時,仍可採取虛擬IP位址,減少實體IP的耗用。

應用層主流技術:雲端運算、巨量資料分析、資料探勘、BI

當末端的物體將感測資訊透過網路傳送至最上層的應用系統時,這些系統不再如同以往一般只提供自動辨識的功能,還必須將物聯網單筆的資訊連結為一套網絡,進一步做分析運算、建立營運模型、針對特定事件做自動處置,並指引營運決策的方向,提供這整套體系的運作,才屬於完整的物聯網。

李達生表示,透過物聯網搜集而來的單筆資訊難以發揮顯著的價值,而應用系統的工作就是將發散於各節點的資訊鏈結起來,找出每筆資訊的定位與意義。因此,物聯網的應用系統必須串連與整合多套子系統的數據資料,除了提供系統連動做自動處置之外,還要進一步做大量資料分析,因此,資料探勘、資料倉儲、決策支援、商業智慧(BI)等都成為應用層重要的技術。

另外,雲端運算涵蓋的種種技術有助於物聯網擴大規模與應用服務,其中較重要的是用於巨量資料分析的分散式運算,如Hadoop。雖然這些感測資料的內容並不複雜,可能都只是單筆的數值,但分秒傳送不斷累積於應用系統之後,歷史資料的容量將與日俱增,如果使用者針對歷史資料進行分析時,將造成大量運算的需求。

另外,許多感測資訊屬於非結構性的資料如監視影像,將提高分析的困難度。舉例來說,中華電信針對各縣市警察局推出車牌影像辨識系統,預計在宜蘭縣與桃園縣的10個路口架設攝影機來拍攝行經車輛的車牌影像。

王余煥表示,由於每天拍攝的影像檔案容量過大,如果警察希望追蹤某部車的行經路線,會在這套辨識系統輸入車牌號碼,系統必須分析所有路口攝影機蒐集而來的影像資料。此時,系統會使用平行運算技術,將歷史影像資訊切成幾個單元送到多臺伺服器上,每臺伺服器只執行部分的運算工作,最後透過該系統呈現所有伺服器的運算結果,加快大量運算處理的速度。

建立通用技術標準,才能擴大物聯網效益

雖然這些主流技術已經逐漸到位,但現在各產業物聯網的應用仍處於啟蒙階段,多數企業各自為政,欠缺共同的發展標準。未來物聯網應用系統要能夠快速推廣的關鍵作法是,相同產業之間必須共結聯盟,針對特定的產業建立經驗模型,才能快速導入其他同業,除了降低各家企業重頭開始建置的失敗率,同時也可以達到物聯網以量取勝的效益。

之所以需要各產業互結聯盟的原因在於,導入的規模大小也是決定物聯網應用成敗的關鍵因素,學者與廠商都不約而同地說,物聯網的規模越大,效益越顯著。黃榮堂表示,無論在哪一種產業都是規模大或擁有全球連鎖店的企業率先導入物聯網,由大型IT廠商針對該企業發展專屬的物聯網應用系統。等到大型企業做出效益之後,中小型企業也必須加入大型企業的物聯網,或是多家中小型企業自組聯盟,來導入物聯網。又因為不同產業的應用需求都不同,要建立跨產業的共通標準並不容易,因此,先制定不同產業適用的標準技術為當務之急。

以物聯網應用系統的切入點來說,黃榮堂表示,物聯網發展的成果首先發生在人與物的互聯溝通,這也是物聯網較顯著、技術門檻也較低的需求。例如,醫療儀器可以針對老人與小孩自動提供居家照護服務。

在物與物的互聯溝通方面,因為技術門檻較高,只有特定產業有此需求,因此,會先以特定產業先發展,運輸業、物流業、能源業、全球連鎖業者等。等到人與物互聯的應用普及之後,各項技術的價格因普及而下跌,技術能力也提高之後,物聯網才會大規模應用於物與物的互聯。

簡而言之,物聯網的核心理念不是發明新的技術,而是將這些早已充斥在你我周遭的感測、網路與運算資源重新整合互聯,來創造新的應用型態。「物聯網普及關鍵是要找出不改變現有技術、不衝擊企業既有IT架構的作法,讓企業只需要將所有資源重新連結,找出新的價值,唯有如此,物聯網才能蓬勃發展。」李達生表示。

 

物聯網主流無線感測網路技術一覽

物聯網的感測區域網路負責傳送末端物體的感測資訊,目前多數企業為了避免布線過於複雜,選擇採用無線的作法,主流的無線感測網路技術包括RFID、ZigBee、藍芽4.0與Wi-Fi這4種。

技術1:被動式RFID

企業布建被動式RFID感測網路環境時,必須準備被動式RFID標籤  1 、天線  2 與讀取器  3 ,讀取器再連結到控制主機。

 

技術2:ZigBee

企業布建ZigBee感測網路環境時,需要與感測器結合的ZigBee通訊晶片  1 ,以及連結控制主機的ZigBee網路模組  2 ,而不需要任何的無線存取點(AP)。

 

技術3:藍芽4.0

只要感測裝置內建藍芽4.0通訊模組,就能互相傳遞資訊,例如,圖中無線傳輸滑鼠  1 可透過藍芽4.0傳送訊息給插於筆電USB埠的藍芽4.0網路模組  2 

 

技術4:Wi-Fi

企業內部的無線網路環境通常會直接採用Wi-Fi無線存取點(AP),並在機房設置控制器做集中控管。

 

 


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