2014年5月27日

物物相聯的龐大網路—物聯網

物聯網是一個由物物相聯而構成的巨大網路。在物聯網中,智慧物件透過感測、辨識及聯網的能力,進而提供更加值的應用服務。

作者/張志勇(任教淡江大學資訊工程學系)、陳正昌(就讀淡江大學資訊工程學系博士班)

網際網路的技術發展與應用快速成長,改變了人類的生活與溝通方式,而隨著網路與通訊技術的創新以及微機電技術的進步,感知與物件聯網技術已可將感測器與無線通訊晶片嵌入於實體物質或與其高度整合。在食、衣、住、行、育、樂各方面的電子產品也漸漸地植入感測及無線通訊的晶片,各式各樣的智慧物件亦漸漸地問市,如智慧手機、智慧插座、具紅外線感應能力及無線傳輸能力的LED照明燈、機器人、智慧冰箱、智慧藥盒、智慧血糖機、智慧血壓計、智慧跑步機、聯網電視、智慧家電等,提升了人們生活中的便利性與即時性,也因此,物聯網(Internet of Things, IoT)的時代已悄悄來臨。

物聯網的概念起源於比爾蓋茲1995年《未來之路》一書,在《未來之路》中,比爾蓋茲已經提及IoT的概念,只是當時受限於無線網路、硬體及感測設備的發展,因此並未引起重視。但隨著技術不斷進步,國際電信聯盟於2005年正式提出IoT概念,而在2009年歐巴馬就職演講與IBM提出的「智慧地球」得到了熱烈地響應後,IoT再次引起各界廣泛的關注。

IoT透過在物體上植入各種微型感應晶片使其智能化,然後藉助無線網路連結上網,使物體的資訊得以分享,實現人和物體對話、人和人對話以及物體和物體之間交流,使人們生活中所接觸的物體變得更有智慧,能夠自動回報狀態、自動與物溝通、與人溝通、更易與人互動以及更聰明地被人們使用。

手機便是眾多智慧物件中的模範生。例如利用安裝在手機上的GPS系統與交通導航應用程式能即時告知手機使用者,某路線車流量正處顛峰狀態,並進一步提供給使用者智慧交通服務。又如利用手機上的無線射頻辨識系統(RFID)與商品應用程式,可讓使用者欲前往賣場進行購物時,只需將手機靠近商品,便能確認此商品在哪些店家或賣場有銷售,且在何處消費會較便宜。藉由手機上的各式感測器與無線通訊能力,便可提供使用者智慧物流、智慧醫療、智慧家居、智慧交通以及智慧綠能等服務,讓生活更加便利。

IoT 的架構
根據歐洲電信標準協會(European Telecommunications Standards Institute, ETSI)之定義,IoT 可依照不同的工作內容劃分為感知層、網路層及應用層(圖一)。
圖一:IoT架構及關鍵技術。(作者提供)
(一)感知層
就感知層而言,具感測或辨識能力的元件可嵌入各種真實物體,使其更具智慧。其中,日常生活中常被用來嵌入物體的感測元件,包括紅外線、溫度、濕度、亮度、壓力、三軸加速度等感測器,使智慧物件具有感測環境變化或物體移動的能力。而物體在辨識能力的提昇,最常見的便是RFID技術了,將RFID的標籤嵌入於物體,便可讓周遭設備得知自己的身份或狀態。

(二)網路層
就網路層而言,IoT中的智慧物件具有聯網能力,能夠將感測資訊傳遞至網際網路,除了分享這些即時且重要的資訊給適當的使用者外,亦能提供使用者遠端互動功能。為達到此目的,通常會將無線通訊的能力嵌入智慧物件中,使其具有聯網能力,常見的無線通訊技術包括紅外線、Zigbee、藍牙、WiFi、3G等,智慧物件透過無線或有線的方式連結至網際網路,使人們可隨時掌握該物體的狀態或對該物體進行遠端操控,這些由智慧物件所收集而得的資訊,透過雲端技術的儲存、處理及分享機制,轉化為人們所需要的加值服務。

(三)應用層
透過上述的「感知」與「聯網」技術,可使人們在任意時間,不論在何處,對任何周遭感興趣的物件,透過任何一種網路存取的形式,來享受與該物件相關的應用服務。諸如實體世界的血壓計及血糖機可自動感應人體的生理機能,並自動將讀數傳送至雲端;實體世界的家電產品可將每小時的電量消耗、冰箱內的食物庫存、冷氣的開關狀態等傳送至雲端,並可由人們透過遠端加以操控其行為;實體世界的車子可將行車記錄器的影像、空氣品質與道路坑洞等資訊傳送至雲端以分享他人等,這些透過感知與物件聯網、雲端科技及語言與語意交換與分析的技術,可將實體世界中眾多的物體聯結成一巨大的IoT,提供諸如智慧生活、綠色建築、智慧車載、智慧物流、智慧學習、智慧醫療與健康照護、智慧節能等多個領域的應用服務。

IoT 的應用
由於人們是生活在實體空間,如家庭、學校、辦公室,而這些實體空間中所擺置的設備,小至遙控器、手機、照明設備、監控設備及家電產品,大至鐵路、橋樑、建築物等,如何使這些實體空間的物體,更易與人們互動,以達到優質生活的目標,便是IoT存在的價值。

IoT中的智慧物件,能對實體空間中的環境變化進行感測,並可供辨識,再透過聯網能力,自動將資訊傳遞到網際網路,以便分享於使用者。而使用者透過網際網路接收到即時的訊息後,可透過遠端操作控制智慧物件的行為,或是事先設定行為模式,使其因應不同的事件而能自動運行,並在IoT中自動與其它智慧物件進行對話、分工或合作。其應用範圍遍及交通、環境保護、政府工作、公共安全、家居安全、消防、工業監測、老人護理、個人健康、綠能產業等多個領域,改善我們的生活品質。

或許大家覺得IoT離我們仍很遙遠,但其實現在已有許多IoT實際應用於我們日常生活中。其中手機便是一個最常見的IoT設備,其內建RFID、GPS、G-Sensors、電子羅盤及光感測器等各種感測與辨識硬體,並付予WiFi、藍牙、3G等無線傳輸能力,而多樣化的軟體與APPs,使手機的智能已接近IoT所要求的智慧物件。如圖二所示,將物物相聯的概念套用在手機上,使手機能裝置各項感測器與安裝相關應用程式,透過網路的資料傳輸,即可進行各項智能服務。例如物流服務、人文藝術服務、智慧學習服務、智慧醫療服務、智慧家居服務、智慧交通服務以及智慧綠能服務等不同層面之應用範圍。
圖二:手機是IoT 中的智慧物件。(作者提供)

透過IoT的概念,當各式各樣的網路資訊迎面而來,不論是政府、企業、或個人,都能藉由IoT系統整合並分析這些資訊,進而做出最好的決策。以下,我們大致將IoT的應用分成四大類:智慧運輸、智慧節能、智慧醫療與智慧生活。其中智慧運輸談論到IoT在交通運輸方面的應用,在日常的生活中加入智慧物件,將使得交通運輸更加安全與便利。智慧節能則針對智慧電網的應用,講述在傳統電網的架構中導入智慧電表等智慧物件,可使得用電及配電管理系統更加安全有效率。智慧醫療則是透過智慧生理監控設備及醫療設備,隨時隨地掌握病患的生理機能狀況,並予以即時協助,讓醫療系統智能化、病人照護措施更加細膩安穩。最後,智慧生活將討論其餘各種存在於日常生活中的智慧物件應用,例如居家環境的智慧化。以下將依序介紹在IoT中,智慧運輸、智慧節能、智慧醫療與智慧生活這四類不同應用層面的實際例子,讀者將可以更輕易地了解IoT對現今生活帶來的衝擊。......【更詳細的內容,請參閱第534期科學月刊】

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