軟硬體平台/無線協定百家爭鳴　物聯網技術造就智慧家庭

追求舒適安全的住宅環境是住戶持之以恆的目標。隨著科技進步，智慧家庭有效提升居住體驗並且保障居住安全。智慧家庭又稱家庭自動化、建築自動化，英文中也有Smart Home或者Domotics之稱呼。指的是家庭環境中的各類智慧設施，能迎合每一位住戶的生活習慣，並提高住戶的生活品質。現在更有設備製造業者結合各種裝置創造特別情境，如住戶使用手機App平台加入音響、電動窗簾、咖啡機等裝置並設定早晨情境，時間一到，裝置就會自動切換成此情境，這時住戶家中的音響就會開始出現早安曲，電動窗簾接著拉開，咖啡機準備好一杯熱騰騰的咖啡，為住戶提供便捷、舒適與安全的居住環境[1]。

智慧家庭主要有三個優點，包含減少對環境的影響、改善生活品質及節省相關能源與費用。也就是說，當住戶家庭設備連上網際網路後，家庭設備瞬間變成智慧網路中的重要成分。一個典型的智慧家庭平台，透過中心化的有線或無線Hub或是閘道器(Gateway)進行連接。使用壁掛式終端、智慧型手機、個人電腦或者是網頁介面來當作控制系統的使用者介面，住戶也可能透過網路達成遠端(Off-site)操作。

目前大致上可將智慧家庭設備分成以下幾個領域，包含燈光及空調、智慧能源、智慧廚房、軟體平台、遠端醫療、穿戴式/行動裝置、元件、AI與自然語言、機器人、音響影音、安全系統。而每個領域都需要互相連結，時時刻刻彼此溝通，結合彼此之間不同功能，為住戶創造更多價值。在人口高齡化的背景下，智慧家庭的重要性也日漸突顯。因為高齡住戶可能存在行動不便或思維遲緩的問題，所以需要智慧家庭的自動化控制功能幫助改善生活環境，無需人工干預即可將室內環境調節至最適合老年人居住的狀態。

目前的智慧家庭裝置尚未出現完全互通的平台，這所謂「沒有互通」的平台模式，也讓許多產品與服務無法互相交流並創造無縫體驗。

智慧家庭物聯網技術

智慧家庭中的每個裝置都需要收集資訊、收發資料與控制訊息，協助智慧型平台自動化回應。智慧家庭物聯網技術可分為幾個面向討論，包含硬體平台、無線傳輸技術、通訊協定與軟體平台四大部分。智慧家庭的一個虛擬情境中，住戶設定電動窗簾、咖啡機與音響。智慧家庭會針對住戶的設備與智慧功能，打開電動窗簾、播放爵士音樂，同時可在窗前喝杯咖啡，所以硬體平台就是電動窗簾、咖啡機與音響。

而無線傳輸技術就是用在電動窗簾、咖啡機與音響之間的傳輸機制；通訊協定即是傳輸的方法，彼此間的溝通語言；收集電動窗簾與咖啡機狀態就是資料收集；而啟動電動窗簾與咖啡機則是收發控制訊息；最後軟體平台則是硬體平台內的軟體模組，主要支援通訊協定模組與擴充未來支援功能，包含AI模組。圖1則說明四個領域與智慧家庭物聯網技術。

硬體平台

硬體平台主要協助智慧家庭裝置的資料收集與收發控制訊息。智慧家庭需要家中感測器抓取環境資料或住戶指令並根據程式中的策略自動控制其他物件，以使生活環境達到舒適狀態。因此物聯網為智慧家庭不可或缺的技術實現方案。大多物件並不具有聯網功能，因此需要為物件植入硬體設備，常見的物聯網硬體平台如下:

．Arduino

Arduino[2]是一家開源硬體與開源軟體組織，其開源硬體包括名為Arduino Uno的系列單板微控制器及Arduino IDE的編程、燒入與調試軟體。智慧家庭硬體平台開發者既可獲得Arduino開發板的電路圖，也可獲得Arduino IDE原始碼。

Arduino Uno基於簡單的微控制器，如ATmega328，提供基本的連接埠和USB轉接器模組。智慧家庭硬體平台開發者只需一條USB線就可以連接電腦和Arduino Board，完成智慧家庭功能編程和調試。Arduino Uno系列單板微控制器內建數位與類比I/O接腳，開發者可以將需要控制的設備或感測器的輸出埠連入這些I/O接腳。運行在Arduino的程式碼將會透過這些接腳與其他設備進行通訊、收集感測器資料或控制外部設備。基於Arduino現有基礎，可開發小巧又可以符合大數據運算的智慧家庭設備，如智慧咖啡機或電動窗簾等。

．Raspberry Pi

Raspberry Pi[11]也是源自開源程式的硬體專案平台，主要由Raspberry Pi基金會維護與管理，該平台包括一組具備簡單I/O功能的電路板以及Linux系列軟體。Raspberry Pi智慧家庭硬體平台與其他單板微控制器硬體平台最大差別，在於可運行Linux及絕大多數Linux平台的軟體，可使用包括C/C++、Java、Python、JavaScript等絕大多數編程軟體，使工程師容易上手。

．STM32

STM32[11]，若從字面上理解，ST是意法半導體，M是Microelectronics的縮寫，32表示32位元，意即ST公司開發的32位元微控制器。智慧家庭硬體平台若採用STM32，效能相對較高並內建更多設備，如定時器、數位與類比訊號轉換器等，無需接入其他硬體即可實現大量功能，可有效整合智慧家庭物聯網設備，以縮小體積。

無線網路技術

智慧家庭裝置使用有線/無線技術建立穩定網路連線，透過通訊協定即時收發資料與控制訊息交換，目前常用於智慧家庭的有線/無線網路通訊技術如下:

．Ethernet

Ethernet[5]是一種電腦區域網路技術。因為有線網路傳輸技術屬於較穩定與可靠的傳輸技術，所以智慧家庭的後端網路都會採用此技術，也就是在物聯網路由器與網際網路伺服器平台之間傳輸。如果是應用情境需要高頻寬與高流量的情況下，通常也會考慮使用有線傳輸技術。此方法缺點則是網路建置彈性不夠好，如果使用環境經常修正，則會導致有線網路重新建置，浪費時間與相關成本。另外，Ethernet為有線網路傳輸技術，因此安全性高，不容易被攔截訊息。

．Wi-Fi

Wi-Fi[6](Wireless Fidelity, 無線保真技術)是IEEE 802.11[7]的簡稱，是一種在幾百公尺範圍內可讓物聯網接收者收到無線電訊號，是目前智慧家庭設備間普遍採用的無線傳輸技術。因為智慧家庭設備成本低廉、無線訊號傳輸穩定性高、可傳送資料傳輸量大，同時也支援多種智慧家庭所需要的設備資料與串流資料。Wi-Fi的首版於1997年問世，是一種無線網路技術，讓智慧家庭伺服器、行動裝置及智慧家庭物聯網設備能直接連線到網際網路。

此技術還能讓上述多種智慧家庭設備快速組成安全區域網路並交換資訊。就無線傳輸技術方面而言，IEEE 802.11標準定義通訊協定，讓無線路由器、無線存取點這類目前已啟用Wi-Fi的智慧家庭裝置能夠無線通訊。無線存取點支援不同IEEE標準，每項IEEE標準都會隨著時間進行修訂與批准。這些標準可配合智慧家庭各種不同情境，以不同頻率運作提供不同頻寬並支援不同數量的頻道，可配合智慧家庭內各種智慧裝置資料傳輸，包含資料、控制訊息、高頻寬的聲音與影像串流。

．5G MEC

行動邊緣運算(Multi-access Edge Computing, MEC)[8]是一個兼具運算資源與無線網路傳輸整合的平台，智慧家庭設備透過雲端運算平台，整合5G行動網路與其他邊緣運算技術，將運算能力擴展到邊緣，在智慧家庭環境內實現低延遲、高可靠性、高傳輸速率的服務，同時達成智慧家庭設備的身分驗證、移動性和漫遊等功能。

除非是智慧裝置數量過多與傳輸品質要求高，非採用5G傳輸技術不可的情況下，否則採用此方案目前較不合理。因為此方法會使用5G行動網路營運商的無線頻譜，必須付出較高費用，包含使用頻譜費用與電信設備費用。相對之下，此方法傳輸品質與內容也得到品質保證。

．Zigbee

Zigbee[9]是IEEE 802.5.4協定的簡稱，源自於蜜蜂的八字舞，蜜蜂(Bee)是透過飛翔和「嗡嗡」(Zig)抖動翅膀的「舞蹈」來與同伴傳遞花粉所在訊息，而Zigbee協定的方式特點與其類似便命名為Zigbee。因為Zigbee主要用於自動控制和遠程控制領域，所以適合嵌入各種智慧家庭設備，而其Zigbee無線傳輸技術的特點是傳播距離近、低功耗、低成本、低數據速率、可自組網、協定簡單，所以更適合用在智慧裝置間資料傳輸。不過，由於此特性限制，此傳輸技術相對較不適合用在智慧家庭相關串流設備。

．4G NB-IoT

4G窄頻物聯網(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)[10][11]為低功耗廣域網路(LPWAN)技術種類之一，該技術最早是華為於2014年提出的NB M2M技術，之後與高通、愛立信等公司所提出的方案結合後，逐步演變成NB-IoT。2016年6月，3GPP通過NB-IoT核心協定標準。而NB-IoT技術的優勢包含可大量連接物聯網裝置、覆蓋範圍廣泛、低功耗，可延長電池使用壽命、低成本，所以適合嵌入各種智慧家庭設備。如同採用5G傳輸技術情境，使用此傳輸技術需要較高費用，包含傳輸頻譜使用費與較高設備採購成本。由於特性限制，此傳輸技術相對較不適合用於智慧家庭相關串流設備。

．紅外線

紅外線[12](Infrared, IR)又稱紅外光，為非可見光的一種，波長介於微波與可見光之間的電磁波，由於其波長位於可見光之間，因此只能以直線路徑通訊，無法穿透不透明之物體。IR在智慧家庭內主要應用在需要直接控制的智慧設備，如電視機、冷氣遙控器等需要短距離無線通訊之領域，而這些控制傳輸技術可被其他無線傳輸方式取代，如透過Wi-Fi傳輸技術在伺服器可直接控制。

軟體平台

隨著智慧家庭設備數量與服務增多，如智慧家庭設備異常APP通知服務與大數據預測服務。此時有大量設備運行，因此需要伺服器叢集提供運算服務。傳統運算服務通常需要自建IDC(Internet Data Center)機房，其前期投入成本較高，隨著科技發展，產生以下三類公有雲運算服務:

．IaaS

基礎設施即服務(Infrastructure as a Service, IaaS)，指的是廠商為消費者提供各類基礎運算所需的設施，包括最底層的伺服器、儲存資料所需的硬碟、處理資料所需的晶片、通訊所需的網際網路線路等。在一般物聯網產業中，物聯網供應商通常需要建設獨立機房、伺服器等基礎設施，為保障其7×24無故障運行，通常還需引入UPS(Uninterruptible Power System)[5]預防停電發生。

為保障設備不會因為長時間的高溫運行而損耗使用壽命，通常需要冷氣，冷氣本身又會產生巨大能源消耗。為維護這些設施的正常運行，還需額外僱用維護人員24小時巡檢機房，無論是物力還是人力都將花費較多金錢。因此將智慧家庭所需的運算資源基礎設施交給IaaS服務商維護管理將能降低成本。在智慧家庭服務中，最好的方式是使用IaaS服務建立伺服器，為智慧家庭手機APP提供後端服務，協助住戶在手機上控制智慧家庭中的IoT設備。

．PaaS

平台即服務(Platform as a Service, PaaS)是一種由廠商提供的雲端運算服務，這些服務包含作業系統如Linux，以及程式語言的運行環境。用戶可在這些環境上部署自行開發完成的物聯網程式，無需花費精力處理作業系統的安裝與更新等維護作業。此外，PaaS無需用戶維護軟體運行環境，因此可節省智慧家庭服務工程師維護成本。

．SaaS

軟體即服務(Software as a Service, SaaS)是一種軟體交付模式。軟體開發通常將自己研發完成的軟體部署至網際網路，客戶可透過網路使用這些軟體。無需經歷傳統的從軟體採購到售後人員現場安裝與部署的流程，方便軟體應用的交付以及用戶使用。SaaS服務也允許按量、按時或按次收費，使用率較低的用戶，付出少量的金錢即可體驗軟體服務。不同廠商研發之設備可直接透過整合IoT平台提供的SaaS平台接入，便可在同個APP下控制多個廠商提供的設備。

如小米公司[13]的米家APP，允許智慧家庭的住戶使用手機統一控制家中的各類電器、查看設備工作狀態與監視器即時影像。用戶購買該公司研發的物聯網設備後，透過米家APP即可將設備綁定至自己的小米帳戶[9]中，此後登錄該帳戶手機即可控制與查看智慧家庭中的設備(如圖2)。

智慧家庭系統整合商還會提供API(Application Programming Interface)[14]給軟體開發者使用，軟體開發者可將自己開發的軟體接入廠商軟體，擴充額外功能。如米家APP允許小米研發設備接入APP進行統一管理，然而實際生活中，有大量非小米公司研發的物聯網設備也需在智慧家庭中統一進行管理和查看。小米IoT開發者平台則提供API，允許IoT設備透過API與米家APP通訊(圖3)，使用戶可以透過米家APP、小愛音箱、小愛語音助手等方式查看其他廠商的IoT設備。

根據小米IoT開發者平台的說明，其目前已連接智慧設備超過2.9億台、用戶數超過560萬人、連接的產品服務全球6千萬家庭、平台已接入產品超過2千款，可見其IoT產業發展情況良好，已有一定的用戶規模。

智慧家庭設備間通訊協定

．HTTP

超文本傳輸協定(HyperText Transfer Protocol, HTTP)[17]是一種用來傳輸超媒體文件，如HTML文件的應用層協定，用於智慧家庭設備與伺服器間的溝通，但也可做其他用途。HTTP遵循標準客戶端伺服器模式，由智慧家庭設備連線以發送請求，然後等待接收回應。HTTP是一種無狀態協定，意指智慧家庭伺服器不會保存任兩個請求間的任何資料。

儘管作為TCP/IP的應用層，HTTP亦可應用於其他傳輸層，如UDP，只要不會遺失訊息即可。所以智慧家庭可使用此通訊協定來做智慧家庭設備原始資料收集，也可做智慧家庭設備控制，如室內溫度定時的收集與智慧咖啡機的咖啡製作啟動。同時HTTP通訊協定執行在第七層，此通訊協定可輕易穿透NAT與任何防火牆機制，因為HTTP可統一傳輸格式，智慧家庭設備讓住戶建置屬於自己客製化的智慧平台。

．MQTT

消息隊列遙測傳輸(Message Queuing Telemetry Transport, MQTT)[18]是基於ISO標準(ISO/IEC PRF 20922)下發布/訂閱型的訊息協定。是為硬體性能低下的遠程設備與網路狀況不佳情況下而設計的發布/訂閱型訊息協定，此通訊協定需要協助訂閱者與發布者相關資訊，因為智慧家庭情境應用場景在IoT的應用，需要考慮長時間待命下，短時間內完成資料傳送過程，也就是說一旦智慧家庭服務訂閱智慧家庭設備資料，該設備需要在固定時間內傳送資料給智慧家庭服務伺服器，此方法與HTTP最大的不同是不需要發送需求封包，智慧家庭設備就會固定時間持續發出資料給伺服器。此方法適合用於智慧家庭設備原始資料收集，不適合用在智慧家庭設備控制訊息傳送。

．Modbus

Modbus[19]是一種需求/回應通訊協定，採用主從架構實作而成。此通訊協定主要用在智慧家庭設備資料收集，其主從架構的通訊作業會成雙成對出現，必須有個智慧家庭裝置啟動需求並等候回應，也就是說，這個啟動需求的智慧家庭裝置會負責啟動每一次互動。

一般而言，主要裝置會是人機介面(HMI)或監控與資料擷取(SCADA)系統，附屬裝置則是智慧家庭設備感測器、智慧家庭設備程式化邏輯控制器(PLC)或智慧家庭設備程式化自動控制器(PAC)。這些需求和回應的內容、傳送訊息所經過的網路層，都是由此協定的不同層級所定義的。而也就是因為這是需求與回應的通訊協定，來回需要時間，同一條實體線路內要得到同一個硬體設備資料需要一定的時間區間，如多個室內溫度與多個室內濕度在同一條實體線路上，伺服器所得到的溫度值會有一定的時間間隔。

建立互通平台以實現整合

當前的智慧家庭裝置尚未出現一個完全互通的平台，未來若有產業公認物聯網通訊標準，各家廠商可依循標準研發並生產設備，便可共同接入物聯網中，實現各類智慧家庭設備互聯、共同協作，為智慧家庭帶來更加豐富的功能，提升居住體驗。

(本文由台灣資通產業標準協會提供，作者為台科大電子工程系助理教授)