聯網技術/晶片方案成熟　物聯網基礎建設更形完備

一般認為物聯網(IoT)意指連結設備至網路，並藉此遠端監控。此種定義相當狹隘，僅涵蓋部分物聯網內容，不過是將現有機器對機器(M2M)應用換個名稱罷了；而廣義來說，必須從聯網設備到資料生活、預見挑戰與網路環境整備度等各個面向著手，才能真正開啟物聯網時代。

物聯網發展完備後，將可創造出一個智慧且無形的網路結構，可加以感測、控制與設定。具備物聯網功能的產品將運用嵌入式技術，直接或間接與彼此或網路溝通。1990年代，網路開始在企業與消費市場普及，但由於網路互連效能低落，用途相當有限；進入2000年後，網路連線成為多種應用的常態，今日更是許多企業、工業與消費產品藉以存取資訊的管道。不過這些裝置僅是存在於網路當中的設備，仍須透過應用程式與介面，進行人為互動與監控，相較之下，物聯網的真正前景才剛剛開始要實現，將以無形科技在幕後運作，讓設備能夠動態因應人類需求。

圖1　行動裝置、穿戴式電子及聯網汽車等物聯網產品可望在2020年突破五百億部大關。

目前全球共有約五十億部「智慧」聯網設備，預估至2020年規模將增至五百億部(圖1)，你我也可望見證突破一兆部的時刻。這個數字確實龐大，但若要達成這項目標，現今的設備部署架構反而是一大障礙，唯有簡化設備連結與溝通的方式，業界才可能實現五百億部聯網裝置的中長期理想。

垂直系統連結不易　物聯網環境發展受阻

圖2　網路營運中心的概念正逐漸延伸至在智慧家庭，聯網家電將在無形中為消費者提供服務。

早在網際網路這個名稱出現之前，許多製造商就已將設備連結至網路。嵌入式產品自1990年代中期加裝網路伺服器。過去15年間，M2M製造商已逐步將網路連線系統整合至高價值資產追蹤(Asset Tracking)、警報系統、車隊管理等類似產品。雖然有些M2M系統採用業界標準協議，製作起來仍有難度，但隨著終端節點的高效能處理器日益普及，整合M2M系統變得容易許多，且處理器支援高階作業系統及程式語言，讓平台可運用智慧架構。這些系統通常與高端商業服務層相連，並由網路營運中心(NOC)管理(圖2)。

目前消費市場上已出現各種聯網產品，如恆溫器、能源量表、照明控制系統、音樂串流與控制系統、遠端影音串流盒、泳池系統和灌溉系統等，未來的市場發展潛力看俏。多數系統可透過網站相互連結，方便用戶透過一般網路瀏覽器或智慧型手機應用程式加以管理，發揮個人網路營運中心的功能。

雖然物聯網在工業與消費領域發展均令人期待，但由於系統之間毫無連結且屬垂直性質，整體網路建置並未因此簡化。各系統或許能採用一模一樣的協議與作業系統基礎，可是通訊層的設計卻不一致；縱然使用開放應用程式介面(API)，但因為無水平連結，因而未能簡化跨應用整合。

以灑水器控制系統為例，其藉由感測器、網路氣象資料與可編程控制機制，而實現可判斷灑水時機的智慧功能，可是系統卻未連結住家周圍的動態感測裝置，故自動灑水系統可能淋濕小狗或兒童。

由於控制器無法取得來自動態感測裝置的資訊，故得運用其他動態控制垂直整合，將資料傳輸至另一部雲端伺服器；再想辦法讓兩部雲端伺服器相連，並盼望這兩次整合後還能增加少許控制空間。然而，電子系統的運作不該仰賴「盼望」，若使用Perl、Python、PHP或其他程式語言，在伺服器內額外設計一套垂直應用，將可建立連結，依據動態資料延後灑水時間。不過如此構想需要高度專業才能實踐，故無法迅速建置。

因為市場有連結垂直整合的需求，IFTTT.com與zAPIer.com等新式網路服務應運而生，協助用戶以圖像化方式串連個別垂直系統，不過用戶得先註冊加入另一服務項目，確認應用程式介面是否符合特定垂直整合需求。這些網路平台只能提供基本的服務選項，例如「若收到妻子寄來的電子郵件，就自動發送簡訊至手機」，並假設日後不會出現更多的流量控制需求。

在前例中，假如灑水器系統具備延遲控制應用程式介面，即可設定「若感測到動態，就延後灑水」；這種模式包括三項服務、三次登入(且必須在第三項服務下進行管理)、三種不同的智慧型手機應用程式，而且有好幾個故障點(Points of Failure)。如果用戶希望整合上述服務與個人行事曆，確保舉行戶外家族聚會時草皮能保持乾爽，情況將更加複雜。

結合行動/穿戴式電子　物聯網勾勒智慧生活

雖然上述應用很有意思，仍無法加速物聯網普及。毫無疑問，未來自造者社群肯定會打造新的工具，也將有新的垂直應用與載具問世，但物聯網並不只是簡單的垂直一次性文字簡訊或推特(Twitter)發文。那是有趣的示範案例，可是欠缺擴充性與垂直系統整合。物聯網應傳遞訊息，但也需要簡易途徑，方便裝置程式運作，以及回應其他裝置或服務，無需複雜程式環境便可打造高科技應用。

舉例來說，消費者一旦允許蘋果(Apple)與Google追蹤所在位置，預訂的旅館可事先得知該訂戶大約何時抵達，也能透過其身上智慧手表的溫度及濕度感測器，知道長途旅行的訂戶熱得滿身大汗，途中旅館房間仍處於休眠狀態(未開燈、拉上窗簾、維持最佳休眠室溫)，但當消費者一抵達旅館，門房就能藉由物聯網系統知道是該房間訂戶，而車輛也因為偵測到門房人員接近，自行調整座椅。

不僅如此，系統也能掌握消費者喜歡自己拎行李的習慣，故行李員並未上前；當一接近旅館大廳，智慧型手機將自動下載安全房鑰應用程式；走進電梯時，房間已依據智慧手表回傳的感測資料調節合適溫度，燈光明暗、音樂與隱私設定均依照消費者要求而定。快走到房門時，安全房鑰應用程式已打開門鎖；晚上準備就寢時，房間偵測到照明已關，便會依據個人喜好調整室溫。

以上情境裡，這家連鎖飯店每個房間均設有多個感測及致動器(Actuator)，每輛租賃車亦然；而消費者也穿戴著多種感測及啟動裝置，例如以手表震動做為提醒，不必時時透過智慧型手機觸控螢幕，指揮聯網設備採取行動，不過手機的確是與用戶活動息息相關的閘道；未來這會是無數人日常生活的一部分，聯網資料將無所不在。

然而，這樣的物聯網願景不會一夕之間發生，若要達成所需網路規模，唯有創造最小公分母，制定全球通用的簡易訊息傳遞配置，也必須仿照自然，以有機方式發展。目前物聯網技術協議與資料結構仍受限於設計複雜度、安全性和延展性等。聯網裝置將會愈來愈複雜，但使用方式必須愈來愈簡單。類比與數位的界線將變得模糊，縱然世界上每個人對幕後技術毫無所悉，依然能夠主宰個人生活環境。

物聯網下一步　追求垂直與水平應用均衡

今日人們所知的網路(嚴格來說就是HTTP技術)，其實源自於Tim Berners-Lee的利他概念，希望透過開放平台讓全球每個人都能相互連結。過往只有企業專用網路，資訊分享近乎於零，亦即網路時代之前的垂直模式，直到ARPANET奠定一部分基礎與傳輸協議，啟動網路迅速發展，亦衍生出國防數據網(DDN)、國家科學基金會網路(NFSNET)等。後者在公私部門經費贊助下，演變為網際網路建構基石。今日網路內充斥各種垂直應用，全都建基於簡易的連結與資訊傳送平台。

目前製造商有各種垂直應用需求，部分或許利他，但多數背後都有利益考量，否則未來發展也不可能出現；但水平均衡須要利他。未來物聯網將是人類史上最大水平系統架構，垂直應用依然存在，可是最根本的低階連結與資訊傳遞功能，必須普遍存在與隱身於所有應用程式當中。

此外，為達到水平均衡，物聯網也必須更近似有機系統。當細胞複製時，會以DNA形式傳遞基本資訊，細胞結合後則形成自動機制階層，運用神經系統來建構與保護細胞結構，亦即人體內的水平整合形式。每個人身上皆存在無數細胞，韌性極高，不必「重新開機」亦可連續運作逾百年。因此打造基礎資訊與裝置架構時，必須先研究有機系統。

或許有人認為，網際網路具備有機系統特質。但今日網路多數流量均匯聚至少數極巨大的資料管線。最初的網路架構較為「扁平」，較接近點對點(Peer-to-peer)性質。過往頻寬需求相當低，最大流量僅來自訊息傳輸，後來由於豐富的影音與即時資訊迫使大型線路興起。

主從式架構為今日主流，背後大多由內容匯流者與大型線路公司推動。隨著產業進步，未來將逐漸回歸較扁平的架構，大型線路不會消失，繼續支撐高頻寬與即時需求。不過當物聯網聯網裝置數量破兆後，將出現多重資料流動路徑，這個巨大點對點平台的匯流頻寬將遠超過大型線路效能。

次世代物聯網挑戰艱鉅

物聯網的網路若無法規範，就會完全中立與隱形，後代甚至不會知道何謂「網際網路連線」，不過前提是各方必須對物聯網基本單位達成共識。若想為物聯網水平架構打造最低層技術，製造商得著手處理以下最根本的難題：

‧	網路連結
	未來不會有單一獨大的網路連結標準，勢必由多種有線與無線標準並存，再加上各種專屬應用來串連物聯網內各種設備，而難題在於如何讓連結標準彼此構通，使用流通全球的資料單位。
‧	電源管理
	愈來愈多以物聯網連結的設備將以電池供電，或運用能源採集(Energy Harvesting)技術，變得更容易攜帶且能源自給自足；有線設備必須提高能源效能，而難題在於如何以簡易方式，在這些裝置與設備中加入電源管理功能；無線充電將結合連結與充電管理。
‧	資訊安全
	物聯網傳輸大量資料，故資訊安全至關重要，必須內建資安硬體與運用現有連結資安協議，鞏固物聯網安全；另一難題在於如何教育消費者，善用裝置內建的資安功能。
‧	網路複雜度
	製造商希望擴大物聯網規模，涵蓋過往並無連結功能的裝置與設備，尤其是射頻(RF)編程相當複雜時，設計與研發必須簡易，才可能增加聯網裝置數量；此外，還要讓一般消費者在不需任何技術背景的前提下，也能設定與使用裝置。
‧	產業迅速演進
	物聯網不斷變遷演進，每天都新增更多裝置，相關產業也尚在萌芽階段。業界面臨的難題在於其中有太多未知元素，包括裝置、應用和用途等一概未知，故必須在各個發展層面保有彈性。

因應上述挑戰，業界認為介於16～1,500MHz的處理器與微控制器(MCU)必須搭配各種應用，例如無線小型能源採集感測節點的微控制器，或是物聯網基礎架構的高效能多核處理器，同時還需要各種有線及無線連結技術，滿足市場多樣需求。最後則是各種感測器、混合訊號與電源管理技術，供物聯網與節能設計做為使用者介面。

進軍汽車/照明/穿戴式應用　物聯網將改變生活型態

無庸置疑，物聯網將改變你我生活、工作及玩樂方式，無論是廠房自動化、汽車連結、穿戴式人體感測器或家電；物聯網也將觸及生活各個面向，讓使用者能運用周遭網路主宰生活，依據個人環境及來自其他系統的資訊，時時變換與調整。

舉例來說，在物聯網環境下，汽車將能感測其他來車，避免事故發生，讓生活更安全；照明系統將依據窗外光線明暗調整，讓生活更環保；穿戴式裝置能偵測心臟病與中風可能發生，讓生活更健康。只是，邁向2020年的物聯網仍是條漫漫長路，但途中肯定處處驚喜。

因應物聯網發展，晶片商已推出許多解決方案，涵蓋有線與無線連結技術、微控制器(MCU)、感測器、類比訊號鏈與電源管理，同時也提供雲端系統方案，以加速建置物聯網環境。無論是智慧家庭、工業與汽車應用、電池供電的穿戴式電子、能源採集無線感測節點(WSN)，相關業者皆須備妥各項軟硬體工具，方便各種裝置加入物聯網。

(本文作者任職於德州儀器策略行銷部門)