物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下智慧家庭的自動(dòng)控制方案解析

　　近來(lái)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）潮流興起，以及低成本感測(cè)與控制元件大量出籠，使得智慧家庭的發(fā)展快速升溫，各種家用裝置已開(kāi)始加入聯(lián)網(wǎng)與智慧化功能。此一轉(zhuǎn)變，也讓自動(dòng)化控制應(yīng)用逐漸由過(guò)往較大型的工廠(chǎng)、商辦大樓或公共場(chǎng)所，進(jìn)入一般民眾家中。

　　物聯(lián)網(wǎng)（IoT）概念興起前，自動(dòng)控制（AutomaTIon）已經(jīng)有相當(dāng)長(zhǎng)的發(fā)展歷史，從工廠(chǎng)、辦公大樓、附屬設(shè)施到住家，都是自動(dòng)控制的應(yīng)用范圍。早期相關(guān)元件布建成本、軟硬件整合技術(shù)門(mén)檻較高，自動(dòng)控制多半僅出現(xiàn)在工廠(chǎng)、較大型的商辦大樓或設(shè)施等場(chǎng)所，對(duì)于家庭應(yīng)用一直未能普及。

　　近年來(lái)隨著低成本感測(cè)與控制元件的出現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)擷取技術(shù)的蓬勃發(fā)展，還有各種智能裝置的快速普及，使得IoT概念被提出，不僅智慧家庭普及露出曙光，對(duì)于整個(gè)自動(dòng)控制領(lǐng)域也出現(xiàn)新的契機(jī)。但本該是一脈相承的自動(dòng)控制與IoT領(lǐng)域，有時(shí)觀察起來(lái)卻存在著一種「代溝」，因此本文將從自動(dòng)控制、IoT的應(yīng)用需求，探討相關(guān)技術(shù)、解決方案的發(fā)展趨勢(shì)。

　　自動(dòng)控制逐步向IP網(wǎng)絡(luò)靠攏

　　相信較早進(jìn)入建筑物自動(dòng)控制領(lǐng)域的人應(yīng)該都對(duì)Modbus協(xié)定不陌生，由Modicon公司于1979年提出的Modbus協(xié)定因?yàn)橘Y料格式簡(jiǎn)單易懂，快速地成為早期控制網(wǎng)絡(luò)的共通標(biāo)準(zhǔn)。

　　包含Modbus在內(nèi)的早期控制網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)體層均使用有線(xiàn)序列通訊（Serial）的線(xiàn)路標(biāo)準(zhǔn)布建，較為常見(jiàn)的是RS422與RS485兩種。這類(lèi)序列通訊需要注意的問(wèn)題相當(dāng)多，諸如訊號(hào)本身的位元率（Baud-rate）、奇/偶函數(shù)檢查（Parity）、停止位元（Stop Bit）與訊息間的間隔時(shí)間等，還有線(xiàn)材的材質(zhì)、長(zhǎng)度、絞線(xiàn)規(guī)格、串接方式、干擾隔離與終端電阻等，均可能對(duì)通訊品質(zhì)造成影響。這些因素也使得傳統(tǒng)序列通訊的控制網(wǎng)絡(luò)有較高的布建、維護(hù)成本與實(shí)作技術(shù)門(mén)檻。

　　隨著電腦網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，TCP/IP逐漸成為電腦網(wǎng)絡(luò)上共通的通訊協(xié)定架構(gòu)，一些傳統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)也漸漸發(fā)展為以TCP/IP為基礎(chǔ)的架構(gòu)。因應(yīng)這樣子的趨勢(shì)，Modbus協(xié)定也由以往使用序列通訊的Modbus RTU，進(jìn)化到使用Ethernet搭配TCP/IP通訊協(xié)定架構(gòu)，利用傳輸控制協(xié)議（TCP）傳輸層協(xié)定承載原本序列通訊內(nèi)容的Modbus TCP。

　　拜Ethernet架構(gòu)的簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低廉且在電腦網(wǎng)絡(luò)中被大量應(yīng)用等優(yōu)勢(shì)所賜，與舊有架構(gòu)比起來(lái)，Modbus TCP毋須擔(dān)心復(fù)雜的序列通訊的訊號(hào)、線(xiàn)材規(guī)范，使得布建與維護(hù)的成本、技術(shù)門(mén)檻均降低不少。

　　也因?yàn)槭褂肨CP/IP通訊協(xié)定架構(gòu)，可以使用網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)定進(jìn)行定址（Addressing）、選徑（RouTIng），也使得Modbus TCP有較大范圍的定址空間與支援較大型網(wǎng)域的能力。若搭配網(wǎng)絡(luò)橋接器（Bridge），也可經(jīng)由無(wú)線(xiàn)、電力線(xiàn)、光纖等網(wǎng)絡(luò)型態(tài)傳輸，讓Modbus TCP適用于更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境（圖1）。

　　圖1 傳統(tǒng)的自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)往TCP/IP協(xié)定架構(gòu)靠攏后，能夠與電腦網(wǎng)絡(luò)、其他IoT網(wǎng)絡(luò)整合，創(chuàng)造更多元化的應(yīng)用。

　　另一方面，隨著電子元件大量生產(chǎn)、成本降低，各種更貼近電腦網(wǎng)絡(luò)，并標(biāo)榜成本低廉、容易開(kāi)發(fā)的感測(cè)器、控制器和相關(guān)整合架構(gòu)如雨后春筍般出現(xiàn)。例如各種使用ZigBee、藍(lán)牙低功耗（BLE）的微型感測(cè)器、Arduino、樹(shù)莓派（Raspberry Pi）等，其中也不乏大廠(chǎng)投入。這類(lèi)解決方案都大量使用無(wú)線(xiàn)傳輸、容易相容于電腦網(wǎng)絡(luò)，并打著IoT的旗號(hào)，儼然成為新的兵家必爭(zhēng)之地。

　　物聯(lián)網(wǎng)促成自動(dòng)控制軟/硬件現(xiàn)代化

　　要建構(gòu)一套能用于生活周遭、串連各種裝置的網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)橐L(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定提供服務(wù)，無(wú)法避免需要考量可靠度與能源效率。已在自動(dòng)控制領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的各類(lèi)工業(yè)規(guī)格控制器、感測(cè)器，因架構(gòu)單純且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，在可靠度與能源效率上皆有不錯(cuò)表現(xiàn)。

　　步入IoT時(shí)代后，因有更大量的通訊需求、更多元化的通訊內(nèi)容、模式與功能應(yīng)用，使得可靠度與能源效率又面臨新挑戰(zhàn)。

　　建立標(biāo)準(zhǔn)化、支援體系豐富的架構(gòu)或許是不錯(cuò)的方式，目前可以觀察到一些軟/硬件廠(chǎng)商正積極朝這個(gè)方向布局，例如蘋(píng)果（Apple）推出的HomeKit、Google主導(dǎo)的Thread Group、英特爾（Intel）發(fā)起的OCF IoTIvity與高通（Qualcomm）為首的AllSeen AllJoyn等，這些都是針對(duì)IoT通訊協(xié)定架構(gòu)（Protocol Stack）還有應(yīng)用程式執(zhí)行環(huán)境（ApplicaTIon Runtime）推出的整合服務(wù)架構(gòu)（Framework）解決方案，甚至已經(jīng)有部分開(kāi)始商品化。

　　有整合的服務(wù)架構(gòu)解決方案，最方便的莫過(guò)于軟件開(kāi)發(fā)與商品整合。軟件開(kāi)發(fā)人員可以基于所提供的應(yīng)用程式介面（API）開(kāi)發(fā)應(yīng)用程式，除可少花點(diǎn)心思在整合問(wèn)題外，可靠度與資訊安全等也得以確保。

　　設(shè)備廠(chǎng)商只需要在感測(cè)器、控制器上部屬適當(dāng)?shù)姆?wù)架構(gòu)并滿(mǎn)足相關(guān)的規(guī)范，即可讓產(chǎn)品有不錯(cuò)的相容性。而在商品整合的部分，有相容于某種服務(wù)架構(gòu)的標(biāo)示，對(duì)于相關(guān)人員選擇產(chǎn)品進(jìn)行部署，甚至是消費(fèi)者選購(gòu)，都會(huì)更加方便。

　　除整合服務(wù)架構(gòu)外，更往硬件層面看，就是控制器、感測(cè)器所使用的微型操作系統(tǒng)了。早期的產(chǎn)品多半使用廠(chǎng)商自行開(kāi)發(fā)，或是委由軟件廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)的封閉式微型操作系統(tǒng)。近年來(lái)出現(xiàn)一些基于UNIX-like、POSIX操作系統(tǒng)架構(gòu)開(kāi)發(fā)的開(kāi)放原始碼微型操作系統(tǒng)，例如Mbed、Contiki、FreeRTOS等。

　　這類(lèi)型操作系統(tǒng)功能較為單純，同時(shí)間須執(zhí)行的處理程序也比一般電腦少很多，但須考慮資料處理的即時(shí)性，不能有太大的延遲。因此除核心、軟件模組的檔案大小都很小外，架構(gòu)上也是針對(duì)指令集較為精簡(jiǎn)的控制器芯片設(shè)計(jì)并最佳化，且多采用事件觸發(fā)導(dǎo)向（Event-driven）、即時(shí)操作系統(tǒng)（Real -time OS）等概念設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足需求。

　　就控制芯片的設(shè)計(jì)層面，也出現(xiàn)許多更省電、又有強(qiáng)大運(yùn)算能力的芯片，搭配適當(dāng)操作系統(tǒng)、服務(wù)架構(gòu)與應(yīng)用程式，都是未來(lái)IoT普及所需的重要元素。目前軟、硬件廠(chǎng)商，甚至是開(kāi)源社群，皆投入不少心力在整合解決方案上，合作比單打獨(dú)斗帶來(lái)更大的力量，透過(guò)軟/硬件整合、優(yōu)化，將讓新型態(tài)的IoT感測(cè)、控制元件在可靠度與能源效率上更容易達(dá)到實(shí)用需求。

　　不論是IoT還是自動(dòng)控制，與裝置通訊時(shí)最基本的動(dòng)作都是讀取、寫(xiě)入，讀取感測(cè)器擷取的值、控制器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)或是裝置的設(shè)定值等，當(dāng)有控制需求時(shí)寫(xiě)入開(kāi)關(guān)狀態(tài)、設(shè)定值等。每個(gè)裝置可視為是一個(gè)擁有多個(gè)屬性值的實(shí)體。

　　早期相當(dāng)流行的Modbus使用暫存器（Register）的概念進(jìn)行管理，每個(gè)裝置上有數(shù)個(gè)暫存器，每個(gè)暫存器代表不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、感測(cè)值、設(shè)定值等。讀/寫(xiě)暫存器上的值即代表讀取感測(cè)值或狀態(tài)，或是控制開(kāi)關(guān)的狀態(tài)、寫(xiě)入新設(shè)定值等動(dòng)作。而裝置實(shí)作層面只須將感測(cè)器、開(kāi)關(guān)等狀態(tài)與暫存器進(jìn)行對(duì)應(yīng)。

　　同樣的概念也應(yīng)用在BLE上，BLE提供ATT協(xié)定（Attribute Protocol）與GATT架構(gòu)（Generic Attribute Profile），每個(gè)裝置可以定義數(shù)個(gè)屬性質(zhì)，用讀寫(xiě)屬性質(zhì)的方式達(dá)到存取、控制的目的。

　　在資料庫(kù)與軟件工程領(lǐng)域常使用到ER模型（Entity-Relation Model），這樣的概念也可套用在IoT中，每一個(gè)裝置可視為一個(gè)實(shí)體（Entity），每個(gè)實(shí)體擁有若干屬性（Attribute），而這些實(shí)體與屬性間的互動(dòng)關(guān)系（Relation），就是IoT所實(shí)作的。

　　在IoT的概念中，將有更多數(shù)量、更多種類(lèi)的裝置同在網(wǎng)絡(luò)上，這意味著IoT網(wǎng)絡(luò)比起傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)，需要更大的定址空間與更強(qiáng)的定址甚至是選徑能力，同時(shí)需要支援更多元化的資料型態(tài)（圖2）。

　　圖2 生活中一些常見(jiàn)的IoT應(yīng)用裝置與其屬性范例

　　網(wǎng)絡(luò)匯聚與資源管理

　　在擁有許多裝置的IoT網(wǎng)絡(luò)中，可能會(huì)有多種不同的實(shí)體網(wǎng)絡(luò)介面，例如IEEE 802.11、IEEE 802.15、電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等，如何匯聚這些網(wǎng)絡(luò)將成為重要的課題。

　　在現(xiàn)存的連接層（Link Layer）解決方案中，常使用的解決方式為將不同網(wǎng)絡(luò)橋接（Bridge）起來(lái)，使得不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)可形成連通的網(wǎng)域。但對(duì)于裝置同時(shí)擁有多種網(wǎng)絡(luò)介面、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漭^為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，就需要一些異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)整合方案的協(xié)助。

　　舉例來(lái)說(shuō)，高通Hy-Fi解決方案所實(shí)作的IEEE 1905.1即是一種異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)匯聚的協(xié)定，透過(guò)抽象連接層（Abstract Layer）的幫助，讓上層架構(gòu)更容易實(shí)作，并且達(dá)到更高的網(wǎng)絡(luò)效率。

　　在網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）的部分，使用IP網(wǎng)絡(luò)的好處除前面所述的擁有更大定址空間、具有良好的選徑能力、容易整合外，也可以使用如IPSec、TLS等網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層（Transport Layer）安全機(jī)制。這也是6LoWPAN會(huì)興起的原因之一，6LoWPAN為針對(duì)IEEE 802.15成員設(shè)計(jì)的輕量化網(wǎng)絡(luò)層協(xié)定，標(biāo)頭（Header）較短、且賦予很有彈性的標(biāo)頭定義方式，使得6LoWPAN可以在不浪費(fèi)頻寬資源的情況下具備如IP網(wǎng)絡(luò)的定址、選徑功能，且6LoWPAN標(biāo)頭具有擴(kuò)充與IP網(wǎng)絡(luò)相容的能力，使得與整個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)整合也相當(dāng)容易。

　　在下層都整合到TCP/IP通訊協(xié)定架構(gòu)范圍后，剩下的就是應(yīng)用層（Application Layer）了。基于IoT架構(gòu)，Dominique Guinard等人于2009年提出WoT（Web of Things）概念，許多IoT的通訊都將會(huì)以HTTP、JSON等協(xié)定架構(gòu)下進(jìn)行，并搭配CoAP、MQTT或JSON-RPC作為事件發(fā)生時(shí)的通知訊息推播機(jī)制。

　　目前一些整合服務(wù)架構(gòu)，如HomeKit、IoTivity、AllJoyn等都提供類(lèi)似架構(gòu)，而相關(guān)的控制器操作系統(tǒng)，也提供輕量的HTTP伺服器與瀏覽器滿(mǎn)足這種需求。這個(gè)現(xiàn)象也呼應(yīng)了前面所提用屬性值看待每樣?xùn)|西的概念，在使用HTTP當(dāng)作應(yīng)用層協(xié)定的情況下，每一個(gè)裝置上的每一個(gè)屬性，都可以使用URI（Universal Resource Indicator）進(jìn)行定址、存取，而JSON使用精簡(jiǎn)純文字表達(dá)多種資料型態(tài)的概念，也正好滿(mǎn)足了IoT通訊所需（圖3）。

　　圖3 網(wǎng)絡(luò)匯聚架構(gòu)式意圖，匯聚不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不僅能將各種裝置都納入網(wǎng)域中，也將讓上層應(yīng)用程式、管理機(jī)制等更容易開(kāi)發(fā)。

　　結(jié)合云端改變圖控軟件

　　圖形、視覺(jué)化的監(jiān)看、控制介面對(duì)人類(lèi)是最為直覺(jué)的。傳統(tǒng)的自動(dòng)控制，會(huì)將各個(gè)開(kāi)關(guān)、感測(cè)器接到中控面板集中監(jiān)控，電腦化操作興起后，這樣的工作被電腦圖控軟件取代，使用視覺(jué)化圖形介面讓使用者對(duì)各個(gè)感測(cè)器、開(kāi)關(guān)進(jìn)行監(jiān)控或設(shè)定一些條件動(dòng)作、排程等。

　　但傳統(tǒng)的圖控軟件有較高的采購(gòu)與開(kāi)發(fā)成本，且變化彈性也不高，所以一直以來(lái)圖控軟件皆由少數(shù)軟件廠(chǎng)商掌握，在IoT架構(gòu)中更是鮮少聽(tīng)到有人提傳統(tǒng)的圖控軟件。

　　但圖形化操作介面的需求仍然是存在的，前面提到的WoT概念提供一個(gè)很好的切入點(diǎn)。網(wǎng)頁(yè)，動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)、瀏覽器端網(wǎng)頁(yè)程式、網(wǎng)頁(yè)美工等領(lǐng)域入手較為簡(jiǎn)單且有廣大的開(kāi)發(fā)??者，參考資料、各類(lèi)素材、應(yīng)用程式介面也非常豐富，且網(wǎng)頁(yè)可在大部分人機(jī)互動(dòng)裝置上呈現(xiàn)。

　　WoT架構(gòu)等于是用開(kāi)發(fā)網(wǎng)頁(yè)的概念來(lái)開(kāi)發(fā)IoT使用者介面，可使用送出URI的方式要求讀取某個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)或感測(cè)器、改變開(kāi)關(guān)狀態(tài)。解析裝置端回傳的JSON資料，除能夠取得某個(gè)屬性值外，更可以透過(guò)豐富的視覺(jué)化套件以酷炫的方式呈現(xiàn)。這些特性都足以讓網(wǎng)頁(yè)介面取代傳統(tǒng)的圖控軟件。

　　另外一大好處就是可以輕松整合云端介面（API），目前許多云端服務(wù)也都是以HTTP、JSON等共通性很高的機(jī)制當(dāng)作傳輸協(xié)定與資料格式。結(jié)合云端服務(wù)的好處除可用更多種裝置，或是在遠(yuǎn)端存取IoT網(wǎng)絡(luò)上的裝置外，還可以透過(guò)云端提供如能源管理、健康照護(hù)、安全監(jiān)控、物業(yè)管理等等服務(wù)，讓IoT的應(yīng)用更加廣泛（圖4）。

　　圖4 IoT設(shè)備端擁有與電腦網(wǎng)絡(luò)相同的通訊協(xié)定架構(gòu)，并搭配具IoT概念的網(wǎng)關(guān)，將有助于整合區(qū)域網(wǎng)絡(luò)端各種設(shè)備，并介接云端服務(wù)。

　　本文從通訊需求為出發(fā)點(diǎn)，從自動(dòng)控制到IoT、從獨(dú)立控制網(wǎng)絡(luò)到整合區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，探討IoT的發(fā)展脈絡(luò)。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，具有IoT的裝置會(huì)更加普及，連網(wǎng)技術(shù)與網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)接取方式也將趨于多元化，云端服務(wù)市場(chǎng)也會(huì)趨于成熟。

　　如此的整體架構(gòu)下，網(wǎng)關(guān)（Gateway）的角色也比以前更加重要，以往網(wǎng)關(guān)主要提供區(qū)域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電腦或裝置存取網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)，有IoT后，網(wǎng)關(guān)將扮演起整合不同裝置、不同類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)，并提供整合管理、云端網(wǎng)際服務(wù)接取等服務(wù)的角色。

　　從最早的自動(dòng)控制，到現(xiàn)在的IoT，本質(zhì)上有許多地方相似，都是以屬性值看待每個(gè)裝置，并且對(duì)于這些裝置、屬性加以定址、管理。因此，在早期??的自動(dòng)控制與現(xiàn)在的IoT之間，「代溝」其實(shí)并不存在，某些程度上來(lái)說(shuō)IoT甚至是自動(dòng)控制的舊瓶新裝，當(dāng)然其中又添加一些新概念。

　　各類(lèi)工具與技術(shù)發(fā)展的出發(fā)點(diǎn)無(wú)非是希望對(duì)于使用者可以更方便使用，對(duì)于開(kāi)發(fā)者、營(yíng)運(yùn)者能夠方便開(kāi)發(fā)、維護(hù)?，F(xiàn)存的IoT解決方案大致上包裝到應(yīng)用層底部，開(kāi)發(fā)者可輕松基于這些解決方案開(kāi)發(fā)應(yīng)用程式，使用者也可因此享受更方便的功能。