5大核心技術(shù) 助推物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展

 目前尚無(wú)任何一種無(wú)線(xiàn)技術(shù)能夠滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)在有效范圍、成本、帶寬與功耗各方面之所有需求，多數(shù)企業(yè)與機(jī)構(gòu)因而必須規(guī)劃同時(shí)使用多種技術(shù)。

從創(chuàng)新的觀點(diǎn)而言，對(duì)象分為許多種類(lèi)。但部分對(duì)象因無(wú)法鏈接至因特網(wǎng)或不具感測(cè)與互動(dòng)能力，并不符合傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)定義。針對(duì)本次研究，我們將對(duì)象范圍擴(kuò)大為以下四類(lèi)：

1.可辨識(shí)對(duì)象：可辨識(shí)但不具智能的被動(dòng)對(duì)象，如『無(wú)線(xiàn)射頻辨識(shí)系統(tǒng)』(RFID)應(yīng)用產(chǎn)品。此類(lèi)對(duì)象因?qū)佥^原始的應(yīng)用而無(wú)法聯(lián)網(wǎng)，但仍具互動(dòng)功能。

2.溝通/感測(cè)對(duì)象：此類(lèi)對(duì)象內(nèi)含傳感器，能傳送自身或所處環(huán)境之相關(guān)訊息(例如：汽車(chē)輪胎里的無(wú)線(xiàn)壓力傳感器)。

3.可控制感測(cè)對(duì)象：除了感測(cè)與傳送，此類(lèi)對(duì)象還能接收訊息并受操控。能從遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)并監(jiān)控的暖氣系統(tǒng)鍋爐即為一例。

4.智能型自主對(duì)象：為能傳送訊息的復(fù)雜對(duì)象，可并入各種傳感器與精密功能，進(jìn)行高自主作業(yè)，汽車(chē)即為一例。自主型對(duì)象通常較為復(fù)雜，其中可能包含各種簡(jiǎn)單對(duì)象。

上述各種對(duì)象將運(yùn)用于不同領(lǐng)域的科技。一般來(lái)說(shuō)，受限于大小、功耗與成本等因素，較簡(jiǎn)單的對(duì)象，如溝通/感測(cè)對(duì)象與可控制感測(cè)對(duì)象較可能利用專(zhuān)門(mén)技術(shù)。智能較高的對(duì)象，如智能型自主對(duì)象則較可能利用傳統(tǒng)IT技術(shù)，因此類(lèi)對(duì)象通常體積較大且資源較不受限。有意跨足物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的新興趨勢(shì)團(tuán)體，則須留意以下五項(xiàng)技術(shù)：

一、低功耗無(wú)線(xiàn)連網(wǎng)技術(shù)

目前已有許多針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)所開(kāi)發(fā)或開(kāi)發(fā)中的無(wú)線(xiàn)連網(wǎng)技術(shù)。以下三類(lèi)最為關(guān)鍵：

1.個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)：此類(lèi)低功耗網(wǎng)絡(luò)僅能于幾公尺的有效范圍內(nèi)鏈接至傳感器及人體周邊儀器，可應(yīng)用于醫(yī)療照護(hù)或個(gè)人電子等其他用途。實(shí)例包括低功耗藍(lán)牙(Bluetooth LE)，以及支持三種實(shí)體網(wǎng)絡(luò)傳送技術(shù)的802.15.6最新局域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。亦有其他專(zhuān)用術(shù)語(yǔ)用以表達(dá)此概念。

2.長(zhǎng)距離傳感器與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)：此類(lèi)技術(shù)乃針對(duì)長(zhǎng)距離應(yīng)用(從數(shù)十公尺到數(shù)公里遠(yuǎn))所設(shè)計(jì)，但仍保留低功耗特色。有些還能支持多重網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?network topology)，例如星狀拓?fù)?star)、網(wǎng)狀拓?fù)?mesh)以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)?point-to-point)。目前該領(lǐng)域最為人熟悉的技術(shù)為ZigBee，而Dash-7亦逐漸成熟，有潛力成為數(shù)公里有效范圍的低功耗應(yīng)用。市場(chǎng)需要兼具蜂巢式全國(guó)覆蓋范圍及低功耗的技術(shù)，但此一領(lǐng)域尚無(wú)已成氣候的全球性標(biāo)準(zhǔn)。兩項(xiàng)研發(fā)中的技術(shù)較被看好，包括日本的WAUN (Wide Area Universal Network)以及Neul公司的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。業(yè)界還推出帶寬低于1GHz、堪稱(chēng)Wi-Fi變體的802.11h技術(shù)，提供低耗能、長(zhǎng)程與低數(shù)據(jù)率(data rate)功能，然而恐難于2015年前達(dá)成標(biāo)準(zhǔn)化。

3.特殊應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)：現(xiàn)今已有數(shù)種無(wú)線(xiàn)技術(shù)于特殊應(yīng)用領(lǐng)域崛起。其中一部份屬于專(zhuān)屬性質(zhì)(proprietary)，故其吸引力不如已廣為市場(chǎng)接受的其它標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用于醫(yī)療照護(hù)及運(yùn)動(dòng)感測(cè)的ANT+技術(shù)即為一例，其他還有工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的無(wú)線(xiàn)HART(Highway Addressable Remote Transducer Protocol)通訊協(xié)議，以及家用自動(dòng)化的ZWave。

目前尚無(wú)任何一種無(wú)線(xiàn)技術(shù)能夠滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)在有效范圍、成本、帶寬與功耗各方面之所有需求，多數(shù)企業(yè)與機(jī)構(gòu)因而必須規(guī)劃同時(shí)使用多種技術(shù)。

二、優(yōu)化傳感器數(shù)據(jù)管理

學(xué)界多年來(lái)致力于研究小型智能型對(duì)象間傳送數(shù)據(jù)與查詢(xún)，初步成果包括TinyDB，以及近年來(lái)剛起步的SENFIS、AnduIN與Antelope等系統(tǒng)。

Antelope是一種分布式感測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)(sensor database)，靜態(tài)RAM印記僅3.4Kb。分散于各傳感器節(jié)點(diǎn)的低印記數(shù)據(jù)庫(kù)，相關(guān)技術(shù)多半仍停留在學(xué)術(shù)研究階段，因此建議想要追蹤這些技術(shù)的企業(yè)與機(jī)構(gòu)，可利用美國(guó)計(jì)算器協(xié)會(huì)(ACM)數(shù)字圖書(shū)館之類(lèi)的學(xué)術(shù)資源。

三、低功耗嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)

針對(duì)需要超長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間的簡(jiǎn)單對(duì)象，或稱(chēng)『智能微塵』(mote)，目前則已研發(fā)出TinyOS、IRIS、LiteOS、 MansOS以及Contiki等低印記操作系統(tǒng)。早期，這類(lèi)系統(tǒng)及其使用的智能微塵硬件均缺乏處理線(xiàn)程(threading)與保護(hù)內(nèi)存等功能，但這對(duì)多數(shù)開(kāi)發(fā)商而言都是現(xiàn)代操作系統(tǒng)所不可或缺的。不過(guò)，新近版本已加強(qiáng)上述操作系統(tǒng)功能，讓嵌入式系統(tǒng)更接近主流平臺(tái)。

新興趨勢(shì)團(tuán)體應(yīng)監(jiān)控此類(lèi)操作系統(tǒng)，以及其所采用的程序化與除錯(cuò)技術(shù)，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)與傳統(tǒng)IT發(fā)展趨勢(shì)截然不同。

四、物聯(lián)網(wǎng)電源與儲(chǔ)存技術(shù)

可能在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展路徑中扮演重要角色的電力傳輸與儲(chǔ)存技術(shù)包括：

1.新穎的電池外型：像是薄膜印刷電池及可撓式電池，能嵌入衣物或Thinergy、LG等業(yè)者最近展示裝有薄型可撓電纜式電池的產(chǎn)品。小體積電池對(duì)毫米級(jí)(millimeter-scale)系統(tǒng)運(yùn)作也相當(dāng)重要。

2.高電力密度電池：有了可提升鋰電池性能的硅陽(yáng)極(silicon anode)等技術(shù)，可望提升電池性能且變得更小更輕。

3.采電：有些系統(tǒng)能從環(huán)境中「采電」(harvest)，藉此將智能對(duì)象充電。實(shí)例包括以震動(dòng)、熱源、太陽(yáng)能電池、靜電荷(electrostatic charge)或環(huán)境中電磁輻射等機(jī)械運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的電力。雖然采電通常只能產(chǎn)生少量電力，對(duì)簡(jiǎn)單的感測(cè)及通訊對(duì)象來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠。像MicroStrain便推出一款利用采電技術(shù)的應(yīng)變力傳感器(strain gauge sensor)節(jié)點(diǎn)。

4.無(wú)線(xiàn)充電：并非所有具感測(cè)及通訊功能的對(duì)象都能以替換式電池或采電供給所需電力。舉例來(lái)說(shuō)，智能型服飾(smart clothing)要換電池就很麻煩，此外像是植入皮下的醫(yī)療用傳感器等前景看好的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，也不可能更換電池。在無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟(Wireless Power Consortium)及對(duì)手組織A4WP贊助下，目前已有數(shù)款系統(tǒng)開(kāi)始初期量產(chǎn)，其它則仍處于研發(fā)階段。

此外，還有一種電源科技尚未針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用完全開(kāi)發(fā)潛能，那就是超級(jí)電容(supercap)，亦即儲(chǔ)電能力超高的電容。雖然一般認(rèn)為它將成為電池的替代品，現(xiàn)有產(chǎn)品卻有漏電過(guò)多的問(wèn)題。然而，新興趨勢(shì)團(tuán)體仍應(yīng)留意未來(lái)超級(jí)電容的可行性是否會(huì)有所提升。

五、低功耗/低成本的小型處理器

低功耗處理器的設(shè)計(jì)于簡(jiǎn)單運(yùn)算領(lǐng)域已大有斬獲。如美國(guó)密西根大學(xué)(University of Michigan)所研發(fā)代號(hào)『鳳凰』(Phoenix)的芯片，在休眠模式下僅耗電30微微瓦(picowatt)。最低階的8位裝置雖說(shuō)技術(shù)已臻成熟，處理器成本仍將持續(xù)下滑，因此成本已開(kāi)始達(dá)頂。盡管如此，Gartner預(yù)估，到了2016年，8位微處理器成本約為0.5美元。

研究人員已研發(fā)出結(jié)合薄膜電池、采電用太陽(yáng)能電池、處理器及簡(jiǎn)易無(wú)線(xiàn)裝置的小型系統(tǒng)。這類(lèi)系統(tǒng)的體積幾乎可以小到1立方毫米，不過(guò)離工業(yè)量產(chǎn)可能仍需數(shù)年。若可行，這類(lèi)毫米級(jí)運(yùn)算系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)「智能塵」(smart dust)之類(lèi)的概念，也就是可以大量配置的小型感測(cè)節(jié)點(diǎn)。

智能手機(jī)等裝置的大規(guī)模量產(chǎn)降低了高度整合且相對(duì)高階處理器的成本，其中部分處理器已廣泛應(yīng)用于低成本運(yùn)算產(chǎn)品，如僅有信用卡大小、以L(fǎng)inux為操作系統(tǒng)的單板(single-board)裝置Raspberry Pi，售價(jià)約30美元。此類(lèi)裝置可能有助于降低門(mén)坎，針對(duì)體積與耗電不受限制但成本相形重要的應(yīng)用，生產(chǎn)價(jià)格低廉但具自主功能的復(fù)雜對(duì)象。