5大核心技術(shù) 助推物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展
目前尚無任何一種無線技術(shù)能夠滿足物聯(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)與機構(gòu)因而必須規(guī)劃同時使用多種技術(shù)。
從創(chuàng)新的觀點而言,對象分為許多種類。但部分對象因無法鏈接至因特網(wǎng)或不具感測與互動能力,并不符合傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)定義。針對本次研究,我們將對象范圍擴大為以下四類:
1.可辨識對象:可辨識但不具智能的被動對象,如『無線射頻辨識系統(tǒng)』(RFID)應(yīng)用產(chǎn)品。此類對象因?qū)佥^原始的應(yīng)用而無法聯(lián)網(wǎng),但仍具互動功能。
2.溝通/感測對象:此類對象內(nèi)含傳感器,能傳送自身或所處環(huán)境之相關(guān)訊息(例如:汽車輪胎里的無線壓力傳感器)。
3.可控制感測對象:除了感測與傳送,此類對象還能接收訊息并受操控。能從遠(yuǎn)程開關(guān)并監(jiān)控的暖氣系統(tǒng)鍋爐即為一例。
4.智能型自主對象:為能傳送訊息的復(fù)雜對象,可并入各種傳感器與精密功能,進(jìn)行高自主作業(yè),汽車即為一例。自主型對象通常較為復(fù)雜,其中可能包含各種簡單對象。
上述各種對象將運用于不同領(lǐng)域的科技。一般來說,受限于大小、功耗與成本等因素,較簡單的對象,如溝通/感測對象與可控制感測對象較可能利用專門技術(shù)。智能較高的對象,如智能型自主對象則較可能利用傳統(tǒng)IT技術(shù),因此類對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)域的新興趨勢團(tuán)體,則須留意以下五項技術(shù):
一、低功耗無線連網(wǎng)技術(shù)
目前已有許多針對物聯(lián)網(wǎng)所開發(fā)或開發(fā)中的無線連網(wǎng)技術(shù)。以下三類最為關(guān)鍵:
1.個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò):此類低功耗網(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)或個人電子等其他用途。實例包括低功耗藍(lán)牙(Bluetooth LE),以及支持三種實體網(wǎng)絡(luò)傳送技術(shù)的802.15.6最新局域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。亦有其他專用術(shù)語用以表達(dá)此概念。
2.長距離傳感器與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò):此類技術(shù)乃針對長距離應(yīng)用(從數(shù)十公尺到數(shù)公里遠(yuǎn))所設(shè)計,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)以及點對點拓?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。市場需要兼具蜂巢式全國覆蓋范圍及低功耗的技術(shù),但此一領(lǐng)域尚無已成氣候的全球性標(biāo)準(zhǔn)。兩項研發(fā)中的技術(shù)較被看好,包括日本的WAUN (Wide Area Universal Network)以及Neul公司的無線網(wǎng)絡(luò)。業(yè)界還推出帶寬低于1GHz、堪稱Wi-Fi變體的802.11h技術(shù),提供低耗能、長程與低數(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)種無線技術(shù)于特殊應(yīng)用領(lǐng)域崛起。其中一部份屬于專屬性質(zhì)(proprietary),故其吸引力不如已廣為市場接受的其它標(biāo)準(zhǔn),運用于醫(yī)療照護(hù)及運動感測的ANT+技術(shù)即為一例,其他還有工業(yè)自動化領(lǐng)域的無線HART(Highway Addressable Remote Transducer Protocol)通訊協(xié)議,以及家用自動化的ZWave。
目前尚無任何一種無線技術(shù)能夠滿足物聯(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)與機構(gòu)因而必須規(guī)劃同時使用多種技術(shù)。
二、優(yōu)化傳感器數(shù)據(jù)管理
學(xué)界多年來致力于研究小型智能型對象間傳送數(shù)據(jù)與查詢,初步成果包括TinyDB,以及近年來剛起步的SENFIS、AnduIN與Antelope等系統(tǒng)。
Antelope是一種分布式感測數(shù)據(jù)庫(sensor database),靜態(tài)RAM印記僅3.4Kb。分散于各傳感器節(jié)點的低印記數(shù)據(jù)庫,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)與機構(gòu),可利用美國計算器協(xié)會(ACM)數(shù)字圖書館之類的學(xué)術(shù)資源。
三、低功耗嵌入式操作系統(tǒng)平臺
針對需要超長待機時間的簡單對象,或稱『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,這類系統(tǒng)及其使用的智能微塵硬件均缺乏處理線程(threading)與保護(hù)內(nèi)存等功能,但這對多數(shù)開發(fā)商而言都是現(xiàn)代操作系統(tǒng)所不可或缺的。不過,新近版本已加強上述操作系統(tǒng)功能,讓嵌入式系統(tǒng)更接近主流平臺。
新興趨勢團(tuán)體應(yīng)監(jiān)控此類操作系統(tǒng),以及其所采用的程序化與除錯技術(shù),因為它們可能會與傳統(tǒng)IT發(fā)展趨勢截然不同。
四、物聯(lián)網(wǎng)電源與儲存技術(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。小體積電池對毫米級(millimeter-scale)系統(tǒng)運作也相當(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),藉此將智能對象充電。實例包括以震動、熱源、太陽能電池、靜電荷(electrostatic charge)或環(huán)境中電磁輻射等機械運動所產(chǎn)生的電力。雖然采電通常只能產(chǎn)生少量電力,對簡單的感測及通訊對象來說已經(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。
4.無線充電:并非所有具感測及通訊功能的對象都能以替換式電池或采電供給所需電力。舉例來說,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。在無線充電聯(lián)盟(Wireless Power Consortium)及對手組織A4WP贊助下,目前已有數(shù)款系統(tǒng)開始初期量產(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物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用完全開發(fā)潛能,那就是超級電容(supercap),亦即儲電能力超高的電容。雖然一般認(rèn)為它將成為電池的替代品,現(xiàn)有產(chǎn)品卻有漏電過多的問題。然而,新興趨勢團(tuán)體仍應(yīng)留意未來超級電容的可行性是否會有所提升。
五、低功耗/低成本的小型處理器
低功耗處理器的設(shè)計于簡單運算領(lǐng)域已大有斬獲。如美國密西根大學(xué)(University of Michigan)所研發(fā)代號『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、采電用太陽能電池、處理器及簡易無線裝置的小型系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的體積幾乎可以小到1立方毫米,不過離工業(yè)量產(chǎn)可能仍需數(shù)年。若可行,這類毫米級運算系統(tǒng)將實現(xiàn)「智能塵」(smart dust)之類的概念,也就是可以大量配置的小型感測節(jié)點。
智能手機等裝置的大規(guī)模量產(chǎn)降低了高度整合且相對高階處理器的成本,其中部分處理器已廣泛應(yīng)用于低成本運算產(chǎn)品,如僅有信用卡大小、以Linux為操作系統(tǒng)的單板(single-board)裝置Raspberry Pi,售價約30美元。此類裝置可能有助于降低門坎,針對體積與耗電不受限制但成本相形重要的應(yīng)用,生產(chǎn)價格低廉但具自主功能的復(fù)雜對象。