文．Jim Chase

　　萬物聯(lián)網的遠景雖令人期待，但實現(xiàn)的過程將挑戰(zhàn)重重，尤其各種垂直系統(tǒng)因通訊層設計不一，故難以水平連結。目前產業(yè)界已積極著手制定物聯(lián)網相關技術協(xié)議及開發(fā)相對應的芯片方案，進而加速整體環(huán)境的成形。

　　一般認為物聯(lián)網(IoT)意指鏈接設備至網絡，并藉此遠程監(jiān)控。此種定義相當狹隘，僅涵蓋部分物聯(lián)網內容，不過是將現(xiàn)有機器對機器(M2M)應用換個名稱罷了；而廣義來說，必須從聯(lián)網設備到數(shù)據(jù)生活、預見挑戰(zhàn)與網絡環(huán)境整備度等各個面向著手，才能真正開啟物聯(lián)網時代。

　　物聯(lián)網發(fā)展完備后，將可創(chuàng)造出一個智能且無形的網絡結構，可加以感測、控制與設定。具備物聯(lián)網功能的產品將運用嵌入式技術，直接或間接與彼此或網絡溝通。1990年代，網絡開始在企業(yè)與消費市場普及，但由于網絡互連效能低落，用途相當有限；進入2000年后，網絡聯(lián)機成為多種應用的常態(tài)，今日更是許多企業(yè)、工業(yè)與消費產品藉以存取信息的管道。不過這些裝置僅是存在于網絡當中的設備，仍須透過應用程序與接口，進行人為互動與監(jiān)控，相較之下，物聯(lián)網的真正前景才剛剛開始要實現(xiàn)，將以無形科技在幕后運作，讓設備能夠動態(tài)因應人類需求。

圖1　移動裝置、穿戴式電子及聯(lián)網汽車等物聯(lián)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(lián)網設備，預估至2020年規(guī)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(shù)字確實龐大，但若要達成這項目標，現(xiàn)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(yè)界才可能實現(xiàn)五百億部聯(lián)網裝置的中長期理想。

　　垂直系統(tǒng)鏈接不易　物聯(lián)網環(huán)境發(fā)展受阻

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

　　早在因特網這個名稱出現(xiàn)之前，許多制造商就已將設備鏈接至網絡。嵌入式產品自1990年代中期加裝網絡服務器。過去15年間，M2M制造商已逐步將網絡聯(lián)機系統(tǒng)整合至高價值資產追蹤(Asset Tracking)、警報系統(tǒng)、車隊管理等類似產品。雖然有些M2M系統(tǒng)采用業(yè)界標準協(xié)議，制作起來仍有難度，但隨著終端節(jié)點的高效能處理器日益普及，整合M2M系統(tǒng)變得容易許多，且處理器支持高階操作系統(tǒng)及程序語言，讓平臺可運用智慧架構。這些系統(tǒng)通常與高端商業(yè)服務層相連，并由網絡營運中心(NOC)管理(圖2)。

　　目前消費市場上已出現(xiàn)各種聯(lián)網產品，如恒溫器、能源量表、照明控制系統(tǒng)、音樂串流與控制系統(tǒng)、遠程影音串流盒、泳池系統(tǒng)和灌溉系統(tǒng)等，未來的市場發(fā)展?jié)摿辞?。多?shù)系統(tǒng)可透過網站相互鏈接，方便用戶透過一般網絡瀏覽器或智能型手機應用程序加以管理，發(fā)揮個人網絡營運中心的功能。

　　雖然物聯(lián)網在工業(yè)與消費領域發(fā)展均令人期待，但由于系統(tǒng)之間毫無鏈接且屬垂直性質，整體網絡建置并未因此簡化。各系統(tǒng)或許能采用一模一樣的協(xié)議與操作系統(tǒng)基礎，可是通訊層的設計卻不一致；縱然使用開放應用程序編程接口(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(tǒng)為例，其藉由傳感器、網絡氣象數(shù)據(jù)與可編程控制機制，而實現(xiàn)可判斷灑水時機的智能功能，可是系統(tǒng)卻未鏈接住家周圍的動態(tài)感測裝置，故自動灑水系統(tǒng)可能淋濕小狗或兒童。

　　由于控制器無法取得來自動態(tài)感測裝置的信息，故得運用其他動態(tài)控制垂直整合，將數(shù)據(jù)傳輸至另一部云端服務器；再想辦法讓兩部云端服務器相連，并盼望這兩次整合后還能增加少許控制空間。然而，電子系統(tǒng)的運作不該仰賴“盼望”，若使用Perl、Python、PHP或其他程序語言，在服務器內額外設計一套垂直應用，將可建立鏈接，依據(jù)動態(tài)數(shù)據(jù)延后灑水時間。不過如此構想需要高度專業(yè)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等新式網絡服務應運而生，協(xié)助用戶以圖像化方式串連個別垂直系統(tǒng)，不過用戶得先注冊加入另一服務項目，確認應用程序編程接口是否符合特定垂直整合需求。這些網絡平臺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(fā)送簡訊至手機”，并假設日后不會出現(xiàn)更多的流量控制需求。

　　在前例中，假如灑水器系統(tǒng)具備延遲控制應用程序編程接口，即可設定“若感測到動態(tài)，就延后灑水”；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)、三種不同的智能型手機應用程序，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歷，確保舉行戶外家族聚會時草皮能保持干爽，情況將更加復雜。

　　結合移動/穿戴式電子　物聯(lián)網勾勒智慧生活

　　雖然上述應用很有意思，仍無法加速物聯(lián)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(lián)網并不只是簡單的垂直一次性文字簡訊或推特(Twitter)發(fā)文。那是有趣的示范案例，可是欠缺擴充性與垂直系統(tǒng)整合。物聯(lián)網應傳遞訊息，但也需要簡易途徑，方便裝置程序運作，以及響應其他裝置或服務，無需復雜程序環(huán)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，也能透過其身上智能手表的溫度及濕度傳感器，知道長途旅行的訂戶熱得滿身大汗，途中旅館房間仍處于休眠狀態(tài)(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(lián)網系統(tǒng)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(tǒng)也能掌握消費者喜歡自己拎行李的習慣，故行李員并未上前；當一接近旅館大廳，智能型手機將自動下載安全房鑰應用程序；走進電梯時，房間已依據(jù)智慧手表回傳的感測數(shù)據(jù)調節(jié)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?？熳叩椒块T時，安全房鑰應用程序已打開門鎖；晚上準備就寢時，房間偵測到照明已關，便會依據(jù)個人喜好調整室溫。

　　以上情境里，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，不必時時透過智能型手機觸控屏幕，指揮聯(lián)網設備采取移動，不過手機的確是與用戶活動息息相關的網關；未來這會是無數(shù)人日常生活的一部分，聯(lián)網數(shù)據(jù)將無所不在。

　　然而，這樣的物聯(lián)網愿景不會一夕之間發(fā)生，若要達成所需網絡規(guī)模，唯有創(chuàng)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(fā)展。目前物聯(lián)網技術協(xié)議與數(shù)據(jù)結構仍受限于設計復雜度、安全性和延展性等。聯(lián)網裝置將會愈來愈復雜，但使用方式必須愈來愈簡單。模擬與數(shù)字的界線將變得模糊，縱然世界上每個人對幕后技術毫無所悉，依然能夠主宰個人生活環(huán)境。

　　物聯(lián)網下一步　追求垂直與水平應用均衡

　　今日人們所知的網絡(嚴格來說就是HTTP技術)，其實源自于Tim Berners-Lee的利他概念，希望透過開放平臺讓全球每個人都能相互連結。過往只有企業(yè)專用網絡，信息分享近乎于零，亦即網絡時代之前的垂直模式，直到ARPANET奠定一部分基礎與傳輸協(xié)議，啟動網絡迅速發(fā)展，亦衍生出國防數(shù)據(jù)網(DDN)、國家科學基金會網絡(NFSNET)等。后者在公私部門經費贊助下，演變?yōu)橐蛱鼐W建構基石。今日網絡內充斥各種垂直應用，全都建基于簡易的鏈接與信息傳送平臺。

　　目前制造商有各種垂直應用需求，部分或許利他，但多數(shù)背后都有利益考慮，否則未來發(fā)展也不可能出現(xiàn)；但水平均衡須要利他。未來物聯(lián)網將是人類史上最大水平系統(tǒng)架構，垂直應用依然存在，可是最根本的低階鏈接與信息傳遞功能，必須普遍存在與隱身于所有應用程序當中。

　　此外，為達到水平均衡，物聯(lián)網也必須更近似有機系統(tǒng)。當細胞復制時，會以DNA形式傳遞基本信息，細胞結合后則形成自動機制階層，運用神經系統(tǒng)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(shù)細胞，韌性極高，不必“重新啟動”亦可連續(xù)運作逾百年。因此打造基礎信息與裝置架構時，必須先研究有機系統(tǒng)。

　　或許有人認為，因特網具備有機系統(tǒng)特質。但今日網絡多數(shù)流量均匯聚至少數(shù)極巨大的數(shù)據(jù)管線。最初的網絡架構較為“扁平”，較接近點對點(Peer-to-peer)性質。過往帶寬需求相當?shù)停畲罅髁績H來自訊息傳輸，后來由于豐富的影音與實時信息迫使大型線路興起。

　　主從式架構為今日主流，背后大多由內容匯流者與大型線路公司推動。隨著產業(yè)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(xù)支撐高帶寬與實時需求。不過當物聯(lián)網聯(lián)網裝置數(shù)量破兆后，將出現(xiàn)多重數(shù)據(jù)流動路徑，這個巨大點對點平臺的匯流帶寬將遠超過大型線路效能。

　　下一代物聯(lián)網挑戰(zhàn)艱巨

　　物聯(lián)網的網絡若無法規(guī)范，就會完全中立與隱形，后代甚至不會知道何謂“因特網聯(lián)機”，不過前提是各方必須對物聯(lián)網基本單位達成共識。若想為物聯(lián)網水平架構打造最低層技術，制造商得著手處理以下最根本的難題：

　　· 網絡鏈接

　　未來不會有單一獨大的網絡鏈接標準，勢必由多種有線與無線標準并存，再加上各種專屬應用來串連物聯(lián)網內各種設備，而難題在于如何讓連結標準彼此構通，使用流通全球的數(shù)據(jù)單位。

　　· 電源管理

　　愈來愈多以物聯(lián)網連結的設備將以電池供電，或運用能源采集(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，而難題在于如何以簡易方式，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。

　　· 信息安全

　　物聯(lián)網傳輸大量數(shù)據(jù)，故信息安全至關重要，必須內建資安硬件與運用現(xiàn)有鏈接資安協(xié)議，鞏固物聯(lián)網安全；另一難題在于如何教育消費者，善用裝置內建的資安功能。

　　· 網絡復雜度

　　制造商希望擴大物聯(lián)網規(guī)模，涵蓋過往并無鏈接功能的裝置與設備，尤其是射頻(RF)編程相當復雜時，設計與研發(fā)必須簡易，才可能增加聯(lián)網裝置數(shù)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(yè)迅速演進

　　物聯(lián)網不斷變遷演進，每天都新增更多裝置，相關產業(yè)也尚在萌芽階段。業(yè)界面臨的難題在于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(fā)展層面保有彈性。

　　因應上述挑戰(zhàn)，業(yè)界認為介于16～1,500MHz的處理器與微控制器(MCU)必須搭配各種應用，例如無線小型能源采集感測節(jié)點的微控制器，或是物聯(lián)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。最后則是各種傳感器、混合訊號與電源管理技術，供物聯(lián)網與節(jié)能設計做為用戶接口。

　　進軍汽車/照明/穿戴式應用　物聯(lián)網將改變生活型態(tài)

　　無庸置疑，物聯(lián)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、穿戴式人體傳感器或家電；物聯(lián)網也將觸及生活各個面向，讓用戶能運用周遭網絡主宰生活，依據(jù)個人環(huán)境及來自其他系統(tǒng)的信息，時時變換與調整。

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

　　因應物聯(lián)網發(fā)展，芯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)、傳感器、模擬訊號鏈與電源管理，同時也提供云端系統(tǒng)方案，以加速建置物聯(lián)網環(huán)境。無論是智慧家庭、工業(yè)與汽車應用、電池供電的穿戴式電子、能源采集無線感測節(jié)點(WSN)，相關業(yè)者皆須備妥各項軟硬件工具，方便各種裝置加入物聯(lián)網。

　　(本文作者任職于德州儀器策略營銷部門)