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感测节点结合通讯功能 物联网打造智慧新生活

发布时间:2013-07-10 09:43:17宝威科技浏览:

    物联网发展风潮的兴起,使得各种半导体元件开始整合通讯功能,其中,扮演第一线资讯蒐集要角的感测器,进展尤为快速。具备联网能力的感测器节点,不仅能侦测环境变化,更可即时将资讯传递至主控中心或云端系统处理,以实现更完善的应用与服务。
 
    物联网(IoT)根据所探讨的对象不同,定义也各异其趣。其包含生活的诸多应用面--从联网家庭与城市,到互连的汽车与道路,再到追踪个人行为的设备,以及使用所收集的资料播送新服务等应用。有些分析师预计在2025年以前,透过网际网路连接的设备将超过一兆台,并将行动电话定义为连接所有这些联网设备应用的眼睛和耳朵。此外,还有一些分析师则看好如Google的扩增实境(Augmented Reality)智慧眼镜以及目前还未出现的一系列设备。

    在网路上搜寻有关物联网的关键字,即可发现智慧一词已被过度使用。那麽,当消费者说某件物品具智慧化功能时,其真正含意为何?

    物联网应用范畴多样

    家中以机械式控制烤麵包颜色的旧式烤麵包机,现在可再加上一个微控制器(MCU),改由透过MCU来控制烤麵包的颜色。新式烤麵包机可以更一致且可靠地完成任务,并与使用者透过触控面板或开关以电子方式呈现讯息。一款设备在整合嵌入式处理能力而具有智慧功能后,下一个步骤就是以这款智慧设备进行远端通讯,让生活更轻鬆。

    以下说明与物联网相关的应用类型,虽然不同产业订出数以百计的应用类型(图1),但这些类型可透过简单、合乎逻辑的方式加以归类。


图1 物联网对每个人来说分别代表不同意义。

    第一类包括数以百万计异质且具有「认知」功能的互连元件,透过一身分识别(ID)系统而与其他机器/物件、基础设施和外在环境进行互动。在该类应用中,物联网在很大程度上扮演着远端追踪、命令、控制的角色。就物联网各方面来说,安全和可靠最重要,这些应用并非关于个人行为的资料採集(如无孔不入的监控),而是扩展有助于简化人们生活的机器对机器(M2M)、机器对基础设施(M2I)和机器对自然(M2N)的通讯自动化。

    第二类则有关于如何利用终端节点(具感知和连接能力的智慧设备)收集到的资料,针对可产生有效市场资讯趋势与行为进行探勘,从而开发更多商品。不过,现在的问题是资料探勘将能走多远?应用桉例包括消费者在商场的逛买追踪行为--消费者逛了哪条走道?在哪些商品区花最多时间?甚至记录消费者拿起哪些商品来看。

    本文将专注探讨第一类应用--特别是使物联网得以实现追踪、命令、控制与路由用途所需的技术和设备。

    远端追踪/监控与控制和路由

    远端追踪/监控以及依需要时增加的「命令、控制和路由」功能可以实现目前通常用手动或需要更多基础设施才能进行的任务。如目前大多数家庭都以手动开/关电灯、设定空调温度区间以及开/关洗衣机。未来门、窗、电源插座、电器及许多其他类型的独立设备将成为具有个别身分识别的智慧设备,可透过有线或无线通讯连接,让使用者能以笔记型电脑或行动电话远端监视自己的家。

    资产追踪/物流监测

    目前的资产追踪是透过条码和各种手动步骤完成的,但在未来,该功能将可充分利用智慧标籤、近距离无线通讯(NFC)和无线射频辨识系统(RFID),在全球互动式地追踪各种物件。

    这是利用各种感测器(无论是否具启动能力)进行监测并提供资料,以使运送过程可被远端控制。就像在输送带上用相机定位各种尺寸的箱子,以利标籤机正确地将标籤贴印在箱子上。

    资源配置与最佳化

    智慧能源市场提供此类应用的一个理想桉例。智慧能源一词已用于各种情况中,但其基本上指的是接收有关能源消耗的资讯,并因应该资讯变化而使资源配置、使用情形最佳化。

    背景认知自动化和决策最佳化

    这一类应用最具有吸引力,因为其指的是监控未知因素(设备和基础设施间的环境与互动等),并由机器来做出最类似人类会做的决策,甚至还更高明。例如可植入感测节点持续追踪老年患者生理指标,并在输出异常时发送紧急讯号。又或者病患对于所服用的药物没有反应,该节点可自动拨打紧急电话给紧急连络人,如果没有回应,将接着联繫第二顺位联络人,最后,如果都找不到连络人,该节点便会迅速联繫进行监测的诊所。

    感测与资料收发为基础能力

    实现上述各种相关应用的必要条件包括感测节点的感测与资料收集能力、本地嵌入式处理能力层、有线/无线通讯能力、支援自动执行任务并实现新一类服务的软体、远端网路/基于云端的嵌入式处理能力,以及完整的讯号路径安全性(图2)。

图2 物联网技术功能架构图

    例如上述的工厂自动化例子中,相机使用电荷耦合元件(CCD)感测器检测资讯,然后使用有线或无线通讯技术,将收集到的资料发送至嵌入式处理器/控制器,再由远端伺服器进行决策并传回命令,而产生一项进行校正的机械行动。以下将就物联网的基本建构模组进行剖析:

    感测节点

    取决于所涉及的应用不同,物联网所需的感测节点类型也相当广泛多元。感测节点包括用于影像监测的照相机系统、智慧能源所需的水或瓦斯流量计、需要主动安全时的雷达视觉、检测物体或人出现的RFID读取器、可检测建筑物被入侵的门和锁(内含开/关电路)或测量温度的简单温度计。这些节点都将带有唯一身分识别,可透过远端命令和控制拓扑分别进行控制。

    本地嵌入式处理节点层

    嵌入式处理节点层位于物联网的核心。本地处理能力最常见的是由微控制器、溷合微控制器/微处理器(MCU/MPU)或整合型MCU元件所提供,它们可提供即时嵌入式处理能力,这是大多数物联网应用的关键需求。另外,元件若要充分发挥即时嵌入式处理能力,则需要可扩展的特性,因为应用桉例相当广泛多元,并不存在一体适用的情况。

    微控制器非常适合在物联网中使用,不过其须具备几大关键设计要素:

    .高能效

    微控制器需要具有高能效。在许多桉例中,传感节点是由电池供电的卫星节点,因此低功耗是基本要求。

    .具丰富软体生态系统的嵌入式架构
   
    各种可能的物联网应用都需要将应用程式、命令、控制、路由处理和节点与系统安全性捆绑在一起的软体发展环境。在过去几年裡,微控制器解决方桉中软体重要性不断增加,因此,支援物联网的微控制器将需要更多的软体、工具和支援,提供广泛而易于接触的生态系统,而这也对于支援嵌入式处理节点和物联网应用的开发非常重要。

    .支援软体可扩展性

    重複使用软体和利用现有软体投资对于开发物联网应用的公司来说,是关键的成功因素。

    .支援多样I/O

    物联网中的受控设备具有多样性,随不同的使用桉例,微网路中的设备数量,异质环境中所需的不同服务等级和不同介面,都需要装置有不同的层次,各种应用需要多样化的输入/输出(I/O)介面。

    .高成本效益

    与所有其他系统一样,总体成本是系统的各个组成部分之和,加上系统所需服务的成本。总体系统成本必须适度、合理,才能在日常生活中发生典范转移,因此产品成本是一个非常关键的因素。

    .品质和可靠性

    一般人可能每2年就更换手机、笔记型电脑等行动装置,然而,工业市场产品则不同,其生命週期至少为10?15年,因此,这些市场对品质、可靠性和产品寿命的要求,是物联网典范转移成功的关键。

    .安全性

    对于位于物理层的本地嵌入式处理节点而言,有多种不同的加密引擎和安全加速器可支援资料加密(例如数据加密标准(DES)和进阶加密标准(AES)等)和认证(例如安全散列演算法(SHA)等)。

    有线/无线通讯功能

    通讯功能的作用是将收集到的资讯传送到本地嵌入式处理节点,并将处理后的资讯传送到由本地嵌入式处理节点确认的目的地。另外,一旦资料在远端进行处理并产生新的命令后,通讯功能就会将新命令传回本地嵌入式处理节点以执行任务。

    儘管使用情况大相迳庭,但这些命令和控制通讯连结的共同点是除涉及高频宽的影像处理或视讯资料外,任何特定节点通常只须传送几千位元组的资料。

    物联网也将增加无线感测器和制动器网路(WSAN)的概念,包含可控制其环境的传感和嵌入式处理节点。

    根据典型产品生命週期估算,若一项技术目前占据物联网市场,那麽该技术或其优化版本将至少在未来的5~8年间,都继续占据该市场。

    未来10?12年通讯技术可能与目前所考量的技术规格完全不同。无线区域网路(Wi-Fi)技术目前在802.11ah频段工作,以适应独立于基础设施的特定的网状网路和范围更大的感测器网路控制。此外,未来可能出现更能适应特定物联网通讯领域的全新技术,取代现有物联网标准。无论如何,未来对通讯功能的要求几乎与嵌入式处理节点的需求相同--高成本效益、低功耗、品质和可靠性、安全性。

    自动执行任务的软体

    使物联网涉及的各部分进行通讯和协同作业是技术成功开发的关键,这意味着厂商为使机器彼此间以及与其周围的基础设施通讯,都必须编写大量软体。

    远端嵌入式处理单元

    部分业者宣称可让所有设备的处理和决策都在其私有云端中完成,不过,另一派的业者认为,对于基本网际网路服务而言,必须接取至云端处理的情况相当有限,大部分都可在本地节点完成处理。

    完整可靠的安全机制

    如果上述物联网架构模组缺少一个稳定可靠的安全机制,那麽物联网就无法像预期的那样普及。

    真正的完整安全係指在系统各部分传递且基于内容和服务的资讯安全。例如有人走失,能马上追踪到这个人的位置,通常会被认为是一件好事,但是,如果这个人觉得隐私被洩露了,洩漏位置资讯就是一件不好的事,因此,此处所指的资讯安全是资讯在需要时可用,而资讯必须保密,且确保其完整性。

    物联网逐渐成真

    无处不在的嵌入式处理器已在生活週遭随处可见。烤麵包机现在可内建嵌入式微控制器,它不仅能根据你的喜好设定麵包烤出的色泽,还增加设备功能安全性。这些智慧设备(节点)与网路的连接也已开始出现,不过速度还不够快。支援物联网的各种技术已经逐渐结合在一起,共同推动物联网使其以较大多数人预期更快的速度起飞,预计在接下来的10年内,物联网将发生在我们生活週遭的每个方面。

 

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