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什么是物联网技术?

1980年代初期,全球第一台隐含物联网概念的设备为位于卡内基·梅隆大学的可乐贩卖机,它连接到互联网,可以在网络上检查库存,以确认还可供应的饮料数量。这是从历史中追朔第一次出现物联网的概念。科学家马克·维瑟为物联网的发展拓展了重要的道路。

 

 

物联网(英语:Internet of Things,简称IoT)是一种计算设备、机械、数字机器相互关系的系统,具备通用唯一识别码(UID),并具有通过网络传输数据的能力,无需人与人、或是人与设备的交互。物联网将现实世界数字化,应用范围十分广泛。物联网可拉近分散的资料,统整物与物的数字信息。物联网的应用领域主要包括以下方面:运输和物流、工业制造、健康医疗、智能环境(家庭、办公、工厂)、个人和社会领域等。

物联网是新一代信息技术的重要组成部分,首先要明确的是,它并不是颠覆传统的技术革新,而是对现有多种技术的综合和运用。物联网的核心和基础依然是互联网,物联网的很多技术是在互联网的基础上的延伸和扩展。

物联网与人工智能联系紧密,人工智能的最新技术创新又与临床医学中神经学、心理学、遗传学等息息相关,所以颠覆传统的技术革新是数字技术和临床医学相结合的这一部分,也是值得未来所期待的。

 

技术

目前,世界上已经有组织为物联网技术的发展描绘出一条路线,其依据时间轴可分为四个阶段:供应链辅助、垂直市场应用、无所不在的寻址(Ubiquitous positioning),最后可以达到“The Physical Web”(意即让物联网上的每一个智能设备都以URL来标示)。

 

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架构

物联网的架构一般分为三层或四层。三层之架构由底层至上层依序为感测层、网络层与应用层;四层之架构由底层至上层依序为感知设备层(或称感测层)、网络连接层(或称网络层)、平台工具层与应用服务层。三层与四层架构之差异,在于四层将三层之“应用层”拆分成“平台工具层”与“应用服务层”,对于软件应用做更细致的区分。

(1)感测层

寻址资源。物联网的实现,需要给每一个连上物联网的对象分配唯一的标识或地址。最早的概念是由无线射频识别标签和电子产品代码所发展出来的。现在物联网与互联网链接后,由于预估需要大量的IP地址,目前主流的IPv4地址空间有限,因此物联网中的对象倾向使用下一代互联网协议(IPv6),以提供足够的地址空间,IPv6对于物联网的发展扮演重要角色。

(2)网络层

物联网有多种联网技术可供选择,依照有效传输距离可区分为短距离无线、中距离无线、长距离无线,以及有线技术:

 

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短距离无线

●蓝牙网状网络(Bluetooth mesh networking)–规范采用蓝牙技术的网状网络,可增加节点数,并提供标准化的应用层。

●光照上网技术(Li-Fi)– 与Wi-Fi标准相似的无线通信技术,但使用可见光通信以增加带宽。

●近场通信(Near-field communication,NFC)–使两个电子设备能够在4公分范围内进行通信的通信协议。

●无线射频识别(Radio-frequency identification,RFID)–使用电磁场访问无线射频识别(RFID)标签中数据的技术。

 

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●Wi-Fi–基于IEEE 802.11标准的无线局域网技术。

●ZigBee–基于IEEE 802.15.4标准的个人网通信协议,具有低功耗,低数据速率,低成本的特性。

●Z-Wave–主要应用于智能家庭和安全应用的无线通信协议。

中距离无线

●高级长期演进技术(LTE-Advanced)–高速蜂窝网络的通信规范。通过扩展的覆盖范围,提供更高的数据传输量和更低的延迟。

●5G -新一代移动通信技术,提供高资料速率、减少延迟、节省能源、提高系统容量和大规模设备连接。

长距离无线

●低功率广域网(Low-Power Wide-Area Network,LPWAN)–提供低资料速率与远程通信,降低功耗和传输成本。可用的LPWAN技术和协议分为使用授权频段的NB-IoT,以及使用非授权频段的LoRa、Sigfox、Weightless、Random Phase Multiple Access(RPMA)、IEEE 802.11ah等。

●甚小孔径终端(Very Small Aperture Terminal, VSAT)–使用小型碟型天线,透过人造卫星传输之通信技术。

有线

以太网(Ethernet)–基于IEEE 802.11标准的技术,可使用双绞线、光纤连接至集线器或网络交换器。

电力线通信(Power Line Communication,PLC)–以电缆传输电力和数据的通信技术,有HomePlug或G.hn等标准。

(3)应用层

应用层在物联网四层架构中可再细分为“平台工具层”与“应用服务层”。

平台工具层为底层的软件平台,作为应用服务层与网络层的接口,以支持各类的软件应用。可归类于“平台工具层”包括大数据、区块链、软件定义网络、软件定义存储、软件定义数据中心、安全通信、杀毒软件、人工智能相关(如自然语言处理、深度学习、语音识别、模式识别、电脑视觉...)等。

应用服务层针对不同的应用需求,直接呈现原始资料,或经过加值处理,借由人机界面提供用户,或是对应的硬件/软件目标得到想要的信息。可归类于“应用服务层”包括虚拟现实/增强现实、人机交互、服务导向架构、永续发展相关(生命周期评估、节能、碳足迹...)等。

在应用层中,通常使用多种编程语言撰写应用程序,使用HTTPS与OAuth之协议。在平台后端使用各种形式的数据库系统,例如时间序列数据或是后端数据存储系统(如Cassandra、PostgreSQL等)。大多数的物联网系统均是建构在云计算之上,在云当中具备事件队列(event queuing)与消息传递系统,这些系统可以处理在各层级中所需要的通信。美国国家标准暨技术研究院(NIST)对于云计算的定义中,将服务模式分为软件即服务(SaaS)、平台即服务(PaaS)、基础设施即服务(IaaS)三种。

智能物联网(AIoT)

智能物联网(AIoT)为物联网与人工智能的结合,以实现更高效率的物联网运作,改善人机交流、增强数据管理和分析。人工智能可用于将物联网数据转化为有用的信息,以改善决策流程,从而为“物联网资料即服务”(IoT Data as a Service,IoTDaaS)的模式奠定基础。

智能物联网的出现,对于物联网与人工智能两者均会产生变革,增加彼此之间的价值。因为人工智能通过机器学习功能,使得物联网变得更有价值;而物联网通过连接、信号和数据交换,使得人工智能可以获得更丰富的数据源。随着物联网遍及许多行业,将有越来越多的人为的、以及机器生成的非结构化资料,智能物联网可在资料分析中提供有力的支持,在各行各业中创造新的价值。

 

应用

 

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(1)消费者应用

有越来越多的物联网设备可供消费者选用,包括联网的车辆、家庭自动化、联网的可穿戴设备、联网的健康监控设备,以及远程监控设备。

另一项主要的应用为辅助老年人与残疾人士,例如语音控制可以帮助行动不便人士,警报系统可以连接至听障人士的人工耳蜗,另外还有监控跌倒或癫痫等紧急情况的传感器,这些智能家庭技术可以提供用户更多的自由和更高的生活质量。

(2)工业应用

 

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物联网在工业的应用称为工业物联网(Industrial internet of things,IIoT)。工业物联网专注于机器对机器(Machine to Machine,M2M)的通信,利用大数据、人工智能、云计算等技术,让工业运作有更高的效率和可靠度。工业物联网涵盖了整个工业应用,包括了机器人、医疗设备和软件定义生产流程等,为第四次工业革命中,产业转型至工业4.0中不可或缺的一部分。

大数据分析在生产设备的预防性维护中扮演关键角色,其核心为网宇实体系统。可透过5C“连接(Connection)、转换(Conversion)、联网(Cyber),认知(Cognition)、配置(Configuration)”之架构来设计网宇实体系统,将收集来的数据转化为有用的资料,并藉以优化生产流程。

(3)农业应用

物联网在农业中的应用包括收集温度、降水、湿度、风速、病虫害和土壤成分的数据,并加以分析与运用。这样的方式称为精准农业,其利用决策支持系统,将收集来的数据做出精准分析,藉以提高产出的质量和数量,并减少浪费。

丰田通商与微软、近畿大学水产研究所合作,利用Microsoft Azure的物联网应用包,开发出于水产养殖辅助系统。水产养殖为劳力密集的工作,鱼苗必须由人工进行分类,以确保每条鱼的大小适当且无畸形。借由辅助系统的导入,可以大幅减轻人力负担,将有经验的人移至更高附加价值的工作。

(4)商业应用

医疗物联网(Internet of Medical Things,IoMT)为物联网应用于医疗保健,包括数据收集、分析、研究与监控方面的应用,用以创建数字化的医疗保健系统。物联网设备可用于激活远程健康监控和紧急情况通知系统,包括简易的设施如血压计、便携式生理监控器,至可监测植入人体的设备,如心律调节器、人工耳蜗等。世界卫生组织规划利用移动设备收集医疗保健数据,并进行统计、分析,创建“m-health”体系。

物联网可以帮助集成通信、控制与信息处理。物联网的应用可以扩展至运输系统个层面,包括载具、基础设施,以及驾驶人。物联网组件之间的信息传递,使得载具内以及不同载具之间可以互相通信,达成智能交通灯号、智能停车、电子道路收费系统、物流和车队管理、主动巡航控制系统,以及安全和道路辅助等应用。

在物流和车队管理中,物联网平台可以通过无线传感器持续监控货物和资产的位置和状况,并在发生异常事件(延迟、损坏、失窃等)时发送特定警报。这必须借助物联网与设备之间的无缝连接才可能实现。利用GPS、湿度、温度等传感器将数据发送至物联网平台,随后对数据进行分析,并将结果发送给用户。如此,用户可以跟踪载具的即时状态,并做出适当的处置。如果与机器学习结合,还可以进行驾驶睡意侦测,以及提供自动驾驶汽车等来帮助减少交通事故。

(5)基础设施应用

物联网在基础设施的运用主要在监控与控制各类基础设施,例如铁轨、桥梁,海上与陆上的风力发电厂、废弃物管理等。透过监控任何事件或结构状况的变化,以便高效地安排维修和保养活动。

目前全球有数个大规模部署的案例正在进行中,例如韩国松岛国际都市。这是一座设备齐全的智慧城市,对于能源使用、交通流量进行精密的控制,各家户垃圾透过管道集中至废物处理中心,然后在这里进行自动分类,与再回收利用。西班牙桑坦德为另一个应用案例。这一座人口约18万的都市,安装了超过两万个传感器,主要应用于三方面:(1) 交通:透过手机APP可以即时获得停车位信息,并引导至该处停车;(2) H2O 2.0:可即时获得用水信息;(3) 公园智能空间:可随温度、湿度调整洒水系统,并检查公园内垃圾桶的垃圾量。

(6)军事应用

军事物联网(Internet of Military Things,IoMT)是物联网在军事领域中的应用,目的是侦察、监控与战斗有关的目标,主要受到未来将于城市环境中战斗影响。军事物联网相关领域包括传感器、车辆、机器人、武器、可穿戴式智能产品,以及在战场上相关智能技术的使用。

战地物联网(The Internet of Battlefield Things,IoBT)是一个美国陆军研究实验室(ARL)的研究项目,着重研究与物联网相关的基础科学,以增强陆军士兵的能力。ARL启动了战地物联网协作研究联盟(Internet of Battlefield Things Collaborative Research Alliance,IoBT-CRA),创建了产业、大学和陆军研究人员之间的工作合作关系,以推展物联网技术及其在陆军作战中的应用的理论基础。

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2021-12-13

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