不僅物聯網,也要萬物聯網!

作者:Julian Chen   |   2015 / 06 / 02

文章來源:股感知識庫   |   圖片來源:Olivia


從互聯網到物聯網,目前又要進入萬物連網的階段,當中所牽涉的技術有哪些? 它又可帶來那些影響人們生活的重要應用?

從Internet (網際網路、互聯網)到Internet of Thing (物聯網),目前火紅的是下一個階段:萬物聯網(Internet of Everything),也被叫做M2M(Machine to Machine)、機器通訊MTC(Machine Type Communication)。主要定義為實現在不經由或在有限度的人機互動情境下,透過有線、無線或行動通信技術來串連機器(或終端),達到不同裝置╱機器與機器之間互聯溝通,並由雲端平台實現終端互聯的智慧化運用。

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中國市場備受矚目

中國官方十一五與十二五計畫紛紛提出「感知中國」的口號,希望透過無線通訊技術與感測器網路,打造更便利的人與人、人與物,以及物與物之間的物聯網環境。根據中國移動提出的物聯網三項特徵,第一是要全面感知,也就是將物品資訊進行識別,並通過網路傳輸至後台,進行資訊共用和管理;第二特徵是可靠傳遞,即透過現有的2G、3G及未來4G通訊網路可靠傳輸資訊;第三則是智慧處理,通過後台的龐大系統進行智慧分析和管理。

M2M 的定義

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M2M系統包括硬體與軟體,各硬體設備間透過網路進行資料溝通。此外,M2M系統包含一伺服主機與智慧型專家系統,設備與設備間之傳遞資料可透過伺服主機專家系統進行處理。

M2M 新標準的制定

現今M2M 服務仍以 GSM 2G 為基礎,已使用超過20年,仍具備低成本、低耗能與網路普及的優點,不過,LTE標準組織3GPP正在為LTE 定義新格式—「Cat-0」,特別強調開發成本較低,但仍能支持低延遲與最高 1Mbit/s的資料速率,有助於 LTE 達到物聯網機器類型通訊(MTC)的需求,也把廣域技術 Weightless 和 Sigfox包括進來,以擴大MTC的範圍。

不過現今行動通訊應用在 M2M方面,有幾項主要影響的因素:

  • 成本—LTE 模組現有成本最高40美元,並不符合M2M低毛利與高總量的需求。
  • 節能—電池壽命若縮短,將大大衝擊建置與維護成本,因此要混合能源採集及一般電池技術。而 Cat-0也引進新式節能模式,MTC裝置若不需主動與網路通訊時,就可進入深度休眠模式。
  • 覆蓋範圍—許多M2M裝置都隱身在主體深處,因此也要必須提升覆蓋範圍。

網路架構

下列是M2M可採用的通訊方式,當中Wi-Fi可以提供的數據速率最高可達600Mbit/s,但是通訊範圍最小約200公尺範圍內;而LTE的通訊涵蓋範圍最廣。

Wi-Fi
Wi-Fi的尖峰數據速率沒有上鏈和下鏈的區別。可連接無線上網的裝置包括個人電腦、印表機、數位相機、智慧型手機或遊戲機。

WiMAX和LTE、LTE-Advanced
對於高速移動者提供的無線通訊尖峰數據速率達到100Mbit/s,而且對低速移動者更可達1Gbit/s的傳輸數據速率。另外,Wimax目前昇級至 Wimax 2.0,以朝向 TDD-LTE 來演進,TDD-LTE主要是中國利用產業政策保護發展。和最普遍的FDD-LTE可以運用軟體整合,以定義無線電(SDR)達到一機支援多種通訊協定的功能。

RFID 是M2M的要角
常用的被動式RFID通訊標準,依頻率可分為低頻、高頻和超高頻等款式。依照RFID標籤和讀取器的設計,被動式RFID標籤的讀取距離,從約幾公分到7、8公尺都有,在室內可以搭配無線區域網路(WLAN)、藍牙(Bluetooth)通訊或ZigBee通訊,在室外可以搭配4G-LTE通訊,將相關物件資料上傳到系統控制中心處理。

藍牙通訊
屬於無線個人區域網路(WPAN),初期希望藉以取代RS-232電纜線,可同時連結的裝置個數最多七個。藍牙裝置一般需要約3~6秒才能達成溝通協議進行資料交換,2010年底已有低功率藍牙晶片也可縮短開始溝通的時間在0.1秒以內。藍牙主要應用在手機和耳機的無線語音連線、電腦周邊(如印表機、滑鼠)控制、遊戲機、GPS地圖導覽、數位相機。現在藍芽主流是4.0版,而Bluetooth Special Interest Group(SIG)去年也接受了藍芽4.2的核心規格。在這4.2版所更新的部分是改善了隱私性,增快2.5倍的速度,重要的是和網際網路相連接。藍芽4.2所採用的IPSP 規格,是使用IPv6/LoWPAN的技術,讓藍芽與網際網路相連接,這也成為互聯網不可或缺的一部分。

NFC
近距離無線通訊(NFC)為短距離無線通訊技術,利用線圈電磁耦合的方式進行訊號溝通。近年來手機業者極力推展NFC,可以模擬非接觸智慧卡做身分識別、具備高頻(HF)RFID讀取器功能、可以進行電子票購買與使用、方便做電子錢包和旅遊卡使用及搭配手機功能進行各種行動商務服務。兩個NFC裝置可以在0.1秒以內建立溝通模式進行資料交換,很方便實現行動付費機制。

ZigBee
ZigBee 提供優於紅外線(IR)加密雙向通訊的遙控功能,可雙向通訊的好處是,能夠知道目前產品裝置的狀態資料;另外也可以由產品裝置去呼喚遙控器發出「嗶」聲,就不會有找不到遙控器的困擾;可一對一、一對多及多對多的控制,也就是可以用單一遙控器控制多個產品裝置,或是一個產品裝置可用一個以上的遙控器控制,方便居家自動化系統、照明遙控系統、工廠感應監控系統及醫療照護系統等進行各種控制。

M2M 的應用

其實它的應用無所不在! 就像手機從遠端或雲端伺服器傳輸用戶所需的服務,就是很典型的常見應用。應用涵蓋層面相當廣,2001年M2M概念興起時,主要用於車隊管理,再加上物聯網的潮流興起,行動運算、安全監控與能源相關等應用逐漸被開發。

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用路安全管理
駕駛者可透過M2M裝置所回報的地理位置資訊及其他資訊提前改道以避免遇到塞車的情況。舉例來說,為了提供駕駛者導航服務,M2M伺服器必須能夠監控每一輛車或某一群車輛的狀態,配備M2M裝置的車輛透過3GPP或IEEE 802.16蜂巢網路,週期地傳送資訊如位置、速度等到M2M伺服器。M2M伺服器透過分析該接收資訊以提供駕駛導航、交通狀況。

其他的應用情境還包含運輸貨物、車隊追蹤等。廣域網路(WAN)M2M服務可以讓公司追蹤其車隊、得知道路的故障、分析行車速度等,最後將這些資訊回報給司機。M2M服務也能讓公司資產與管理系統彼此交換資訊,提供公司供應鏈各方面的能見度,報告公司資產的位置以協助航運管理。

保全與監測方面
M2M伺服器在蒐集環境資訊後,藉此判斷是否有車子移動或建築物侵入,會發出警訊給使用者,提醒使用者狀況正在發生。如果傳輸的是影像,更可以結合保全系統傳輸給在地的派出所,提供及時的防護措施。

健康照護
WAN M2M健康照護可以改善監控患者、健康紀錄及醫生的回應機制。例如,當患者穿著生物感測器,記錄血壓、體溫、心跳數、體重等健康數據時,感測器會將蒐集到的數據傳送給M2M裝置,並藉由將這些資料傳送給伺服器,以便將數據儲存或作適當的反應。

農漁業生產
運用溫度濕度感應進行對農地魚塭的監控、判斷與處理。例如魚塭的溫度感應器偵測到溫度如低於10℃,就觸發一個事件訊息,透過無線通訊系統傳送到農場監控系統做判斷,並結合氣象預報資訊進行判斷,若可能會有寒害,就須覆蓋塑膠布或加熱器進行魚池的保溫處理。這種利用一個裝置去獲取來自感應器的事件,經由網路傳送給應用系統,將獲取的事件轉換成有意義的資訊就是M2M的應用範疇。

智慧物流應用
近10年來無線射頻辨識系統(RFID)技術成熟,RFID標籤具備有較大記憶體容量,較新的RFID標籤晶片都提供96位元以上的記憶體,供電子商品碼(EPC)和產品序號使用,讓產品的每一個實體都可以有各自唯一的編號,於是商品從生產、運送、銷售到售後服務,甚至於資源回收,整個商品生命週期都可以一路管理下去。生產者、顧客到消費者都可以透過網路查詢各自所需要的資訊,讓物品管理資訊透明化是物聯網最重要的功能之一。

在這些架構與應用日漸發展之下,相信萬物聯網指日可待的!

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Julian Chen
從事資訊與通訊產業,熱愛科技新知與產業動態報導。

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