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【機電創新】- Internet-of-Things (IoT) 什麼是物聯網?

機電人生2022-10-04 13:24:390
Internet-of-Things (IoT)

The Internet of things (IoT) describes physical objects (or groups of such objects) with sensors, processing ability, software, and other technologies that connect and exchange data with other devices and systems over the Internet or other communications networks.

感測層 - 網絡層 - 應用層

短距離無線
藍牙網狀網絡(Bluetooth mesh networking)– 規範採用藍牙技術的網狀網絡,可增加節點數,並提供標準化的應用層。
光照上網技術(Li-Fi)– 與Wi-Fi標準相似的無線通信技術,但使用可見光通訊以增加頻寬。
近場通訊(Near-field communication,NFC)– 使兩個電子裝置能夠在4公分範圍內進行通訊的通訊協定。
無線射頻辨識(Radio-frequency identification,RFID)– 使用電磁場存取無線射頻辨識(RFID)標籤中數據的技術。
Wi-Fi – 基於IEEE 802.11標準的無線區域網絡技術。
ZigBee – 基於IEEE 802.15.4標準的個人區域網路通訊協定,具有低功耗,低數據速率,低成本的特性。
Z-Wave – 主要應用於智能家庭和安全應用的無線通訊協定。

中距離無線
進階長期演進技術(LTE-Advanced)– 高速蜂巢式網絡的通信規範。通過擴展的覆蓋範圍,提供更高的數據傳輸量和更低的延遲。
5G - 新一代流動通訊技術,提供高資料速率、減少延遲、節省能源、提高系統容量和大規模裝置連接。

長距離無線
低功率廣域網路(Low-Power Wide-Area Network,LPWAN)– 提供低資料速率與遠程通訊,降低功耗和傳輸成本。可用的LPWAN技術和協定分為使用授權頻段的NB-IoT,以及使用非授權頻段的LoRa、Sigfox、Weightless、Random Phase Multiple Access(RPMA)、IEEE 802.11ah等。
甚小孔徑終端(Very Small Aperture Terminal, VSAT)– 使用小型碟型天線,透過人造衛星傳輸之通訊技術。

有線
乙太網路(Ethernet)– 基於IEEE 802.3標準的技術,可使用雙絞線、光纖連接至集線器或網絡交換器f。
電力線通信(Power Line Communication,PLC)– 以電纜傳輸電力和數據的通訊技術,有HomePlug或G.hn等標準。

智能物聯網(AIoT)
智能物聯網(AIoT)為物聯網與人工智能的結合,以實現更高效率的物聯網運作,改善人機交流、增強數據管理和分析。人工智能可用於將物聯網數據轉化為有用的資訊,以改善決策流程,從而為「物聯網資料即服務」(IoT Data as a Service,IoTDaaS)的模式奠定基礎。

消費者應用
有越來越多的物聯網裝置可供消費者選用,包括聯網的車輛、家庭自動化、聯網的可穿戴裝置、聯網的健康監控裝置,以及遠程監控裝置。
Google Nest的自動調溫器,可報告能源使用和當地天氣情況;
August Home公司的智能門鎖,支援HomeKit、Google個人助理、Amazon Alexa等多平臺
LG的智能冰箱Internet Digital DIOS
蘋果公司的HomeKit為該公司之智能家庭平臺,用戶可以透過iPhone、iPad、Apple Watch等裝置的APP介面,或是由Siri語音控制支援Apple HomeKit標準的家用裝置,如電視、電燈、空調、水龍頭等,目前支援28類裝置。其他類似、但功能與範圍不盡相同的產品包括Google的Google Nest與Google個人助理、Amazon的Amazon Echo與Amazon Alexa、三星的SmartThings、小米的小愛同學、聯想的Lenovo Smart Assistant等。另外還有一些開放平臺如OpenHAB、Domoticz等。
另一項主要的應用為輔助老年人與殘疾人士,例如語音控制可以幫助行動不便人士,警報系統可以連接至聽障人士的人工耳蝸,另外還有監視跌倒或癲癇等緊急情況的感測器,這些智能家庭技術可以提供用戶更多的自由和更高的生活質素

工業應用
物聯網在工業的應用稱為工業物聯網(Industrial internet of things,IIoT)。工業物聯網專注於機器對機器(Machine to Machine,M2M)的通訊,利用大數據、人工智能、雲端運算等技術,讓工業運作有更高的效率和可靠度。工業物聯網涵蓋了整個工業應用,包括了機械人、醫療裝置和軟件定義生產流程等,為第四次工業革命中,產業轉型至工業4.0中不可或缺的一部分。
大數據分析在生產裝置的預防性維護中扮演關鍵角色,其核心為網宇實體系統。可透過5C「連接(Connection)、轉換(Conversion)、聯網(Cyber),認知(Cognition)、組態(Configuration)」之架構來設計網宇實體系統,將收集來的數據轉化為有用的資料,並藉以優化生產流程。

農業應用
物聯網在農業中的應用包括收集溫度、降水、濕度、風速、病蟲害和土壤成分的數據,並加以分析與運用。這樣的方式稱為精準農業,其利用決策支援系統,將收集來的數據做出精準分析,藉以提高產出的質素和數量,並減少浪費。
2018年8月,豐田通商與微軟、近畿大學水產研究所合作,利用Microsoft Azure的物聯網應用套件,開發出於水產養殖輔助系統。水產養殖為勞力密集的工作,魚苗必須由人工進行分類,以確保每條魚的大小適當且無畸形。藉由輔助系統的匯入,可以大幅減輕人力負擔,將有經驗的人移至更高附加價值的工作。

商業應用
醫療保健
醫療物聯網(Internet of Medical Things,IoMT)為物聯網應用於醫療保健,包括數據收集、分析、研究與監控方面的應用,用以建立數碼化的醫療保健系統。物聯網裝置可用於啟用遠程健康監控和緊急情況通知系統,包括簡易的設施如血壓計、可攜式生理監視器,至可監測植入人體的裝置,如心律調節器、人工耳蝸等。世界衛生組織規劃利用流動裝置收集醫療保健數據,並進行統計、分析,建立「m-health」體系。
由於塑料與電子紡織品製造技術的進步,使得一次性使用的IoMT感測器已達到相當低的成本。對於即時醫療診斷應用的建立,可攜性與低系統複雜性是不可或缺的要素。物聯網在醫療保健的應用,於監測慢性病、以及疾病的預防和控制中產生很大的功用,透過遠端監控,醫院與衛生相關機構可以獲得患者的數據,並可做進一步分析。

交通
物聯網可以幫助整合通訊、控制與資訊處理。物聯網的應用可以擴展至運輸系統個層面,包括載具、基礎設施,以及駕駛人。物聯網組件之間的資訊傳遞,使得載具內以及不同載具之間可以互相通訊,達成智能交通燈號、智能停車、電子道路收費系統、物流和車隊管理、主動巡航控制系統,以及安全和道路輔助等應用
例如,在物流和車隊管理中,物聯網平臺可以通過無線感測器持續監視貨物和資產的位置和狀況,並在發生異常事件(延遲、損壞、失竊等)時發送特定警報。這必須藉助物聯網與裝置之間的無縫連接才可能實現。利用GPS、濕度、溫度等感測器將數據傳送至物聯網平臺,隨後對數據進行分析,並將結果傳送給用戶。如此,用戶可以跟蹤載具的即時狀態,並做出適當的處置。如果與機器學習結合,還可以進行駕駛睡意偵測,以及提供自動駕駛汽車等來幫助減少交通事故。

基礎設施應用
物聯網在基礎設施的運用主要在監視與控制各類基礎設施,例如鐵軌、橋樑,海上與陸上的風力發電廠、廢棄物管理等。透過監視任何事件或結構狀況的變化,以便高效地安排維修和保養活動
目前全球有數個大規模部署的案例正在進行中,例如韓國松島國際都市。這是一座裝置齊全的智慧城市,對於能源使用、交通流量進行精密的控制,各家戶垃圾透過管道集中至廢物處理中心,然後在這裡進行自動分類,與再回收利用。截至2018年6月約70%的商業區已竣工。
西班牙桑坦德為另一個應用案例。這一座人口約18萬的都市,安裝了超過兩萬個感測器,主要應用於三方面:(1) 交通:透過手機APP可以即時獲得停車位資訊,並引導至該處停車;(2) H2O 2.0:可即時獲得用水資訊;(3) 公園智能空間:可隨溫度、濕度調整灑水系統,並檢查公園內垃圾桶的垃圾量。

安全性
安全性是物聯網應用受到各界質疑的主要因素,質疑之處在於物聯網技術正在快速發展中,但其中涉及的安全性挑戰,與可能需要的法規變更等,目前均相當欠缺。
物聯網面對的大多數技術安全問題類似於一般伺服器、工作站與智能手機,包括密碼太短、忘記更改密碼的預設值、裝置之間傳輸採用未加密訊號、SQL注入、未將軟件更新至最新版本等。另外,由於多數物聯網裝置計算能力相當有限,無法使用常見的安全措施例如防火牆、或是高強度的密碼;許多物聯網裝置因為價格低廉,因此無法有人力與經費支援,將軟件更新至最新版本。

平臺分散
物聯網的一大問題為平臺分散、跨平臺之可操作性低,以及欠缺通用技術標準。物聯網裝置種類繁多,以及硬件與在其上運作的軟件之間的差異,使得開發系統時,各應用程式保持一致變得很困難。
物聯網無定形(amorphous)的計算特性往往會造成安全性問題,因為在核心操作系統中發現的錯誤修補,通常無法涵蓋較早期且入門級的裝置,一組研究人員表示,裝置供應商未能通過修補程式和更新支援較舊的裝置,導致超過87%的現行Android裝置容易受到攻擊。

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