智慧城市的发展，物联网还有哪些路要走？

智慧家电、车载应用和穿戴式装置等嵌入式系统迈向联网化后，可以在日常生活中提供人们各式有用资讯。不过，在迈进联网化的过程中，嵌入式系统亦须克服可靠度、电池续航力，以及强化资讯安全防护，才有助智慧城市成形。

物联网(IoT)时代引爆商机，各厂商无不绞尽脑汁全力出击。物联网的应用包括许多层面，智慧家电、车载应用与穿戴式装置等为其中重要的一环，但直接与生活最息息相关的应用就是智慧城市。  
智慧城市的应用包含许多层面，例如，桥墩的结构性检测、森林火灾检测、空气污染检测、噪音检测、地下水管漏水检测、智慧停车位、交通状况检测与水质检测等。这些种种的应用，透过万物相联的方式，将各个层面的资讯整合起来，再将讯息提供给使用者。  

物联网下的智慧城市　充分掌握各种环境资讯  
物联网正在改变人们的世界，大量的资讯传输能够提高商业发展以及人类对于生活环境的应用，可提供即时的资讯让使用者有足够的时间提早处理(图1)。  

图1　透过物联网，可提前掌握汽车本身与行驶的状况。 图片来源：Happiest Minds Technologies Pvt. Ltd.

例如，使用者可以在出门前，先行透过物联网来确认汽车内的温度，可以提早开启空调，调整车内温度。调整完成后，自动通知驾驶可开始使用车子。  

透过物联网，驾驶可以快速了解道路上的人车状况，取得最新的行车资讯与最佳行车路线，避开塞车路段。  

车内的卫星导航可以提供即时路况资讯，若接收到行经的路上有发生事故，重新规画路线避开交通状况不良的地方，避免塞车造成延误。  

驾驶也可透过物联网将停车场空位位置快速定位出来，通知驾驶停车位置所在。 驾驶不再须要花费时间寻找位置，当抵达停车场后可立即找到停车位，节省寻找车位的时间。  

同时，停车场的中央控管中心也可以监测整体停车场的车辆进出状况与费用。  

当使用者看到店面里面有想要购买的衣服，用手机扫描条码后发现此件衣服在当地商店并没有库存，店家立即通知其他存货位置与主动寄件到指定地点。  

物联网的即时资讯传递完全地改变生活，工作与娱乐方式。提供极具经济价值物品流通方式，节省时间与提升生活品质。  

拉丁美洲/亚太/北美　为物联网三大成长市场  
根据市场研究机构全球产业分析(Global Industry Analysis)2015年6月份的分析资料显示，物联网最大的市场是在欧洲。  

而物联网最大成长的三大市场分别为拉丁美洲、亚太地区与美国，并且亚太地区到2020年的复合年成长率(CAGR)可高达43.8%，预计在2020年时，物联网市场规模可以达到总累计经济价值278亿。  

物联网前三大应用产业为消费性产品，车载应用以及工业或商业应用。最先布局智慧电网与智慧电表等能源相关应用，之后陆续带动家用、车载、感应技术与物流资讯。  

这块庞大的市场商机，吸引许多大厂展开布局。物联网十大发展巨擘有英特尔(Intel)、IBM、Cisco、Google、Apple、AT&T、恩智浦(NXP)等。  

物联网相关开发平台满足各种应用  
要打造物联网，需要有适合的开发平台(表1)。以智慧城市的开发平台为例，Libelium的Waspmote开发平台可以提供智慧城市的解决方案，提供多元化的天线模组与感应模组，让使用者开发所要的应用。  

此发展平台使用ATMega1281的控制器、128KB的Flash与SD记忆体插槽，并且可以在-10℃∼65℃的环境温度下工作。深度睡眠可达0.07μA的低功耗省电模式，未充电的情况下可达到1年的续航力。  

物联网的四个主要运作单元  
物联网的装置包含几个层面，包含电力储存模组(Engergy Storage Module)，提供电力的来源，维持物联网装置的运作。因为物联网装置须要较长的时间使用，必须有相当低的电力消耗，因此电源管理模组(Power Managment Module)显得格外重要。借由电源管理模组，整体装置可维持运作长达数天甚至数月。  

万物相联的方式须透过网路或是利用蓝牙(Bluetooth)、ZigBee，甚至是长程演进计画(LTE)作为传递资料的媒介，因此需要射频(RF)模组来作为资料传递的处理单元。物联网装置含有感应周遭环境的感应器。譬如速度感应器、陀螺仪、光线、温度、压力，甚至是影像的感应器等，如图2所示，能够因应周遭变化，将感应到的资料处理后再借由RF模组将资料传递到操控端。  

图2　感测器在物联网中扮演重要角色。 图片来源：Yole Developpement
可靠度/资讯安全/续航力　成物联网发展挑战  

智慧城市的物联网装置使用许多种介面，一般装置都含有I2C、SPI、UART、Ethernet与USB等介面。然而，物联网装置的可靠度也极为重要。  

对于各种温度与环境的耐受力是必须要经过长时间测试，才能确保资料传递不会因为周遭环境的变化而产生异常。  

市面上提供数十种汇流排解码的逻辑分析仪，可让使用者轻易的解读绝大多数IO埠传输介面的协定，可以提供长达8小时至一个月的讯号录制时间，能够让使用者对于装置的可靠度测试提供绝佳的分析仪器。不会因长时间且无法预期的问题发生，造成分析问题的困难。  

物联网资料安全也是重要的一环，复杂的演算法可以保护资料的安全，避免资料暴露的风险，并且资料的安全性须要有物联网装置的层层把关。  

目前有几种方法，第一，安全性的开机，阻挡有心要窃取装置的使用者，可以利用数位签章的方式为保护机制。第二，使用密码保护，当使用者须存取前，须有相当的密码保护。第三，使用防火墙(Firewall)或IPS，可预防破坏性地对物联网装置发生攻击，此种方式须要监听与过滤网路上的资料传递。  

物联网装置必须兼顾处理效能与耗电量。物联装置的续航力为未来物联网的重点挑战之一。整体的耗电量不论在何种状态，如正常运作时、睡眠时，在装置设计初期都必须加以考量。  

 

图4　ARM开发多种核心以适用于各式联网装置。

图5　Cortex-A7比较图

图6　Cortex-M系列比较图

目前各家厂商所使用的微处理器，如索尼(Sony)的智慧手表SmartWatch，使用ARM Cortex-M处理器，智慧手表i'm Watch使用ARM Cortex-A处理器。

在各式各样的物联网装置下，ARM致力于标准规格化的物联装置，并且为了加速物联网的发展，ARM收购芬兰的Sensinode公司，进一步使软体可以更有效率，更安全地在云端与物联网装置之间沟通。

由现在市场上所看到的穿戴式装置可以发现，穿戴式装置已应用在各式各样的领域上。比方像是宠物、畜牧、医疗、工业、办公室与各式休闲运动。这些领域面临众多的挑战与各种需求，其中包括电池寿命、价格和使用者习惯等等。

就以装置的续航力来说，手机每天需要3000mAH的电量，一般穿戴式手表每个礼拜就需要300mAH。ARM 28nm Cortex-A7系列微处理器则针对穿戴式装置的电路设计面积、功耗与效能(PPA)做最佳化的处理。大量减少待机与运作模式下的电力消耗。而Ultra-low power的ARM Cortex-M系列的处理器，静态消耗小于3μW，总消耗小于0.5mW@50MHz。

智慧城市需要整体发展策略、规画与风险管理
国际数据资讯中心(IDC)相信物联网的科技与应用可以改变人类生活习惯，也能够造就具相当的经济规模。智慧城市的即时资讯加上个人穿戴式装置与云端的资讯整合，可以提供极为方便的生活环境。目前市面也提供开发平台给使用者开发，但对整体智慧城市而言，需要整体智慧城市的开发策略与规范。

IDC预测2016年全世界大约90%的城市缺乏对于公共与私人物联网装置的使用政策，这将增加潜在的安全风险。这些问题须要各城市对于未来的整合规画，提供整体的发展策略并考量资讯流通的风险管理。

此外，相关零组件的技术发展也必须更加提高。兼具低功耗、体积小、高效能，并且具有复杂加密运算的物联网装置面临各种技术考验。

若能突破这些种种问题，预期未来可达到使用者一手掌握最新的生活脉动，并彻底改变以往人类的生活习惯。