首页 > 无线通信 > 业界动态 > IoT这把熊熊之火，似乎要烧进千家万户

IoT这把熊熊之火，似乎要烧进千家万户

录入：edatop.com 点击：

近来物联网(IoT)潮流兴起，以及低成本感测与控制元件大量出笼，使得智慧家庭的发展快速升温，各种家用装置已开始加入联网与智慧化功能。此一转变，也让自动化控制应用逐渐由过往较大型的工厂、商办大楼或公共场所，进入一般民众家中。

物联网(IoT)概念兴起前，自动控制(Automation)已经有相当长的发展历史，从工厂、办公大楼、附属设施到住家，都是自动控制的应用范围。早期相关元件布建成本、软硬体整合技术门槛较高，自动控制多半仅出现在工厂、较大型的商办大楼或设施等场所，对于家庭应用一直未能普及。

近年来随着低成本感测与控制元件的出现、网路撷取技术的蓬勃发展，还有各种智慧型装置的快速普及，使得IoT概念被提出，不仅智慧家庭普及露出曙光，对于整个自动控制领域也出现新的契机。但本该是一脉相承的自动控制与IoT领域，有时观察起来却存在着一种"代沟"，因此本文将从自动控制、IoT的应用需求，探讨相关技术、解决方案的发展趋势。

自动控制　逐步向IP网路靠拢
相信较早进入建筑物自动控制领域的人应该都对Modbus协定不陌生，由Modicon公司于1979年提出的Modbus协定因为资料格式简单易懂，快速地成为早期控制网路的共通标准。

包含Modbus在内的早期控制网路，在实体层均使用有线序列通讯(Serial)的线路标准布建，较为常见的是RS422与RS485两种。这类序列通讯需要注意的问题相当多，诸如讯号本身的位元率(Baud-rate)、奇/偶函数检查(Parity)、停止位元(Stop Bit)与讯息间的间隔时间等，还有线材的材质、长度、绞线规格、串接方式、干扰隔离与终端电阻等，均可能对通讯品质造成影响。这些因素也使得传统序列通讯的控制网路有较高的布建、维护成本与实作技术门槛。

随着电脑网路发展，TCP/IP逐渐成为电脑网路上共通的通讯协定架构，一些传统的控制网路也渐渐发展为以TCP/IP为基础的架构。因应这样子的趋势，Modbus协定也由以往使用序列通讯的Modbus RTU，进化到使用Ethernet搭配TCP/IP通讯协定架构，利用传输控制协议(TCP)传输层协定承载原本序列通讯内容的Modbus TCP。

拜Ethernet架构的简单、维护成本低廉且在电脑网路中被大量应用等优势所赐，与旧有架构比起来，Modbus TCP毋须担心复杂的序列通讯的讯号、线材规范，使得布建与维护的成本、技术门槛均降低不少。

也因为使用TCP/IP通讯协定架构，可以使用网路层IP协定进行定址(Addressing)、选径(Routing)，也使得Modbus TCP有较大范围的定址空间与支援较大型网域的能力。若搭配网路桥接器(Bridge)，也可经由无线、电力线、光纤等网路型态传输，让Modbus TCP适用于更复杂的网路环境(图1)。

图1　传统的自动控制网路往TCP/IP协定架构靠拢后，能够与电脑网路、其他IoT网路整合，创造更多元化的应用。

另一方面，随着电子元件大量生产、成本降低，各种更贴近电脑网路，并标榜成本低廉、容易开发的感测器、控制器和相关整合架构如雨后春笋般出现。例如各种使用ZigBee、蓝牙低功耗(BLE)的微型感测器、Arduino、树莓派(Raspberry Pi)等，其中也不乏大厂投入。这类解决方案都大量使用无线传输、容易相容于电脑网路，并打着IoT的旗号，俨然成为新的兵家必争之地。

物联网促成自动控制软/硬体现代化
要建构一套能用于生活周遭、串连各种装置的网路，因为要长时间稳定提供服务，无法避免需要考量可靠度与能源效率。已在自动控制领域被广泛应用的各类工业规格控制器、感测器，因架构单纯且经过长时间产品开发，在可靠度与能源效率上皆有不错表现。

步入IoT时代后，因有更大量的通讯需求、更多元化的通讯内容、模式与功能应用，使得可靠度与能源效率又面临新挑战。

建立标准化、支援体系丰富的架构或许是不错的方式，目前可以观察到一些软/硬体厂商正积极朝这个方向布局，例如苹果(Apple)推出的HomeKit、Google主导的Thread Group、英特尔(Intel)发起的OCF IoTivity与高通(Qualcomm)为首的AllSeen AllJoyn等，这些都是针对IoT通讯协定架构(Protocol Stack)还有应用程式执行环境(Application Runtime)推出的整合服务架构(Framework)解决方案，甚至已经有部分开始商品化。

有整合的服务架构解决方案，最方便的莫过于软体开发与商品整合。软体开发人员可以基于所提供的应用程式介面(API)开发应用程式，除可少花点心思在整合问题外，可靠度与资讯安全等也得以确保。

设备厂商只需要在感测器、控制器上部属适当的服务架构并满足相关的规范，即可让产品有不错的相容性。而在商品整合的部分，有相容于某种服务架构的标示，对于相关人员选择产品进行部署，甚至是消费者选购，都会更加方便。

除整合服务架构外，更往硬体层面看，就是控制器、感测器所使用的微型作业系统了。早期的产品多半使用厂商自行开发，或是委由软体厂商开发的封闭式微型作业系统。近年来出现一些基于UNIX-like、POSIX作业系统架构开发的开放原始码微型作业系统，例如Mbed、Contiki、FreeRTOS等。

这类型作业系统功能较为单纯，同时间须执行的处理程序也比一般电脑少很多，但须考虑资料处理的即时性，不能有太大的延迟。因此除核心、软体模组的档案大小都很小外，架构上也是针对指令集较为精简的控制器晶片设计并最佳化，且多采用事件触发导向(Event-driven)、即时作业系统(Real-time OS)等概念设计，以满足需求。

就控制晶片的设计层面，也出现许多更省电、又有强大运算能力的晶片，搭配适当作业系统、服务架构与应用程式，都是未来IoT普及所需的重要元素。目前软、硬体厂商，甚至是开源社群，皆投入不少心力在整合解决方案上，合作比单打独斗带来更大的力量，透过软/硬体整合、优化，将让新型态的IoT感测、控制元件在可靠度与能源效率上更容易达到实用需求。

不论是IoT还是自动控制，与装置通讯时最基本的动作都是读取、写入，读取感测器撷取的值、控制器的开关状态或是装置的设定值等，当有控制需求时写入开关状态、设定值等。每个装置可视为是一个拥有多个属性值的实体。

早期相当流行的Modbus使用暂存器(Register)的概念进行管理，每个装置上有数个暂存器，每个暂存器代表不同的开关状态、感测值、设定值等。读/写暂存器上的值即代表读取感测值或状态，或是控制开关的状态、写入新设定值等动作。而装置实作层面只须将感测器、开关等状态与暂存器进行对应。

同样的概念也应用在BLE上，BLE提供ATT协定(Attribute Protocol)与GATT架构(Generic Attribute Profile)，每个装置可以定义数个属性质，用读写属性质的方式达到存取、控制的目的。

在资料库与软体工程领域常使用到ER模型(Entity-Relation Model)，这样的概念也可套用在IoT中，每一个装置可视为一个实体(Entity)，每个实体拥有若干属性(Attribute)，而这些实体与属性间的互动关系(Relation)，就是IoT所实作的。

在IoT的概念中，将有更多数量、更多种类的装置同在网路上，这意味着IoT网路比起传统控制网路，需要更大的定址空间与更强的定址甚至是选径能力，同时需要支援更多元化的资料型态(图2)。

图2　生活中一些常见的IoT应用装置与其属性范例

网路汇聚与资源管理
在拥有许多装置的IoT网路中，可能会有多种不同的实体网路介面，例如IEEE 802.11、IEEE 802.15、电力线网路等，如何汇聚这些网路将成为重要的课题。

在现存的连接层(Link Layer)解决方案中，常使用的解决方式为将不同网路桥接(Bridge)起来，使得不同类型的网路可形成连通的网域。但对于装置同时拥有多种网路介面、网路拓扑较为复杂的网路环境，就需要一些异质网路整合方案的协助。

举例来说，高通Hy-Fi解决方案所实作的IEEE 1905.1即是一种异质网路汇聚的协定，透过抽象连接层(Abstract Layer)的帮助，让上层架构更容易实作，并且达到更高的网路效率。

在网路层(Network Layer)的部分，使用IP网路的好处除前面所述的拥有更大定址空间、具有良好的选径能力、容易整合外，也可以使用如IPSec、TLS等网路层、传输层(Transport Layer)安全机制。这也是6LoWPAN会兴起的原因之一，6LoWPAN为针对IEEE 802.15成员设计的轻量化网路层协定，标头(Header)较短、且赋予很有弹性的标头定义方式，使得6LoWPAN可以在不浪费频宽资源的情况下具备如IP网路的定址、选径功能，且6LoWPAN标头具有扩充与IP网路相容的能力，使得与整个区域网路整合也相当容易。

在下层都整合到TCP/IP通讯协定架构范围后，剩下的就是应用层(Application Layer)了。基于IoT架构，Dominique Guinard等人于2009年提出WoT(Web of Things)概念，许多IoT的通讯都将会以HTTP、JSON等协定架构下进行，并搭配CoAP、MQTT或JSON-RPC作为事件发生时的通知讯息推播机制。

目前一些整合服务架构，如HomeKit、IoTivity、AllJoyn等都提供类似架构，而相关的控制器作业系统，也提供轻量的HTTP伺服器与浏览器满足这种需求。这个现象也呼应了前面所提用属性值看待每样东西的概念，在使用HTTP当作应用层协定的情况下，每一个装置上的每一个属性，都可以使用URI(Universal Resource Indicator)进行定址、存取，而JSON使用精简纯文字表达多种资料型态的概念，也正好满足了IoT通讯所需(图3)。