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物联网

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物聯網概念圖

物聯網(英語:Internet of Things,簡稱IoT)是一種計算設備、機械、數位機器相互關聯的系統,具有通用唯一辨識碼 (UID),並具有通過網路傳輸數據的能力,無需人與人、或是人與設備的互動[1][2][3]

物聯網將現實世界數位化,應用範圍十分廣泛。物聯網拉近分散的資訊,統整物與物的數位資訊,物聯網的應用領域主要包括以下方面:運輸和物流領域、工業製造[4]、健康醫療領域範圍、智慧環境(家庭、辦公、工廠)領域、個人和社會領域等[5]

歷史[编辑]

物聯網的概念可以追溯到1980年代初期,第一台設備為卡內基美隆大學的可樂販賣機,它連接到網際網路,用來檢查庫存以確認還可供應的飲料數量[6][7]馬克·維瑟(Mark Weiser)於1991年發表了「21世紀的電腦」(The Computer of the 21st Century)論文,當中揭櫫普及計算的概念,為物聯網的發展拓展了重要的道路[8]

雷扎·拉吉(Reza Raji)1994年在IEEE綜覽中發表「可控制的智慧網路」(Smart networks for control)論文,當中提出了概念「可將小量的數據封包匯集至一個大的節點,這樣就可以整合與自動化各種設施,從家用電器乃至於整座工廠[9]

在1993年至1997年之間,幾家公司提出了多種解決方案,例如Microsoft at Work英语Microsoft at WorkNovell NEST英语Novell Embedded Systems Technology比爾·喬伊1999年在世界經濟論壇上提出「六網」(Six Webs)架構,其中第六項「D2D,Device to Device」描繪了物聯網更具體的發展構想[10]

最早提出「物聯網(Internet of things)」這個名稱的人可能已經很難斷定,但任職於寶鹼公司的前瞻技術開發者凱文·阿什頓英语Kevin Ashton(Kevin Ashton)說,他自己應該是最早明確使用「物聯網」名稱的人,1999年他在寶鹼公司所做一次演講的標題即為「Internet of things」[11]。他並表示,相較於「Internet of things」,他自己更喜歡「Internet for things」這個名稱[12]。當時,他認為射頻識別對於物聯網至關重要[13],這將使電腦可以管理所有個別物體[14]

思科系統認為物聯網僅為一個「時間點」的概念,這個時間點出現在「連上網際網路的事物或物件,大於連上網路的人數」,換句話說這是物聯網的誕生時間。思科系統估計這個「時間點」大約落在2008年至2009年之間,「上網物件/上網人數」的比例在2003年為0.08,到了2010年為1.84[15]

部分人士認為金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)技術的進步是促成物聯網快速發展的推手。主要的論點在於MOSFET到了21世紀製程已可微縮至奈米等級,大幅降低了功耗,而低功耗設計正是物聯網中的感測器可否被廣泛運用的關鍵因素[16]。除了MOSFET之外,絕緣層上覆矽(silicon-on-insulator)與多核心處理器技術的發展,也是促成物聯網普及的原因[16]

技術[编辑]

物联网技术路线图

技術路線[编辑]

技術路線(Technology Roadmap)指對於技術未來發展方向的預測。在物聯網領域,廣泛被各國政府與機構引用[17][18][19]技術路線為顧問公司SRI Consulting描繪之物聯網技術路線,其依據時間軸可分為四個階段:供應鏈輔助、垂直市場應用、無所不在的定址(Ubiquitous positioning),最後可以達到「The Physical Web」(意即讓物聯網上的每一個智慧裝置都以URL來標示)[20]

架構[编辑]

物聯網的架構一般分為三層或四層。三層之架構由底層至上層依序為「感測層」、「網路層」與「應用層」[21];四層之架構由底層至上層依序為「感知設備層」(或稱感測層)、「網路連接層」(或稱網路層)、「平台工具層」與「應用服務層」。三層與四層架構之差異,在於四層將三層之「應用層」拆分成「平台工具層」與「應用服務層」,對於軟體應用做更細緻的區分[22]

感測層[编辑]

定址資源[编辑]

物聯網的實現,需要給每一個連上物聯網的物件分配唯一的標識或地址。最早的概念是由無線射頻辨識標籤和電子產品代碼英语Electronic Product Code所發展出來的[23]。現在物聯網與網際網路連結後,由於預估需要大量的IP地址,目前主流的IPv4地址空間有限,因此物聯網中的物件傾向使用下一代互聯網協議(IPv6),提提供足夠的位址空間,IPv6對於物聯網的發展扮演重要角色[24]

網路層[编辑]

物聯網有多種聯網技術可供選擇,依照有效傳輸距離可區分為短距離無線、中距離無線、長距離無線,以及有線技術:

短距離無線[编辑]

中距離無線[编辑]

  • 進階長期演進技術(LTE-Advanced)– 高速蜂巢式網路的通信規範。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[32]
  • 5G - 新一代行動通訊技術,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[33]

長距離無線[编辑]

有線[编辑]

應用層[编辑]

應用層在物聯網四層架構中可再細分為「平台工具層」與「應用服務層」。在應用層中,通常使用多種程式語言撰寫應用程序,使用HTTPSOAuth之協定。在平台後端使用各種形式的資料庫系統,例如時間序列數據或是後端數據存儲系統(如CassandraPostgreSQL等)[38]

大多數的物聯網系統均是建構在雲端運算之上,在雲當中具備事件佇列(event queuing)與訊息傳遞系統,這些系統可以處理在各層級中所需要的通訊[39]。一些專家將工業物聯網英语Industrial internet of things(IIoT)中的三層分類為邊緣、平台和企業,它們分別透過鄰近網絡、接入網路英语Access network服務網路英语Service network來連接[40]

美國國家標準暨技術研究院(NIST)對於雲端運算的定義中,將服務模式分為軟體即服務(SaaS)、平台即服務(PaaS)、基礎設施即服務(IaaS)三種[41]

智慧物聯網(AIoT)[编辑]

智慧物聯網(AIoT)為物聯網與人工智慧的結合,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。人工智慧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[42]

智慧物聯網的出現,對於物聯網與人工智慧兩者均會產生變革,增加彼此之間的價值。因為人工智慧通過機器學習功能,使得物聯網變得更有價值;而物聯網通過連接、訊號和數據交換,使得人工智慧可以獲得更豐富的資料來源。隨著物聯網遍及許多行業,將有越來越多的人為的、以及機器生成的非結構化資料英语Unstructured data,智慧物聯網可在資料分析中提供有力的支持,在各行各業中創造新的價值[42]

應用[编辑]

消費者應用[编辑]

Google Nest自動調溫器,可報告能源使用和當地天氣情況
August Home英语August Home公司的智慧門鎖,支援HomeKitGoogle個人助理Amazon Alexa等多平台

有越來越多的物聯網設備可供消費者選用,包括聯網的車輛、家庭自動化、聯網的可穿戴設備、聯網的健康監控設備,以及遠程監控設備[43]

蘋果公司HomeKit為該公司之智慧家庭平台,使用者可以透過iPhoneiPadApple Watch等設備的APP介面,或是由Siri語音控制支援Apple HomeKit標準的家用設備,如電視電燈空調水龍頭[44],目前支援28類設備[45]。其他類似、但功能與範圍不盡相同的產品包括GoogleGoogle NestGoogle個人助理AmazonAmazon EchoAmazon Alexa三星SmartThings英语SmartThings小米小愛同學聯想Lenovo Smart Assistant[46]。另外還有一些開放平臺OpenHAB英语OpenHAB、Domoticz等[47][48]

另一項主要的應用為輔助老年人殘疾人士[49],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[50],另外還有監視跌倒癲癇等緊急情況的感測器[51],這些智慧家庭技術可以提供用戶更多的自由和更高的生活質量[49]

工業應用[编辑]

物聯網在工業的應用稱為工業物聯網英语Industrial internet of things(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,利用大數據人工智慧雲端運算等技術,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,包括了機器人醫療設備和軟體定義生產流程等,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[52]

大數據分析在生產設備的預防性維護中扮演關鍵角色,其核心為虛實整合系統。可透過5C「連接(Connection)、轉換(Conversion)、聯網(Cyber),認知(Cognition)、配置(Configuration)」之架構來設計虛實整合系統,將收集來的數據轉化為有用的資料,並藉以優化生產流程[53]

農業應用[编辑]

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,藉以提高產出的質量和數量,並減少浪費[54]

2018年8月,豐田通商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。藉由輔助系統的導入,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[55][56]

商業應用[编辑]

醫療保健[编辑]

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,用以建立數位化的醫療保健系統[57][58][59][60]。物聯網設備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設備,如心律調節器人工耳蝸[61]世界衛生組織規劃利用移動設備收集醫療保健數據,並進行統計、分析,創建「m-health」體系[62]

由於塑料與電子紡織品英语E-textiles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[63]。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[64]。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[65]

交通[编辑]

物聯網可以幫助整合通訊控制資訊處理。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[66],達成智慧交通燈號英语Smart traffic light、智慧停車、電子道路收費系統物流車隊管理主動巡航控制系統英语Adaptive cruise control,以及安全和道路輔助等應用[67][68]

例如,在物流車隊管理中,物聯網平台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。這必須借助物聯網與設備之間的無縫連接才可能實現。利用GPS濕度溫度感測器將數據傳送至物聯網平台,隨後對數據進行分析,並將結果傳送給用戶。如此,用戶可以跟踪載具的即時狀態,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英语Driver drowsiness detection,以及提供自動駕駛汽車等來幫助減少交通事故[69]

基礎設施應用[编辑]

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,例如鐵軌橋梁,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[68]

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。這是一座設備齊全的智慧城市,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[70]

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:受過手機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) 公園智能空間英语Smart environment: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[71]

軍事應用[编辑]

軍事物聯網英语Internet of Military Things(Internet of Military Things,IoMT)是物聯網在軍事領域中的應用,目的是偵察、監視與戰鬥有關的目標,主要受到未來將於城市環境中戰鬥影響。軍事物聯網相關領域包括感測器車輛機器人武器可穿戴式智慧型產品,以及在戰場上相關智慧技術的使用[72]

戰地物聯網(The Internet of Battlefield Things,IoBT)是一個美國陸軍研究實驗室英语United States Army Research Laboratory(ARL)的研究項目,著重研究與物聯網相關的基礎科學,以增強陸軍士兵的能力[73]。2017年,ARL啟動了戰地物聯網協作研究聯盟英语IoBT-CRA(Internet of Battlefield Things Collaborative Research Alliance,IoBT-CRA),建立了產業、大學和陸軍研究人員之間的工作合作關係,以推展物聯網技術及其在陸軍作戰中的應用的理論基礎[74]

批評、問題與爭議[编辑]

安全性[编辑]

安全性是物聯網應用受到各界質疑的主要因素[75],質疑的點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[76][77]

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智慧型手機[78],包括密碼太短、忘記更改密碼的預設值、設備之間傳輸採用未加密訊號SQL注入未將軟體更新至最新版本[79]。另外,由於多數物聯網設備計算能力相當有限,無法使用常見的安全措施例如防火牆、或是高強度的密碼[80];許多物聯網設備因為價格低廉,因此無法有人力與經費支持,將軟體更新至最新版本[81]

安全性較差的物聯網設備可能被當作跳板以攻擊其他設備。2016年時發生惡意程式Mirai(辭源:日文「未來」)感染物聯網設備,以分散式阻斷服務攻擊(DDoS)攻擊DNS伺服器與許多網站。在20小時內,Mirai感染了大約65,000台物聯網設備,最終感染數量為20~30萬台。感染設備之國家分布以巴西、哥倫比亞和越南居前三位,設備包括數位視訊錄影機網路監控攝影機路由器印表機等,以廠商區分依序為大華股份華為中興通訊思科合勤[82][83]。2017年5月,Cloudflare的計算機科學家Junade Ali指出,由於發布/訂閱(Publish–subscribe pattern)的不當設計,許多物聯網設備存在DDoS漏洞[84][85]。利用這些漏洞的將物聯網設備作為跳板的攻擊,是互聯網服務的真正威脅[86]

產業界對各界質疑安全性問題做出了回應,「物聯網安全基金會」(IoTSF)於2015年9月23日成立,期藉由倡導知識與最佳實踐使得物聯網更加安全[87]。此外,一些公司也推出創新解決方案,以確保物聯網設備的安全性。2017年,Mozilla公司推出了「Project Things」,該項目可以通過安全的「Web of Things」閘道器與物聯網設備建立加密連線[88]美國資訊安全專家布魯斯·施奈爾(Bruce Schneier)認為將物聯網納入政府監管業務是有必要的,以確保產業界生產的物聯網設備可以遵守安全規範,以及出事的時候有人負責[89]

平台分散[编辑]

物聯網的一大問題為平台分散、跨平台之可操作性低,以及欠缺通用技術標準[90][91]。物聯網設備種類繁多,以及硬體與在其上運作的軟體之間的差異,使得開發系統時,各應用程序保持一致變得很困難[92]

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設備[93],一組研究人員表示,設備供應商未能通過修補程式和更新支持較舊的設備,導致超過87%的現行Android設備容易受到攻擊[94]

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

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