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物联网

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物联网概念图

物联网(英语:Internet of Things,简称IoT)是一种计算设备、机械、数字机器相互关系的系统,具备通用唯一识别码(UID),并具有通过网络传输数据的能力,无需人与人、或是人与设备的交互[1][2][3]

物联网将现实世界数字化,应用范围十分广泛。物联网可拉近分散的资料,统整物与物的数字信息。物联网的应用领域主要包括以下方面:运输和物流、工业制造[4]、健康医疗、智能环境(家庭、办公、工厂)、个人和社会领域等[5]

物联网为受各界瞩目的新兴领域,但安全性是物联网应用受到各界质疑的主要因素[6],主要的质疑在于物联网技术正在快速发展中,但其中涉及的安全性挑战,与可能需要的法规变更等,目前均相当欠缺[7][8]

历史[编辑]

物联网的概念可以追溯到1980年代初期,全球第一台隐含物联网概念的设备为位于卡内基·梅隆大学的可乐贩卖机,它连接到互联网,可以在网络上检查库存,以确认还可供应的饮料数量[9][10]马克·维瑟(Mark Weiser)于1991年发表了“21世纪的电脑”(The Computer of the 21st Century)论文,当中揭橥普及计算的概念,为物联网的发展拓展了重要的道路[11]

雷扎·拉吉(Reza Raji)1994年在IEEE综览中发表“可控制的智能网络”(Smart networks for control)论文,当中提出了概念“可将小量的数据数据包汇集至一个大的节点,这样就可以集成与自动化各种设施,从家用电器乃至于整座工厂[12]

在1993年至1997年之间,几家公司提出了多种解决方案,例如Microsoft at Work英语Microsoft at WorkNovell NEST英语Novell Embedded Systems Technology比尔·乔伊(Bill Joy)1999年在世界经济论坛上提出六网(Six Webs)架构,其中第六项“D2D,Device to Device”描绘了物联网更具体的发展构想[13]

最早提出“物联网(Internet of things)”这个名称的人可能已经很难断定,但任职于宝洁公司的前瞻技术开发者凯文·阿什顿英语Kevin Ashton(Kevin Ashton)说,他自己应该是最早明确使用“物联网”名称的人,1999年他在宝洁公司所做一次演讲的标题即为“Internet of things”[14]。他并表示,相较于“Internet of things”,他自己更喜欢“Internet for things”这个名称[15]。当时,他认为射频识别对于物联网至关重要[16],这将使电脑可以管理所有个别物体[17]

思科系统认为物联网仅为一个“时间点”的概念,这个时间点出现在“连上互联网的事物或对象,大于连上网络的人数”,换句话说这是物联网的诞生时间。思科系统估计这个“时间点”大约落在2008年至2009年之间,“上网对象/上网人数”的比例在2003年为0.08,到了2010年为1.84[18]

部分人士认为金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)技术的进步是促成物联网快速发展的推手。主要的论点在于MOSFET到了21世纪制程已可微缩至奈米等级,大幅降低了功耗,而低功耗设计正是物联网中的传感器可否被广泛运用的关键因素[19]。除了MOSFET之外,绝缘层上覆硅(silicon-on-insulator)与多核心处理器技术的发展,也是促成物联网普及的原因[19]

技术[编辑]

物联网技术路线图

技术路线[编辑]

技术路线(Technology Roadmap)指对于技术未来发展方向的预测。在物联网领域,广泛被各国政府与机构引用[20][21][22]技术路线为顾问公司SRI Consulting描绘之物联网技术路线,其依据时间轴可分为四个阶段:供应链辅助、垂直市场应用、无所不在的寻址(Ubiquitous positioning),最后可以达到“The Physical Web”(意即让物联网上的每一个智能设备都以URL来标示)[23]

架构[编辑]

物联网的架构一般分为三层或四层。三层之架构由底层至上层依序为感测层、网络层与应用层[24];四层之架构由底层至上层依序为感知设备层(或称感测层)、网络连接层(或称网络层)、平台工具层与应用服务层。三层与四层架构之差异,在于四层将三层之“应用层”拆分成“平台工具层”与“应用服务层”,对于软件应用做更细致的区分[25]

感测层[编辑]

寻址资源[编辑]

物联网的实现,需要给每一个连上物联网的对象分配唯一的标识或地址。最早的概念是由无线射频识别标签和电子产品代码英语Electronic Product Code所发展出来的[26]。现在物联网与互联网链接后,由于预估需要大量的IP地址,目前主流的IPv4地址空间有限,因此物联网中的对象倾向使用下一代互联网协议(IPv6),以提供足够的地址空间,IPv6对于物联网的发展扮演重要角色[27]

网络层[编辑]

物联网有多种联网技术可供选择,依照有效传输距离可区分为短距离无线、中距离无线、长距离无线,以及有线技术:

短距离无线[编辑]

中距离无线[编辑]

  • 高级长期演进技术(LTE-Advanced)– 高速蜂窝网络的通信规范。通过扩展的覆盖范围,提供更高的数据传输量和更低的延迟[35]
  • 5G - 新一代移动通信技术,提供高资料速率、减少延迟、节省能源、提高系统容量和大规模设备连接[36]

长距离无线[编辑]

有线[编辑]

应用层[编辑]

应用层在物联网四层架构中可再细分为“平台工具层”与“应用服务层”。平台工具层为底层的软件平台,作为应用服务层与网络层的接口,以支持各类的软件应用。可归类于“平台工具层”包括大数据区块链软件定义网络软件定义存储软件定义数据中心英语Software-defined data center安全通信英语Secure communication杀毒软件人工智能相关(如自然语言处理深度学习语音识别模式识别电脑视觉...)等;应用服务层针对不同的应用需求,直接呈现原始资料,或经过加值处理,借由人机界面提供用户,或是对应的硬件/软件目标得到想要的信息。可归类于“应用服务层”包括虚拟现实/增强现实人机交互服务导向架构永续发展相关(生命周期评估节能碳足迹...)等[25]

在应用层中,通常使用多种编程语言撰写应用程序,使用HTTPSOAuth之协议。在平台后端使用各种形式的数据库系统,例如时间序列数据或是后端数据存储系统(如CassandraPostgreSQL等)[41]

大多数的物联网系统均是建构在云计算之上,在云当中具备事件队列(event queuing)与消息传递系统,这些系统可以处理在各层级中所需要的通信[42]。一些专家将工业物联网(IIoT)中的三层分类为边缘、平台和企业,它们分别透过邻近网络、接入网络英语Access network服务网络英语Service network来连接[43]

美国国家标准暨技术研究院(NIST)对于云计算的定义中,将服务模式分为软件即服务(SaaS)、平台即服务(PaaS)、基础设施即服务(IaaS)三种[44]

智能物联网(AIoT)[编辑]

智能物联网(AIoT)为物联网与人工智能的结合,以实现更高效率的物联网运作,改善人机交流、增强数据管理和分析。人工智能可用于将物联网数据转化为有用的信息,以改善决策流程,从而为“物联网资料即服务”(IoT Data as a Service,IoTDaaS)的模式奠定基础[45]

智能物联网的出现,对于物联网与人工智能两者均会产生变革,增加彼此之间的价值。因为人工智能通过机器学习功能,使得物联网变得更有价值;而物联网通过连接、信号和数据交换,使得人工智能可以获得更丰富的数据源。随着物联网遍及许多行业,将有越来越多的人为的、以及机器生成的非结构化资料英语Unstructured data,智能物联网可在资料分析中提供有力的支持,在各行各业中创造新的价值[45]

应用[编辑]

消费者应用[编辑]

Google Nest自动调温器,可报告能源使用和当地天气情况
August Home英语August Home公司的智能门锁,支持HomeKitGoogle个人助理Amazon Alexa等多平台

有越来越多的物联网设备可供消费者选用,包括联网的车辆、家庭自动化、联网的可穿戴设备、联网的健康监控设备,以及远程监控设备[46]

苹果公司HomeKit为该公司之智能家庭平台,用户可以透过iPhoneiPadApple Watch等设备的APP接口,或是由Siri语音控制支持Apple HomeKit标准的家用设备,如电视电灯空调水龙头[47],目前支持28类设备[48]。其他类似、但功能与范围不尽相同的产品包括GoogleGoogle NestGoogle个人助理AmazonAmazon EchoAmazon Alexa三星SmartThings英语SmartThings小米小爱同学联想Lenovo Smart Assistant[49]。另外还有一些开放平台OpenHAB英语OpenHAB、Domoticz等[50][51]

另一项主要的应用为辅助老年人残疾人士[52],例如语音控制可以帮助行动不便人士,警报系统可以连接至听障人士的人工耳蜗[53],另外还有监控跌倒癫痫等紧急情况的传感器[54],这些智能家庭技术可以提供用户更多的自由和更高的生活质量[52]

工业应用[编辑]

物联网在工业的应用称为工业物联网(Industrial internet of things,IIoT)。工业物联网专注于机器对机器(Machine to Machine,M2M)的通信,利用大数据人工智能云计算等技术,让工业运作有更高的效率和可靠度。工业物联网涵盖了整个工业应用,包括了机器人医疗设备和软件定义生产流程等,为第四次工业革命中,产业转型至工业4.0中不可或缺的一部分[55]

大数据分析在生产设备的预防性维护中扮演关键角色,其核心为信息物理系统。可透过5C“连接(Connection)、转换(Conversion)、联网(Cyber),认知(Cognition)、配置(Configuration)”之架构来设计信息物理系统,将收集来的数据转化为有用的资料,并藉以优化生产流程[56]

农业应用[编辑]

物联网在农业中的应用包括收集温度降水湿度风速病虫害土壤成分的数据,并加以分析与运用。这样的方式称为精准农业,其利用决策支持系统,将收集来的数据做出精准分析,藉以提高产出的质量和数量,并减少浪费[57]

2018年8月,丰田通商微软近畿大学水产研究所合作,利用Microsoft Azure的物联网应用包,开发出于水产养殖辅助系统。水产养殖为劳力密集的工作,鱼苗必须由人工进行分类,以确保每条鱼的大小适当且无畸形。借由辅助系统的导入,可以大幅减轻人力负担,将有经验的人移至更高附加价值的工作[58][59]

商业应用[编辑]

医疗保健[编辑]

医疗物联网(Internet of Medical Things,IoMT)为物联网应用于医疗保健,包括数据收集、分析、研究与监控方面的应用,用以创建数字化的医疗保健系统[60][61][62][63]。物联网设备可用于激活远程健康监控和紧急情况通知系统,包括简易的设施如血压计、便携式生理监控器,至可监测植入人体的设备,如心律调节器人工耳蜗[64]世界卫生组织规划利用移动设备收集医疗保健数据,并进行统计、分析,创建“m-health”体系[65]

由于塑料与电子纺织品英语E-textiles制造技术的进步,使得一次性使用的IoMT传感器已达到相当低的成本[66]。对于即时医疗诊断应用的创建,可携性与低系统复杂性是不可或缺的要素[67]。物联网在医疗保健的应用,于监测慢性病、以及疾病的预防和控制中产生很大的功用,透过远程监控,医院与卫生相关机构可以获得患者的数据,并可做进一步分析[68]

交通[编辑]

物联网可以帮助集成通信控制信息处理。物联网的应用可以扩展至运输系统个层面,包括载具、基础设施,以及驾驶人。物联网组件之间的信息传递,使得载具内以及不同载具之间可以互相通信[69],达成智能交通灯号英语Smart traffic light、智能停车、电子道路收费系统物流车队管理主动巡航控制系统英语Adaptive cruise control,以及安全和道路辅助等应用[70][71]

例如,在物流车队管理中,物联网平台可以通过无线传感器持续监控货物和资产的位置和状况,并在发生异常事件(延迟、损坏、失窃等)时发送特定警报。这必须借助物联网与设备之间的无缝连接才可能实现。利用GPS湿度温度传感器将数据发送至物联网平台,随后对数据进行分析,并将结果发送给用户。如此,用户可以跟踪载具的即时状态,并做出适当的处置。如果与机器学习结合,还可以进行驾驶睡意侦测英语Driver drowsiness detection,以及提供自动驾驶汽车等来帮助减少交通事故[72]

基础设施应用[编辑]

物联网在基础设施的运用主要在监控与控制各类基础设施,例如铁轨桥梁,海上与陆上的风力发电厂废弃物管理等。透过监控任何事件或结构状况的变化,以便高效地安排维修和保养活动[71]

目前全球有数个大规模部署的案例正在进行中,例如韩国松岛国际都市。这是一座设备齐全的智能城市,对于能源使用、交通流量进行精密的控制,各家户垃圾透过管道集中至废物处理中心,然后在这里进行自动分类,与再回收利用。截至2018年6月约70%的商业区已竣工[73]

西班牙桑坦德为另一个应用案例。这一座人口约18万的都市,安装了超过两万个传感器,主要应用于三方面:(1) 交通:透过手机APP可以即时获得停车位信息,并引导至该处停车;(2) H2O 2.0:可即时获得用水信息;(3) 公园智能空间英语Smart environment:可随温度湿度调整洒水系统,并检查公园内垃圾桶的垃圾量[74]

军事应用[编辑]

军事物联网英语Internet of Military Things(Internet of Military Things,IoMT)是物联网在军事领域中的应用,目的是侦察、监控与战斗有关的目标,主要受到未来将于城市环境中战斗影响。军事物联网相关领域包括传感器车辆机器人武器可穿戴式智能产品,以及在战场上相关智能技术的使用[75]

战地物联网(The Internet of Battlefield Things,IoBT)是一个美国陆军研究实验室英语United States Army Research Laboratory(ARL)的研究项目,着重研究与物联网相关的基础科学,以增强陆军士兵的能力[76]。2017年,ARL引导了战地物联网协作研究联盟英语IoBT-CRA(Internet of Battlefield Things Collaborative Research Alliance,IoBT-CRA),创建了产业、大学和陆军研究人员之间的工作合作关系,以推展物联网技术及其在陆军作战中的应用的理论基础[77]

批评、问题与争议[编辑]

安全性[编辑]

安全性是物联网应用受到各界质疑的主要因素[6],质疑之处在于物联网技术正在快速发展中,但其中涉及的安全性挑战,与可能需要的法规变更等,目前均相当欠缺[7][8]

物联网面对的大多数技术安全问题类似于一般服务器工作站智能手机[78],包括密码太短、忘记更改密码的默认值、设备之间传输采用未加密信号、SQL注入未将软件更新至最新版本[79]。另外,由于多数物联网设备计算能力相当有限,无法使用常见的安全措施例如防火墙、或是高强度的密码[80];许多物联网设备因为价格低廉,因此无法有人力与经费支持,将软件更新至最新版本[81]

安全性较差的物联网设备可能被当作跳板以攻击其他设备。2016年时发生恶意程序Mirai(辞源:日文“未来”)感染物联网设备,以分布式拒绝服务攻击(DDoS)攻击DNS服务器与许多网站。在20小时内,Mirai感染了大约65,000台物联网设备,最终感染数量为20~30万台。感染设备之国家分布以巴西、哥伦比亚和越南居前三位,设备包括数字视频录影机网络监控摄影机路由器打印机等,以厂商区分依序为大华股份华为中兴通信思科合勤[82][83]。2017年5月,Cloudflare的计算机科学家Junade Ali指出,由于发布/订阅(Publish–subscribe pattern)的不当设计,许多物联网设备存在DDoS漏洞[84][85]。利用这些漏洞的将物联网设备作为跳板的攻击,是互联网服务的真正威胁[86]

产业界对各界质疑安全性问题做出了回应,“物联网安全基金会”(IoTSF)于2015年9月23日成立,期借由倡导知识与最佳实践使得物联网更加安全[87]。此外,一些公司也推出创新解决方案,以确保物联网设备的安全性。2017年,Mozilla公司推出了“Project Things”,该项目可以通过安全的“Web of Things”网关与物联网设备创建加密连线[88]美国信息安全专家布鲁斯·施奈尔(Bruce Schneier)认为将物联网纳入政府监管业务是有必要的,以确保产业界生产的物联网设备可以遵守安全规范,以及出事的时候有人负责[89]

平台分散[编辑]

物联网的一大问题为平台分散、跨平台之可操作性低,以及欠缺通用技术标准[90][91]。物联网设备种类繁多,以及硬件与在其上运作的软件之间的差异,使得开发系统时,各应用程序保持一致变得很困难[92]

物联网无定形(amorphous)的计算特性往往会造成安全性问题,因为在核心操作系统中发现的错误修补,通常无法涵盖较早期且入门级的设备[93],一组研究人员表示,设备供应商未能通过补丁和更新支持较旧的设备,导致超过87%的现行Android设备容易受到攻击[94]

相关条目[编辑]

参考资料[编辑]

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