文．Jim Chase

　　萬物聯網的遠景雖令人期待，但實現的過程將挑戰重重，尤其各種垂直系統因通訊層設計不一，故難以水平連結。目前產業界已積極著手制定物聯網相關技術協議及開發相對應的芯片方案，進而加速整體環境的成形。

　　一般認為物聯網(IoT)意指鏈接設備至網絡，并藉此遠程監控。此種定義相當狹隘，僅涵蓋部分物聯網內容，不過是將現有機器對機器(M2M)應用換個名稱罷了；而廣義來說，必須從聯網設備到數據生活、預見挑戰與網絡環境整備度等各個面向著手，才能真正開啟物聯網時代。

　　物聯網發展完備后，將可創造出一個智能且無形的網絡結構，可加以感測、控制與設定。具備物聯網功能的產品將運用嵌入式技術，直接或間接與彼此或網絡溝通。1990年代，網絡開始在企業與消費市場普及，但由于網絡互連效能低落，用途相當有限；進入2000年后，網絡聯機成為多種應用的常態，今日更是許多企業、工業與消費產品藉以存取信息的管道。不過這些裝置僅是存在于網絡當中的設備，仍須透過應用程序與接口，進行人為互動與監控，相較之下，物聯網的真正前景才剛剛開始要實現，將以無形科技在幕后運作，讓設備能夠動態因應人類需求。

圖1　移動裝置、穿戴式電子及聯網汽車等物聯網產品可望在2020年突破五百億部大關。

　　目前全球共有約五十億部“智慧”聯網設備，預估至2020年規模將增至五百億部(圖1)，你我也可望見證突破一兆部的時刻。這個數字確實龐大，但若要達成這項目標，現今的設備部署架構反而是一大障礙，唯有簡化設備連結與溝通的方式，業界才可能實現五百億部聯網裝置的中長期理想。

　　垂直系統鏈接不易　物聯網環境發展受阻

圖2　網絡營運中心的概念正逐漸延伸至在智慧家庭，聯網家電將在無形中為消費者提供服務。

　　早在因特網這個名稱出現之前，許多制造商就已將設備鏈接至網絡。嵌入式產品自1990年代中期加裝網絡服務器。過去15年間，M2M制造商已逐步將網絡聯機系統整合至高價值資產追蹤(Asset Tracking)、警報系統、車隊管理等類似產品。雖然有些M2M系統采用業界標準協議，制作起來仍有難度，但隨著終端節點的高效能處理器日益普及，整合M2M系統變得容易許多，且處理器支持高階操作系統及程序語言，讓平臺可運用智慧架構。這些系統通常與高端商業服務層相連，并由網絡營運中心(NOC)管理(圖2)。

　　目前消費市場上已出現各種聯網產品，如恒溫器、能源量表、照明控制系統、音樂串流與控制系統、遠程影音串流盒、泳池系統和灌溉系統等，未來的市場發展潛力看俏。多數系統可透過網站相互鏈接，方便用戶透過一般網絡瀏覽器或智能型手機應用程序加以管理，發揮個人網絡營運中心的功能。

　　雖然物聯網在工業與消費領域發展均令人期待，但由于系統之間毫無鏈接且屬垂直性質，整體網絡建置并未因此簡化。各系統或許能采用一模一樣的協議與操作系統基礎，可是通訊層的設計卻不一致；縱然使用開放應用程序編程接口(API)，但因為無水平連結，因而未能簡化跨應用整合。

　　以灑水器控制系統為例，其藉由傳感器、網絡氣象數據與可編程控制機制，而實現可判斷灑水時機的智能功能，可是系統卻未鏈接住家周圍的動態感測裝置，故自動灑水系統可能淋濕小狗或兒童。

　　由于控制器無法取得來自動態感測裝置的信息，故得運用其他動態控制垂直整合，將數據傳輸至另一部云端服務器；再想辦法讓兩部云端服務器相連，并盼望這兩次整合后還能增加少許控制空間。然而，電子系統的運作不該仰賴“盼望”，若使用Perl、Python、PHP或其他程序語言，在服務器內額外設計一套垂直應用，將可建立鏈接，依據動態數據延后灑水時間。不過如此構想需要高度專業才能實踐，故無法迅速建置。

　　因為市場有連結垂直整合的需求，IFTTT.com與zAPIer.com等新式網絡服務應運而生，協助用戶以圖像化方式串連個別垂直系統，不過用戶得先注冊加入另一服務項目，確認應用程序編程接口是否符合特定垂直整合需求。這些網絡平臺只能提供基本的服務選項，例如“若收到妻子寄來的電子郵件，就自動發送簡訊至手機”，并假設日后不會出現更多的流量控制需求。

　　在前例中，假如灑水器系統具備延遲控制應用程序編程接口，即可設定“若感測到動態，就延后灑水”；這種模式包括三項服務、三次登入(且必須在第三項服務下進行管理)、三種不同的智能型手機應用程序，而且有好幾個故障點(Points of Failure)。如果用戶希望整合上述服務與個人行事歷，確保舉行戶外家族聚會時草皮能保持干爽，情況將更加復雜。

　　結合移動/穿戴式電子　物聯網勾勒智慧生活

　　雖然上述應用很有意思，仍無法加速物聯網普及。毫無疑問，未來自造者社群肯定會打造新的工具，也將有新的垂直應用與載具問世，但物聯網并不只是簡單的垂直一次性文字簡訊或推特(Twitter)發文。那是有趣的示范案例，可是欠缺擴充性與垂直系統整合。物聯網應傳遞訊息，但也需要簡易途徑，方便裝置程序運作，以及響應其他裝置或服務，無需復雜程序環境便可打造高科技應用。

　　舉例來說，消費者一旦允許蘋果(Apple)與Google追蹤所在位置，預訂的旅館可事先得知該訂戶大約何時抵達，也能透過其身上智能手表的溫度及濕度傳感器，知道長途旅行的訂戶熱得滿身大汗，途中旅館房間仍處于休眠狀態(未開燈、拉上窗簾、維持最佳休眠室溫)，但當消費者一抵達旅館，門房就能藉由物聯網系統知道是該房間訂戶，而車輛也因為偵測到門房人員接近，自行調整座椅。

　　不僅如此，系統也能掌握消費者喜歡自己拎行李的習慣，故行李員并未上前；當一接近旅館大廳，智能型手機將自動下載安全房鑰應用程序；走進電梯時，房間已依據智慧手表回傳的感測數據調節合適溫度，燈光明暗、音樂與隱私設定均依照消費者要求而定。快走到房門時，安全房鑰應用程序已打開門鎖；晚上準備就寢時，房間偵測到照明已關，便會依據個人喜好調整室溫。

　　以上情境里，這家連鎖飯店每個房間均設有多個感測及致動器(Actuator)，每輛租賃車亦然；而消費者也穿戴著多種感測及啟動裝置，例如以手表震動做為提醒，不必時時透過智能型手機觸控屏幕，指揮聯網設備采取移動，不過手機的確是與用戶活動息息相關的網關；未來這會是無數人日常生活的一部分，聯網數據將無所不在。

　　然而，這樣的物聯網愿景不會一夕之間發生，若要達成所需網絡規模，唯有創造最小公分母，制定全球通用的簡易訊息傳遞配置，也必須仿照自然，以有機方式發展。目前物聯網技術協議與數據結構仍受限于設計復雜度、安全性和延展性等。聯網裝置將會愈來愈復雜，但使用方式必須愈來愈簡單。模擬與數字的界線將變得模糊，縱然世界上每個人對幕后技術毫無所悉，依然能夠主宰個人生活環境。

　　物聯網下一步　追求垂直與水平應用均衡

　　今日人們所知的網絡(嚴格來說就是HTTP技術)，其實源自于Tim Berners-Lee的利他概念，希望透過開放平臺讓全球每個人都能相互連結。過往只有企業專用網絡，信息分享近乎于零，亦即網絡時代之前的垂直模式，直到ARPANET奠定一部分基礎與傳輸協議，啟動網絡迅速發展，亦衍生出國防數據網(DDN)、國家科學基金會網絡(NFSNET)等。后者在公私部門經費贊助下，演變為因特網建構基石。今日網絡內充斥各種垂直應用，全都建基于簡易的鏈接與信息傳送平臺。

　　目前制造商有各種垂直應用需求，部分或許利他，但多數背后都有利益考慮，否則未來發展也不可能出現；但水平均衡須要利他。未來物聯網將是人類史上最大水平系統架構，垂直應用依然存在，可是最根本的低階鏈接與信息傳遞功能，必須普遍存在與隱身于所有應用程序當中。

　　此外，為達到水平均衡，物聯網也必須更近似有機系統。當細胞復制時，會以DNA形式傳遞基本信息，細胞結合后則形成自動機制階層，運用神經系統來建構與保護細胞結構，亦即人體內的水平整合形式。每個人身上皆存在無數細胞，韌性極高，不必“重新啟動”亦可連續運作逾百年。因此打造基礎信息與裝置架構時，必須先研究有機系統。

　　或許有人認為，因特網具備有機系統特質。但今日網絡多數流量均匯聚至少數極巨大的數據管線。最初的網絡架構較為“扁平”，較接近點對點(Peer-to-peer)性質。過往帶寬需求相當低，最大流量僅來自訊息傳輸，后來由于豐富的影音與實時信息迫使大型線路興起。

　　主從式架構為今日主流，背后大多由內容匯流者與大型線路公司推動。隨著產業進步，未來將逐漸回歸較扁平的架構，大型線路不會消失，繼續支撐高帶寬與實時需求。不過當物聯網聯網裝置數量破兆后，將出現多重數據流動路徑，這個巨大點對點平臺的匯流帶寬將遠超過大型線路效能。

　　下一代物聯網挑戰艱巨

　　物聯網的網絡若無法規范，就會完全中立與隱形，后代甚至不會知道何謂“因特網聯機”，不過前提是各方必須對物聯網基本單位達成共識。若想為物聯網水平架構打造最低層技術，制造商得著手處理以下最根本的難題：

　　· 網絡鏈接

　　未來不會有單一獨大的網絡鏈接標準，勢必由多種有線與無線標準并存，再加上各種專屬應用來串連物聯網內各種設備，而難題在于如何讓連結標準彼此構通，使用流通全球的數據單位。

　　· 電源管理

　　愈來愈多以物聯網連結的設備將以電池供電，或運用能源采集(Energy Harvesting)技術，變得更容易攜帶且能源自給自足；有線設備必須提高能源效能，而難題在于如何以簡易方式，在這些裝置與設備中加入電源管理功能；無線充電將結合連結與充電管理。

　　· 信息安全

　　物聯網傳輸大量數據，故信息安全至關重要，必須內建資安硬件與運用現有鏈接資安協議，鞏固物聯網安全；另一難題在于如何教育消費者，善用裝置內建的資安功能。

　　· 網絡復雜度

　　制造商希望擴大物聯網規模，涵蓋過往并無鏈接功能的裝置與設備，尤其是射頻(RF)編程相當復雜時，設計與研發必須簡易，才可能增加聯網裝置數量；此外，還要讓一般消費者在不需任何技術背景的前提下，也能設定與使用裝置。

　　· 產業迅速演進

　　物聯網不斷變遷演進，每天都新增更多裝置，相關產業也尚在萌芽階段。業界面臨的難題在于其中有太多未知元素，包括裝置、應用和用途等一概未知，故必須在各個發展層面保有彈性。

　　因應上述挑戰，業界認為介于16～1,500MHz的處理器與微控制器(MCU)必須搭配各種應用，例如無線小型能源采集感測節點的微控制器，或是物聯網基礎架構的高效能多核處理器，同時還需要各種有線及無線連結技術，滿足市場多樣需求。最后則是各種傳感器、混合訊號與電源管理技術，供物聯網與節能設計做為用戶接口。

　　進軍汽車/照明/穿戴式應用　物聯網將改變生活型態

　　無庸置疑，物聯網將改變你我生活、工作及玩樂方式，無論是廠房自動化、汽車連結、穿戴式人體傳感器或家電；物聯網也將觸及生活各個面向，讓用戶能運用周遭網絡主宰生活，依據個人環境及來自其他系統的信息，時時變換與調整。

　　舉例來說，在物聯網環境下，汽車將能感測其他來車，避免事故發生，讓生活更安全；照明系統將依據窗外光線明暗調整，讓生活更環保；穿戴式裝置能偵測心臟病與中風可能發生，讓生活更健康。只是，邁向2020年的物聯網仍是條漫漫長路，但途中肯定處處驚喜。

　　因應物聯網發展，芯片商已推出許多解決方案，涵蓋有線與無線連結技術、微控制器(MCU)、傳感器、模擬訊號鏈與電源管理，同時也提供云端系統方案，以加速建置物聯網環境。無論是智慧家庭、工業與汽車應用、電池供電的穿戴式電子、能源采集無線感測節點(WSN)，相關業者皆須備妥各項軟硬件工具，方便各種裝置加入物聯網。

　　(本文作者任職于德州儀器策略營銷部門)