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物聯網(IoT)未來的市場規模究竟有多大？根據市調機構Forrester預測，物聯網所帶來的產業價值將比網際網路更高30倍，可望成為下一個兆元級的通訊產業，使其它任何一種技術市場都相形見絀。

根據所探討的對象不同，對於物聯網(IoT)的定義也各異其趣，同時還包含了生活的諸許多方面——從連網家庭與城市到互連的汽車與道路；再到追蹤個人行為的設備，以及使用所收集的資料“推播”新服務等應用。有些分析師預計在2025以年，透過聯際網路連接的設備將超過一兆台，並將手機定義為連接所有這些連網設備應用的“眼睛和耳朵”。此外，還有一些分析師則看好像Google Goggle之類的服務以及目前還未出現的一系列設備，很快地也將成為現實。

物聯網對每個人來說分別代表不同意義。

每個人都認為，象徵數十億互連應用的物聯網就像是雲端運算中的全域‘神經網路’，它將貫穿我們生活的每個方面。種種公開討論顯示物聯網終將成為主流媒體的熱門話題。近期的許多文章將物聯網定義為：機器與物件之間的交互和(大量)資料交換。因此，從技術角度來看，物聯網被定義為智慧機器與其它機器、物件、環境和基礎架構之間的互動與通訊，並產生大量資料以及對這些資料進行處理，使其成為富有意義的行動──可‘命令與控制’事物以及使人類生活變得更輕鬆......就類似於動畫電影《摩登家族》(The Jetsons)所設想的世界一樣。

儘管對於物聯網未來市場規模的估計眾說紛紜，但多數專家認為，它最終將使其它任何技術市場都相形見絀。就當今的成熟市場看，無所不在的消費設備就是行動電話。想想自己家中共有多少支手機，然後數一數窗、門、電源插座、燈具、電器、暖器和空調的數量。你很快就會明白，為什麼物聯網市場的規模將大大超過手機市場，至少在西方世界會如此。

讓東西變得智慧
在網路上搜尋一下有關‘物聯網’的關鍵字，你馬上就會發現‘智慧’一詞已經被過度使用了。那麼，當我們說某件物品具智慧化時，它真正的意思是什麼？什麼原因可讓物品變得智慧？如何將一款不被視為智慧化的冰箱或烤箱變成‘智慧家電’？

如今，我們看到了周遭世界已充斥著電氣化。目前幾乎任何一款生產出來的產品中都內含一個嵌入式處理器(通常是微處理器，即MCU)，以及可借由添加可程式設計性和確定‘命令和控制’功能的使用者介面。世界的電氣化和嵌入式處理的普及是使得物件具有‘智慧’的關鍵。

家中那台以機械式控制烤麵包顏色的舊型式烤麵包機，現在可再加上一個MCU，改由透過MCU來控制烤麵包的顏色。新式烤麵包機可以更一致且可靠地完成任務，另外，因為它現在是一台‘智慧’型烤麵包機，具有能與你透過觸控面板或開關以電子方式溝通的能力。

一款設備在整合嵌入式處理能力而具有智慧後，下一個步驟當然就是以這款智慧設備進行遠端通訊，以使我們的生活更輕鬆些。例如，如果我在辦公室工作到很晚，為了安全起見，我可以透過筆記型電腦或手機遠端開啟家裡的燈嗎？

通訊能力和遠端手動控制導向了下一個問題──如何使設備自動化？如何根據我的個人設定和複雜的雲端處理，使需求的行動不必再透過我的介入而自動發生？這是物聯網應用的最終目標。而且，對於利用網際網路來實現這一目標的那些連接應用來說，他們必須先變得‘智慧化’(內建一款獨特ID的MCU/嵌入式處理器)，然後加以連接並可被控制，最後，提供一種可讓使用者的生活變得更舒適輕鬆的全新服務類型。

物聯網技術的功能架構圖。

讓我們看一些與物聯網相關的應用類型。雖然不同產業考慮且確定了數以百計的應用，但這些應用可透過簡單、合乎邏輯的方式加以歸類。

第一類包括數以百萬計異質且具有‘認知’的互連元件，透過唯一ID而與其它機器/物件、基礎設施和外在環境進行互動。在該類應用中，物聯網在很大程度上扮演著遠端追蹤、命令、控制和路由(TCC＆R)的角色。就物聯網的各方面來說，安全和可靠是最重要的。這些應用並非關於個人行為的資料採集(如無孔不入的監控)，而是擴展有助於簡化人們生活的機器到機器(M2M)、機器到基礎設施(M2I)和機器到自然(M2N)的通訊自動化。

第二類則有關於如何利用由終端節點(具感知和連接能力的智慧設備)收集到的資料，並針對可產生有效市場資訊的趨勢與行為進行資料探勘，從而開發出更多商品。

信用卡公司和會員購物俱樂部已經追蹤並利用人的消費行為，用於參考如何推出更多可促進銷售的商品。現在的問題是資料探勘將能走多遠？應用案例包括你在商場的逛買追蹤行為──你逛了哪條走道？你在哪些商品區所花最多時間？甚至記錄你拿起哪些商品來看。

使用手機的GPS功能、商場裡的RFID標籤、智慧標籤和無線標籤，就能夠輕易地實現上述結果，它可能就像提供電子郵件或在銷售點的推播服務一樣簡單。或者，它還可能擴展到更多應用，例如，汽車保險公司可能追蹤你的駕駛習慣和經常前往的地點以確定風險因素，從而決定你每個月的汽車保費。你甚至還可能看到這一類的應用如何發展成不合理的「滑坡謬誤」(slippery slope)，以及物聯網如何容許從個人日常生活各方面收集資料與進行歸類；當然，最後也可能發生令人滿意或不愉快的結果。

當他人得以掌握一個實體、個人或組織的內容(因而知道其身份、位置、活動與時間)，那麼，能在什麼程度內使用這些資料？該實體、個人或組織在資料被如何使用方面又有什麼樣的發言權？特別是第二類的相關應用，在如今一個具有‘自我意識’的連網世界中，引起了對於隱私、安全、管理和社會責任的廣泛討論。

現在，我們將專注於討論第一類應用－－特別是使物聯網得以實現追蹤、命令、控制與路由(TCC＆R)用途所需的技術和設備。

物聯網應用
當設備得以透過網際網路實現感知與通訊，就能具備超越本地嵌入式處理的能力，以接取並利用遠端超級電腦節點。這讓設備可在不需人為介入的情況下執行更先進的分析，執行複雜的決定以及快速回應本地需求。

最常見的物聯網應用包括：
無所不在的遠端追蹤/監控與控制和路由(TCC&R)：這是指遠端追蹤/監控，以及依需要增加命令、控制和路由功能，以實現目前通常用手動或需要更多基礎設施才能進行的任務與處理。例如，例如，目前大多數家庭都以手動開/關電燈、設定溫度區間以及開/關洗衣機。未來，門、窗、電源插座、電器及許多其它類型的獨立設備將成為具有唯一ID的‘智慧’設備。這些智慧設備可透過有線或無線通訊連接，讓用戶能以筆記型電腦或手機遠端監視自己的家、更改冰箱或洗衣機的設定以及打理家務。事實上，目前的保全公司或網路服務供應商已經能提供這一類的服務了，但規模仍小，功能也仍十分有限。

資產追蹤：目前的資產追蹤是透過條碼和各種手動步驟完成的，但在未來，將可充分利用智慧標籤、近場通訊(NFC)和RFID，在全球範圍內互動式地追蹤各種物件。目前一些公司開始使用的‘地理標記’一詞即指此類應用。未來，用戶將能夠利用Google Earth來追蹤任何帶RFID標籤的目標。另外，家中冰箱可以追蹤帶智慧標籤的食品，並透過手機通知你冰箱中的某種食品存量不足。如果一包冷凍蔬菜可以加上智慧標籤，那麼，更有價值的汽車、珠寶和皮包也可以附加智慧標籤，並可透過網路進行追蹤以及利用各種基於網路應用的好處。一些與遠端醫療相關的服務也屬此類。圖中顯示如何在遠端監控藥物在人體內的運作情形。

製程控制最佳化：這是採用各種感測器(無論是否具啟動能力)進行監測並提供資料以使過程可被遠端控制的應用。這可能就像在輸送帶上用相機定位各種尺寸的箱子，而使標籤機可正確地將標籤貼印在箱子上一樣地簡單。該任務可即時進行：將資料傳送到遠端電腦，進行分析後再傳回指令至產線上，使其採取可改善流程的各種控制行動，完全無需人力介入。

資源配置與最佳化：智慧能源市場提供了此類應用的一個理想用例。‘智慧能源’一詞已用於各種情況中，但它基本上指的是接取至有關能源消耗的資訊，並因應該資訊而使資源配置(能源使用)最佳化。以家庭為例，一旦用戶知道一直在用電高峰時段、電網最不堪重負以及電價最高時使用洗衣機，他們就可以改在非用電高峰時段洗衣，不僅節省了金錢也有助於電力公司解決用電高峰需求的問題。

背景認知自動化和決策最佳化：這一類應用最具有吸引力，因為它指的是監控未知因素(設備和基礎設施間的環境與互動等)，並由機器來做出最‘類似人類’會做的決策，甚至還更高明！

以一項交通防撞系統(TCAS)為例，在該系統中，當兩架飛機在同一航道彼此飛近時，兩架飛機上的‘機器’將接管飛機的指揮權。該系統首先發送一項語音警示、警告飛行員前方面臨危險，同時，兩架飛機將彼此進行通訊，決定每架飛機該如何飛以避免碰撞。其前提假設是如果兩名飛行員都接到警告，並迅速做出決策、採取行動，他們可能會同時決定轉彎，那麼仍可能造成碰撞。”

目前已有許多新技術正開發中，能夠讓汽車之間以及與中央控制單元進行通訊。這些智慧汽車還能感知道路、交通標誌以及車道線，並使用GPS和通訊鏈路，來迴避迎面駛來的車輛、避免轉彎處易發的意外，以及與中央控制單元配合、繞過可能發生坍塌的橋樑。

透過物聯網可遠端監控藥物在人體內的情形。

遠端病人監測是該應用的另一個例子。例如，想像一個持續追蹤老年患者的生理指標並在輸出異常時發送訊號的可植入感測節點。如果病人對於所服用的藥物沒有反應，該節點可自動撥打緊急電話給緊急連絡人，如果沒有回應，將接著聯繫第二個位絡人；最後，如果都找不到連絡人，該節點便會迅速聯繫進行監測的診所或快速提供其它緊急救助。另一個例子是慢性病的連續監測，能夠在最少人為介入的情況下，協助醫生決定最佳的治療方案。

實現上述各種相關應用的必要條件包括：

1. 感測與資料收集能力(感測節點)
2. 本地嵌入式處理能力層(本地嵌入式處理節點)
3. 有線和/或無線通訊能力(連接節點)
4. 支援自動執行任務並實現新一類服務的軟體
5. 遠端網路/基於雲端的嵌入式處理能力(遠端嵌入式處理節點)
6. 完整的訊號路徑安全性。

在上面提到的工廠自動化例子中(為箱盒貼標籤)，相機使用電荷耦合元件(CCD)感測器(感測節點)檢測資訊，然後使用有線或無線通訊技術(連接節點)將收集到的資料發送至嵌入式處理器/控制器(嵌入式處理節點)，再由遠端伺服器(遠端嵌入式處理節點)進行決策並傳回命令(連接節點)，而產生一項進行校正的機械行動。

以一款智慧汽車說明情境感知自動化和決策最佳化的情況。智慧汽車使用其主動安全雷達系統(感測節點)，結合影像處理相機(感測節點)，即能與汽車中控台的嵌入式處理器(嵌入式處理節點)通訊，並根據前方面臨的危險做出適當決定。或者，汽車可以利用內建的GPS和廣域網路(WAN)無線通訊功能(連接節點)，透過網路(雲端)將資訊傳送到中央處理伺服器(遠端嵌入式處理節點)，讓汽車瞭解它剛從感測器(感測節點)收到的資訊——前方有一座受到暴雨洪水衝擊導致結構破壞的不穩定的橋樑，從而引導汽車走另一條路、以免發生危險。

物聯網的基本建構模組
感測節點：取決於所涉及的應用不同，物聯網所需的感測節點類型也相當廣泛多元。感測節點包括用於影像監測的照相機系統；智慧能源所需的水或瓦斯流量計；需要主動安全時的雷達視覺；檢測物體或人出現的RFID讀取器；可檢測建築物被入侵的門和鎖(內含開/關電路)；或測量溫度的一個簡單溫度計。

這些節點都將帶有唯一ID，可透過遠端命令和控制拓撲分別進行控制。目前的應用是：帶RFID和/或NFC和GPS功能的智慧手機可接近建築物內分別支援RFID/NFC功能的‘物件’並與其進行通訊，以及在網路上記錄其實體位置。因此，RFID和NFC將在遠端登記註冊應用中佔有一席之地，並且，最終將在物聯網的指揮和控制中大放異彩。

本地嵌入式處理節點層：嵌入式處理位於物聯網的核心。本地處理能力最常見的是由微控制器、混合微控制器/微處理器(MCU/MPU)或整合MCU元件提供的，它們可以提供‘即時’嵌入式處理能力，這是大多數物聯網應用的關鍵要求。另外，充分發揮即時嵌入式處理能力需要可擴展的策略(使用可擴展元件系列)，因為應用案例相當廣泛多元，並不存在一體適用的情況。

智慧電錶應用的軟體服務架構。

以家庭自動化為例，根據住家大小或類型，需求可能包括一種較簡單的網路，或是更複雜、具多層次並由不同層次控制的子網路等結構。例如，在一個家庭中，所有的門窗、電源插座和/或電氣設備及自動調溫器具有簡單的嵌入式控制器，能與指揮和控制整個房子的主控MCU/MPU混合元件通訊。反過來說，主控元件也可以透過網際網路而與各種‘用戶端’進行通訊，這些用戶端包括：安全服務供應商以及其它服務供應商等可使住家具有遠端控制取得遠端控制所有連接物件的能力。在一棟公寓建築內，同樣的想法還可加以擴展至更複雜、分層的網路架構，包括單一住戶級的命令和控制，以及各樓層和整幢建築級的指揮和控制。

有線和無線通訊功能：通訊功能的作用是將收集到的資訊傳送到本地嵌入式處理節點，並將處理後的資訊慱送到由本地嵌入式處理節點確認的目的地。另外，一旦資料在遠端進行處理並產生新的命令後，通訊功能就會將新命令傳回本地嵌入式處理節點以執行任務。

有時，這可能是如下的簡單情況：根據能耗使用而感知到冰箱門沒關上，並在資料分析後，透過機械機構自動關上冰箱門或向住戶的‘家庭自動化應用’發出警示。或者，也可能是是更複雜的應用，如與自動駕駛的車輛通訊，以避免事故發生。

儘管使用情況可能大相逕庭，但這些命令和控制通訊連結的共同點是：除了涉及高頻寬的影像處理或視訊資料以外，對於任何特定節點來說，通常只需傳送幾千位元組的資料。

自動執行任務的軟體：使物聯網涉及的各部分進行通訊和協同作業是技術成功開發的關鍵，這意味著為使機器彼此間以及與其周圍的基礎設施通訊，都必須編寫大量軟體(和中介韌體)。

從現實的細節來看，這意味著需要大量中介韌體，以支援各種異質設備通訊。例如，在智慧電表應用中，類比前端(AFE)讀取數值、MCU對資料進行解讀處理，並使透過通訊信鏈路傳送資料，它一端連接到家庭中，另一端則連接路邊基礎設施。從元件、通訊管線和應用配置的的角度來看，雖然大多數開發人員對於軟體架構有明確想法，但對特定的應用來說，還必須考慮到服務層面的建構。

在此配置中，感測節點(即AFE)使用一個嵌入式處理(MCU)節點解讀數據並透過通訊功能將資料傳送到房中以及路邊的中心嵌入式處理節點。為了使這種交互作用可靠地發生以及無縫地提供服務，需要大量中介韌體與軟體。

遠端嵌入式處理單元(接取至雲端運算)：由於尚無全產業一致認同並採納的物聯網最佳實踐，所以許多元件供應商以其專有雲端來處理設備與雲端之間的連接。有些公司還宣稱可讓所有設備的處理和決策都在其私有雲端中完成。與此相反地，有些人則認為，對於基本的網際網路服務而言，必須接取至雲端的情況相當有限，大部分都可在本地完成處理。本文所描述的物聯網架構和建構模組可用若干不同的方法來實現，由於使用情況和預期配置的多種多樣，這可能也是必要的。為了最佳化系統級性能，物聯網的建置也需要這種靈活性。

那麼，為什麼軟體要這樣大書特書？軟體使物聯網提供的各種服務成為可能。服務是物聯網滿足特定需求的手段。這些需求目前可能已經存在，也可能是一些我們還不知道可能會需要的東西，但總有一天，我們會問為什麼以前從未有過這樣的東西。許多人可能不記得了，一直到20年前，大多數人的生活中並沒有手機這種東西，也沒意識到有這樣的需要；而今，手機已成為人們所擁有最廣泛使用的個人工具。從這方面來看，一些物聯網服務將解決目前容易辨識的應用需求(如資產追蹤、智慧能源等)，但其它服務尚待確定。

整個訊號路徑的完整安全性：有些人將該話題加在物聯網的軟體部分，但該話題值得另立一章特別關注討論。如果上述的所有物聯網架構模組缺少一個穩定可靠的安全機制，那麼物聯網就無法像預期的那樣普及。

當我們提到安全時，我們真正指的是資訊的安全性──在系統各部份傳遞且基於內容和服務的資訊安全。例如，如果有人走失了，能馬上追蹤到這個人的位置，通常會被認為是一件好事。但是，如果這個人覺得隱私被洩露了，知道位置資訊就是一件不好的事。

此處所指的資訊安全是：
資訊在需要時可用：這是最基本的安全級別。如果自己的家中入侵的資訊在第二天才被發送給警方，這些資訊就失去價值了。確保服務及其基本的基礎設施在需要的時間和地點可被進行處理、儲存和傳送資料是一套安全系統的首要要求。在某些情況下，為了確保這一功能，需要更多的基礎設施。

資訊必須保密：因此，資訊擁有者可決定哪些被授權的個人、團體或組織可接觸到這些資訊。保護物聯網服務所能取得的資訊至關重要，否則，這些服務將失去使用者信任。必須建立可靠的機制，才能確保資訊交換的保密性。這是個難以權衡的決定，因為有大量與物聯網相關的服務都是基於利用資料探勘而實現的。這些服務的‘自主’機制會受到物聯網監管的影響。

必須確保資料的完整性：確保資訊的準確、真實、及時和完整是關鍵。除非資料可被信任且十分可靠，否則無法達到預期的目的，而且不合格的資料也將使基於該資料的整個服務模式被顛覆。

維護系統的安全性使其十分穩健而不至於受到任何威脅。一旦系統坍塌，就必須採取另一種可使其恢復安全的新方法。如果近來針對信用卡以及網路上信譽良好的商家而來的個人資訊受到駭客攻擊，可被視為對於物聯網服務面臨挑戰的一種警示，那麼當今的網路安全基礎設施對於要應用於管理物聯網服務來說已捉襟見肘。

2010年夏天，惡意軟體第一次針對電子製程控制系統進行攻擊，而不是以傳統的信用卡和個人資訊為目標。攻擊核電廠內西門子製程控制系統的Stuxnet木馬病毒(Stuxnet Trojan)具有令人難以置信的高複雜程度，顯示出物聯網安全可能被暗中破壞的潛在危機。

元件級的安全性：在物聯網的各種節點中，存在不同類型(MCU、混合MCU/MPU、整合MCU等) 和層級的嵌入式處理能力。對於任何被視為智慧從而可連至網際網路的設備來說，它必須包含一個嵌入式處理器。嵌入式處理器在物聯網內是無處不在的，它們必須是非常安全的。

例如在手機啟動過程，要侵入手機是件多麼容易的事。在手機開機過程中，當軟體執行儲存在唯讀記憶體(ROM)或非揮發性記憶體(NVM)/快閃記憶體內的程式碼時(即執行可程式設計記憶體內的指令時)，微控制器同樣易於受到攻擊。在此過程中，駭客高手可以中斷程式、以各種方式入侵系統。目前雖已出現了許多新技術來解決與被動攻擊(如製造故障)有關的安全問題和侵入性攻擊(如UV攻擊)，但可能還需要更多措施。

物聯網的目的在於將智慧設備部署於一種普遍存在的神經網路，並透過遠端控制。因此，這些可辨識的物件(數十億台)都可能對整個系統產生威脅。在這種潛在的危機下，工程師該學習哪些最有效的方法，以提高物聯網系統中MCU的安全性？

現在應該十分清楚了，未來的網路將把多種物件、機器和基礎設施連接到一個基於雲端服務的全域神經網路。資料與服務的突飛猛進將影響我們的生活，其程度遠遠超過網際網路首次出現及其改變人們溝通方式對於網路和人們的體驗所帶來的衝擊。在物聯網的中心，是多個嵌入式處理層——從最遙遠的衛星感測節點，一直到網路核心。目前對於物聯網所規劃的服務相當多樣化，這意味著沒有一家公司能夠開發完整的解決方案以及支持基於物聯網的創新。

基於物聯網的創新需要的是廣泛且豐富的合作夥伴生態系統之間的協同作業，共同將基於物聯網的服務推向市場。一種可支援所有合作夥伴採用相同基本技術共同努力的開放式(非專有)平台，才是使物聯網得以廣泛實現的關鍵。

那麼，物聯網何時成為現實？

無處不在的嵌入式處理已經發在我們週遭隨處可見。在家中，最平常的烤麵包機現在可內建嵌入式MCU，它不僅能根據你的喜好設定麵包烤出的色澤，還增加了設備的功能安全性。家中冰箱已經開始可以和你交談，並記錄你放進去的食品。現在已有具有能量感知能力的HVAC系統，它可提供你在房間活動的報告，並提供可降低耗電的建議。

汽車的電子化已經開起步，從現在開始的幾年後，每輛汽車中所使用的電子元件將是五年前的汽車所無法比擬的。預計未來的汽車也將會導入自動駕駛系統。類似的變化都將發生在我們生活的其它方面......在工廠中、交通運輸、教育系統、體育場館及其它公共場所。嵌入式處理無處不在。

這些智慧設備(節點)與網路的連接也已開始出現了，不過速度還不夠快。支援物聯網的各種技術已經逐漸結合在一起，共同推動物聯網使其以較大多數人預期更快的速度起飛。正如不久前才發生的網際網路現象及其引發類似應用如火如荼般興起那樣，預計在接下來的十年內，物聯網將發生在我們生活週遭的每個方面。

作者：Kaivan Karimi，飛思卡爾半導體
Gary Atkinson，ARM公司

資料來源:電子工程專輯