物聯網發展風潮的興起，使得各種半導體元件開始整合通訊功能，其中，扮演第一線資訊蒐集要角的感測器，進展尤為快速。具備聯網能力的感測器節點，不僅能偵測環境變化，更可即時將資訊傳遞至主控中心或云端系統處理，以實現更完善的應用與服務。
 
    物聯網(IoT)根據所探討的對象不同，定義也各異其趣。其包含生活的諸多應用面--從聯網家庭與城市，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播送新服務等應用。有些分析師預計在2025年以前，透過網際網路連接的設備將超過一兆臺，并將行動電話定義為連接所有這些聯網設備應用的眼睛和耳朵。此外，還有一些分析師則看好如Google的擴增實境(Augmented Reality)智慧眼鏡以及目前還未出現的一系列設備。

    在網路上搜尋有關物聯網的關鍵字，即可發現智慧一詞已被過度使用。那麼，當消費者說某件物品具智慧化功能時，其真正含意為何？

    物聯網應用范疇多樣

    家中以機械式控制烤麵包顏色的舊式烤麵包機，現在可再加上一個微控制器(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，并與使用者透過觸控面板或開關以電子方式呈現訊息。一款設備在整合嵌入式處理能力而具有智慧功能后，下一個步驟就是以這款智慧設備進行遠端通訊，讓生活更輕鬆。

    以下說明與物聯網相關的應用類型，雖然不同產業訂出數以百計的應用類型(圖1)，但這些類型可透過簡單、合乎邏輯的方式加以歸類。

圖1 物聯網對每個人來說分別代表不同意義。

    第一類包括數以百萬計異質且具有「認知」功能的互連元件，透過一身分識別(ID)系統而與其他機器/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、控制的角色。就物聯網各方面來說，安全和可靠最重要，這些應用并非關于個人行為的資料採集(如無孔不入的監控)，而是擴展有助于簡化人們生活的機器對機器(M2M)、機器對基礎設施(M2I)和機器對自然(M2N)的通訊自動化。

    第二類則有關于如何利用終端節點(具感知和連接能力的智慧設備)收集到的資料，針對可產生有效市場資訊趨勢與行為進行探勘，從而開發更多商品。不過，現在的問題是資料探勘將能走多遠？應用桉例包括消費者在商場的逛買追蹤行為--消費者逛了哪條走道？在哪些商品區花最多時間？甚至記錄消費者拿起哪些商品來看。

    本文將專注探討第一類應用--特別是使物聯網得以實現追蹤、命令、控制與路由用途所需的技術和設備。

    遠端追蹤/監控與控制和路由

    遠端追蹤/監控以及依需要時增加的「命令、控制和路由」功能可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。如目前大多數家庭都以手動開/關電燈、設定空調溫度區間以及開/關洗衣機。未來門、窗、電源插座、電器及許多其他類型的獨立設備將成為具有個別身分識別的智慧設備，可透過有線或無線通訊連接，讓使用者能以筆記型電腦或行動電話遠端監視自己的家。

    資產追蹤/物流監測

    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，該功能將可充分利用智慧標籤、近距離無線通訊(NFC)和無線射頻辨識系統(RFID)，在全球互動式地追蹤各種物件。

    這是利用各種感測器(無論是否具啟動能力)進行監測并提供資料，以使運送過程可被遠端控制。就像在輸送帶上用相機定位各種尺寸的箱子，以利標籤機正確地將標籤貼印在箱子上。

    資源配置與最佳化

    智慧能源市場提供此類應用的一個理想桉例。智慧能源一詞已用于各種情況中，但其基本上指的是接收有關能源消耗的資訊，并因應該資訊變化而使資源配置、使用情形最佳化。

    背景認知自動化和決策最佳化

    這一類應用最具有吸引力，因為其指的是監控未知因素(設備和基礎設施間的環境與互動等)，并由機器來做出最類似人類會做的決策，甚至還更高明。例如可植入感測節點持續追蹤老年患者生理指標，并在輸出異常時發送緊急訊號。又或者病患對于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，將接著聯繫第二順位聯絡人，最后，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。

    感測與資料收發為基礎能力

    實現上述各種相關應用的必要條件包括感測節點的感測與資料收集能力、本地嵌入式處理能力層、有線/無線通訊能力、支援自動執行任務并實現新一類服務的軟體、遠端網路/基于云端的嵌入式處理能力，以及完整的訊號路徑安全性(圖2)。

    例如上述的工廠自動化例子中，相機使用電荷耦合元件(CCD)感測器檢測資訊，然后使用有線或無線通訊技術，將收集到的資料發送至嵌入式處理器/控制器，再由遠端伺服器進行決策并傳回命令，而產生一項進行校正的機械行動。以下將就物聯網的基本建構模組進行剖析：

    感測節點

    取決于所涉及的應用不同，物聯網所需的感測節點類型也相當廣泛多元。感測節點包括用于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、可檢測建筑物被入侵的門和鎖(內含開/關電路)或測量溫度的簡單溫度計。這些節點都將帶有唯一身分識別，可透過遠端命令和控制拓撲分別進行控制。

    本地嵌入式處理節點層

    嵌入式處理節點層位于物聯網的核心。本地處理能力最常見的是由微控制器、溷合微控制器/微處理器(MCU/MPU)或整合型MCU元件所提供，它們可提供即時嵌入式處理能力，這是大多數物聯網應用的關鍵需求。另外，元件若要充分發揮即時嵌入式處理能力，則需要可擴展的特性，因為應用桉例相當廣泛多元，并不存在一體適用的情況。

    微控制器非常適合在物聯網中使用，不過其須具備幾大關鍵設計要素：

    ．高能效

    微控制器需要具有高能效。在許多桉例中，傳感節點是由電池供電的衛星節點，因此低功耗是基本要求。

    ．具豐富軟體生態系統的嵌入式架構
   
    各種可能的物聯網應用都需要將應用程式、命令、控制、路由處理和節點與系統安全性捆綁在一起的軟體發展環境。在過去幾年裡，微控制器解決方桉中軟體重要性不斷增加，因此，支援物聯網的微控制器將需要更多的軟體、工具和支援，提供廣泛而易于接觸的生態系統，而這也對于支援嵌入式處理節點和物聯網應用的開發非常重要。

    ．支援軟體可擴展性

    重複使用軟體和利用現有軟體投資對于開發物聯網應用的公司來說，是關鍵的成功因素。

    ．支援多樣I/O

    物聯網中的受控設備具有多樣性，隨不同的使用桉例，微網路中的設備數量，異質環境中所需的不同服務等級和不同介面，都需要裝置有不同的層次，各種應用需要多樣化的輸入/輸出(I/O)介面。

    ．高成本效益

    與所有其他系統一樣，總體成本是系統的各個組成部分之和，加上系統所需服務的成本。總體系統成本必須適度、合理，才能在日常生活中發生典范轉移，因此產品成本是一個非常關鍵的因素。

    ．品質和可靠性

    一般人可能每2年就更換手機、筆記型電腦等行動裝置，然而，工業市場產品則不同，其生命週期至少為10?15年，因此，這些市場對品質、可靠性和產品壽命的要求，是物聯網典范轉移成功的關鍵。

    ．安全性

    對于位于物理層的本地嵌入式處理節點而言，有多種不同的加密引擎和安全加速器可支援資料加密(例如數據加密標準(DES)和進階加密標準(AES)等)和認證(例如安全散列演算法(SHA)等)。

    有線/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，并將處理后的資訊傳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并產生新的命令后，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。

    儘管使用情況大相逕庭，但這些命令和控制通訊連結的共同點是除涉及高頻寬的影像處理或視訊資料外，任何特定節點通常只須傳送幾千位元組的資料。

    物聯網也將增加無線感測器和制動器網路(WSAN)的概念，包含可控制其環境的傳感和嵌入式處理節點。

    根據典型產品生命週期估算，若一項技術目前占據物聯網市場，那麼該技術或其優化版本將至少在未來的5~8年間，都繼續占據該市場。

    未來10?12年通訊技術可能與目前所考量的技術規格完全不同。無線區域網路(Wi-Fi)技術目前在802.11ah頻段工作，以適應獨立于基礎設施的特定的網狀網路和范圍更大的感測器網路控制。此外，未來可能出現更能適應特定物聯網通訊領域的全新技術，取代現有物聯網標準。無論如何，未來對通訊功能的要求幾乎與嵌入式處理節點的需求相同--高成本效益、低功耗、品質和可靠性、安全性。

    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，這意味著廠商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。

    遠端嵌入式處理單元

    部分業者宣稱可讓所有設備的處理和決策都在其私有云端中完成，不過，另一派的業者認為，對于基本網際網路服務而言，必須接取至云端處理的情況相當有限，大部分都可在本地節點完成處理。

    完整可靠的安全機制

    如果上述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。

    真正的完整安全係指在系統各部分傳遞且基于內容和服務的資訊安全。例如有人走失，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，洩漏位置資訊就是一件不好的事，因此，此處所指的資訊安全是資訊在需要時可用，而資訊必須保密，且確保其完整性。

    物聯網逐漸成真

    無處不在的嵌入式處理器已在生活週遭隨處可見。烤麵包機現在可內建嵌入式微控制器，它不僅能根據你的喜好設定麵包烤出的色澤，還增加設備功能安全性。這些智慧設備(節點)與網路的連接也已開始出現，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，預計在接下來的10年內，物聯網將發生在我們生活週遭的每個方面。