智能販賣機-物聯網技術

2021.03.17

物聯網技術
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的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型裝置都以URL來標示)。

架構
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;四層之架構由底層至上層依序為感知裝置層(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。

感測層
定址資源
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位址。最早的概念是由無線射頻辨識標籤和電子產品代碼所發展出來的。現在物聯網與網際網路連結後,由於預估需要大量的IP位址,目前主流的IPv4位址空間有限,因此物聯網中的物件傾向使用下一代網際網路協定(IPv6),以提供足夠的位址空間,IPv6對於物聯網的發展扮演重要角色。

網路層
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
藍牙網狀網路(Bluetooth mesh networking)– 規範採用藍牙技術的網狀網路,可增加節點數,並提供標準化的應用層[28]。
光照上網技術(Li-Fi)– 與Wi-Fi標準相似的無線通信技術,但使用可見光通訊以增加頻寬。
近場通訊(Near-field communication,NFC)– 使兩個電子裝置能夠在4公分範圍內進行通訊的通訊協定。
無線射頻辨識(Radio-frequency identification,RFID)– 使用電磁場存取無線射頻辨識(RFID)標籤中數據的技術。
Wi-Fi – 基於IEEE 802.11標準的無線區域網路技術。
ZigBee – 基於IEEE 802.15.4標準的個人區域網路通訊協定,具有低功耗,低數據速率,低成本的特性。
Z-Wave – 主要應用於智慧型家庭和安全應用的無線通訊協定。
中距離無線
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。
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。
長距離無線
低功率廣域網路(Low-Power Wide-Area Network,LPWAN)– 提供低資料速率與遠程通訊,降低功耗和傳輸成本。可用的LPWAN技術和協定分為使用授權頻段的NB-IoT,以及使用非授權頻段的LoRa、Sigfox、Weightless、Random Phase Multiple Access(RPMA)、IEEE 802.11ah等。
甚小孔徑終端(Very Small Aperture Terminal, VSAT)– 使用小型碟型天線,透過人造衛星傳輸之通訊技術。
有線
乙太網路(Ethernet)– 基於IEEE 802.11標準的技術,可使用雙絞線、光纖連接至集線器或網路交換器。
電力線通信(Power Line Communication,PLC)– 以電纜傳輸電力和數據的通訊技術,有HomePlug或G.hn等標準。
應用層
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」。平台工具層為底層的軟體平台,作為應用服務層與網路層的介面,以支援各類的軟體應用。可歸類於「平台工具層」包括巨量資料、區塊鏈、軟體定義網路、軟體定義儲存、軟體定義資料中心、安全通訊、防毒軟體、人工智慧相關(如自然語言處理、深度學習、語音辨識、圖型識別、電腦視覺...)等;應用服務層針對不同的應用需求,直接呈現原始資料,或經過加值處理,藉由人機介面提供使用者,或是對應的硬體/軟體目標得到想要的資訊。可歸類於「應用服務層」包括虛擬實境/擴增實境、人機互動、服務導向架構、永續發展相關(生命週期評估、節能、碳足跡...)等。

在應用層中,通常使用多種程式語言撰寫應用程式,使用HTTPS與OAuth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儲存系統(如Cassandra、PostgreSQL等)。

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[42]。一些專家將工業物聯網(IIoT)中的三層分類為邊緣、平台和企業,它們分別透過鄰近網路、接入網路和服務網路來連接。

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。

智慧型物聯網(AIoT)
智慧型物聯網(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。

智慧型物聯網的出現,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,智慧型物聯網可在資料分析中提供有力的支援,在各行各業中創造新的價值。