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物聯網應用及架構介紹 彭永新 GS1 Taiwan Tel:02-23939145*508.

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1 物聯網應用及架構介紹 彭永新 GS1 Taiwan Tel: *508

2 物聯網簡介

3 物聯網 (Internet of Things, IoT)
資訊傳遞由過去人與人的通訊,演化為物聯網架構下物對人乃至物物相連(M2M)的通訊 物聯網應用 呈現爆炸性發展 資策會FIND網站http://www.find.org.tw/

4 物聯網發展歷程

5 物聯網架構 物聯網顧名思義,就是讓所有物品都能連上網際網路,以物體資訊為主,利用網際網路功能,達成即時查詢、遠端控制、遠端監控、以及智慧管理等等功能,達成多項加值應用,達成「全面感知、可靠傳遞、智慧處理」三大特徵的智慧生活境界。要達成如此之技術願景,物聯網需要三層級架構,如圖右所示:

6 物聯網感知層實體技術 感知層為物聯網之實體層,代表之技術即為RFID與感測器 裝置,廣義上亦包含移動通訊裝置等。

7 物聯網網路層實現架構 網路層在物聯網中層架構起通訊與資訊交換之介面,除包含現今互聯網之 七層架構外,更須涵括:
RFID通訊網路支 援EPCglobal之條 碼資訊傳播架構 感測器網路架構符 合國際規範,如 ZigBee 次世代網路,可依 物聯網通訊特性, 進行通訊協定互轉 ,並能依物聯下部 特性,調節所需頻 寬,避免網路資源 因通訊物件的大幅 增加而短缺

8 物聯網應用層主要發展領域 應用層內包括 了許多應用形 式展開,右圖 列舉了最主要 的六大應用領 域,但真實對 物聯網的應用 ,並不局限於 圖右所示。

9 物聯網與雲端技術之差異 雲端運算甚至是所謂雲端產業,在這幾年被炒的火熱,其技術源自於分散式運算(Distributed Computing)或是網格運算(Grid Computing)的概念,透過利用大量異質電腦(通常為桌面Desktop)的未用資源(CPU資源和磁碟儲存空間),將其變成一個虛擬的計算機叢集,為解決大規模的計算問題提供了一個架構。 雲端運算的焦點放在支持跨網域運算的能力,運用平行運算,充分利用企業間甚至是跨企業的電腦資源,共同解決困難的運算任務,雲端運算具備動態延展能力,可將一個電腦運算工作(Task)分成許多程序(Process),透過分佈於網際網路中的伺服器群組,或稱雲端主機處理分析後,再將結果傳回使用者端。目前主流的雲端技術有MapReduce與Hadoop等 雲端技術與物聯網的主要差異,就在於雲端技術著重在資訊處理,資訊的主要提供者是人,雲端服務對象也是滿足人的資料查詢需求;物聯網則是由各類物體提供資訊,經感知層整合,由網路層傳送,並在雲端技術成熟發展的資料處理架構下,整合人與物體提供種種資訊,實現創新應用,並進而達成創新商業模式之發展。

10 物聯網通訊對象主要是物體 雲端技術與物聯網的主要差異,就在於雲端技術著重在資訊處理,資訊的主要提供者是人,雲端服務的目的也是滿足人的資料查詢需求,;物聯網則是由各類物體提供資訊,經感知層整合,由網路層傳送,並在雲端技術成熟發展的資料處理架構下,整合人與物體提供種種資訊,實現創新應用,並進而達成創新商業模式之發展。

11 RFID技術實現物聯網之感知層

12 由RFID 到物聯網發展 RFID被列為本世紀十大重要技術項目之一,原本因美國零售業者 WalMart的大力採用推廣而備受矚目。
然而,迄今仍因成本與技術問題的限制,大規模應用,尤其指的是遠距讀寫的UHF標籤,仍未能獲至大量應用,僅在近距離讀取得HF卡片,近來頗因塑膠貨幣之興盛,而使的應用層面日益擴大。 然而,RFID架構的單一物件識別(Item level),可說是啟發物聯網應用的濫觴。

13 512bits的威力 C1G2最新規格的RFID標籤,內建有 512 bits的記憶體,可標記高達10的142次方的物體數量。
不管人們多麼會生產各類物品,也不論要標記物體有多少,RFID標籤可簡單再擴充到1024 bits,記憶物品可再增加142次方倍,以此記憶容量,RFID可針對有人類歷史以來的每一件物品,都作上一個標記。 由此,人們開始思考,把每件物體連上網路的可行性,這就是物聯網得起源。

14 感測器用於物聯網感知層

15 無線感測器網路 無線感測器網路(Wireless Sensor Network, WSN)的發展,最早是美國加州柏克萊大學(UC Berkeley)的一項研究計劃,研究人員利用MEMS技術,開發出一種體積與普通阿斯匹靈藥片大小相似的感測器,稱為智慧灰塵(smart dust) ,如下所示。在加州柏克萊大學的計劃中,研發出的無線感測元件,稱為Mote 系列。 美國加州柏克萊大學所研發的智慧灰塵

16 無線感測網路的通訊協定 考慮到相容性與市場可接受度,在家庭自動化與智慧型大樓方面,以IEEE 低速率無線個人區域網路(Low-Rate Wireless Personal Area Network, LR-WPAN)結合ZigBee無線標準為基礎的發展,是多數研發廠商依循的方向。 ZigBee 的命名,源自於蜜蜂在發現花粉時,展現如同ZigZag 形狀的舞蹈。看似隨意在跳的字形舞,實際上是將有花和蜂蜜的地方,正確地傳達給其他蜜蜂同伴。ZigBee 主要是由IEEE 小組與ZigBee Alliance,分別制訂硬體與軟體標準。它是一種低傳輸速率 (250kbps)、短距離 (一般約為 m,依耗電量之不同,可提昇至300m)、低消耗功率、架構簡單的技術。

17 無線感測網路的應用未來 無線感測網路(Wireless Sensor Network, WSN) 的實際應用,可用於軍事安全、監測健康與安全、控制傳輸系統等上。簡而言之,當通訊協定及設施建立好,只需依所要目的做特定偵測,就可以達到監控的效果。在軍事安全上,WSN 可用於戰況的偵測,國家安全的監控,而對於重要的基礎建設,它可以採用監控方式,來偵測其健全性,並建立新的安全資訊系統,以防範恐怖組織或不良分子的破壞。在民生應用方面,可以對病人和對設施進行監測,並可應用在追蹤、辨識及定位,這些技術除了可用在臨床病人外,也可對在家的居家老人進行照護。此外,可發展出家園監控管理,當外出時,可對居家環境做偵測,以保持舒適健康又安全的生活環境。 民間領域WSN應用領域主要有家庭自動化、家庭安全、工業與環境控制與個人醫療照護等,可搭配之應用產品則有家電產品、消費性電子、PC 週邊產品與感測器等,提供家電感測、無線PC 周邊控制、家電遙控等功能。

18 由RFID/WSN到物聯網應用 網際網路上增加RFID/WSN的感測層是資訊技術(IT)產業的第四波浪潮-物聯網的新浪潮,此外,還有移動通訊裝置的相關發展,包含在人手一隻的智慧手機上的感測器,如慣性量測裝置、GPS定位裝置等,使得物體開始發聲,由告知物體自身資訊到偵測使用者資訊,物體資訊產生意義是物聯網應用的重要特徵。 在通訊網路層架構上,雖有專屬於RFID的條碼資訊傳播架構,或是感測器使用的ZigBee協定,但是,所有通訊骨幹仍是既有的網路架構,植基於現有的通訊頻寬,就能實現種種應用。 當今物聯網最受矚目的發展,該當是應用層面,從智慧生活空間到能源管理,革新未來人類的生活。

19 物聯網通訊架構 2010 RFID國際研討會 RFID & IoT資料(from Picheng Lin)

20 網路 7 layers 與 物聯網 三層級 應用層 網路層 感知層 RFID Sensor network Mobile comm.
Models & Analytics 網路層 Interconnection 感知層 Sensors & Actuators RFID Sensor network Mobile comm.

21 TCP/IP 通訊 與 標籤查詢的差異 資策會圖檔:

22 由RFID概念出發 打造 物聯網 通訊新架構 物聯網基本上由感知層、網路層與應用層三層組成,借用網際網路TCP/IP 的通訊架構,支持其通訊骨幹。 然而,物聯網通訊與網路通訊有本質上的差異,網路通訊以TCP/IP架構係 基於資訊是由人掌控發出,媒介可以是電腦、手提式電腦乃至於手機,訊 息封包在交換的過程中﹐是以位址資料為依據的﹐不管封包所經過的路由 之選擇如何﹐資料都能被送達指定的位址。 物聯網通訊不同在於 訊息是由RFID標籤、感測器或是它項機械設備發出 ,由於機械並不具備人類智慧辨別之功能,導致訊息發出並不一定帶有足 夠的資訊量,換言之,大多數的資訊可能是沒有意義的,在這樣的情況下 ,強求資料送抵指定位置,可能只在浪費網路頻寬。 因此,物聯網通訊建議應參考RFID資訊架構(但不一定要使用RFID標籤), 透過類似標籤查詢功能取代封包送抵架構,由雲端系統分層級處理資訊, 除減少使用網路頻寬,更能由此發揮Filtering & Regrouping的功能,使 多個物聯網物體資訊經聯結後,可得最大的訊息利用。 由此,實現物聯網未來寬廣的應用範圍。

23 物聯網應用實現 物件均可識別 物件均可彼此溝通 物件均可控制、管理
物聯網時代代表著未來資訊技術在運算與溝通上的演進趨勢,而這樣的演進過程中將會需要各式各樣領域的技術及科技創新來帶動,小從奈米科技、大至城市無線網路的佈建。 物件均可識別 物件均可彼此溝通 物件均可控制、管理

24 物聯網應用帶來願景 智慧生活空間應用方面將使人們的居住環境更加的舒適,整合感測器網路與電控設備,以賦予智能的方式控制環境,另將居家的監視設備與網路和電子技術結合應用,監控建築周遭的環境變化,緊急狀況發生時,能預先發出警訊,保障居民安全。 智慧交通方面讓車輛導航系統結合GPS、GIS,讓駕駛得知目前的所在地及周邊環境資訊,同時車輛安全方面配合感測器監測車上設備的使用狀況,與原廠電腦進行連線,積極保護人員安全。 這個能源短缺的世紀,賦予能源智慧更顯示其重要性,將能源的利用效率達到最大化才能使人類的永續發展。配合智慧電網來偵測及使用者的電力使用狀況,來調整系統耗電量,以此達到節約能源,降低損耗,增強電網可靠性的,其雙向輸電的網路可將民間自行生產的再生能源以電力方式轉賣回發電廠,減少發電廠機組的負荷同時也具有經濟效益,能促進國內的再生能源發展。但再生能源效率極低,若是輸配、儲能系統上有瑕疵,則會導致再生能源的價值更低,配合智慧電表與感測器,得知發電量及輸電狀況,再由智慧聯網做出最好的控制邏輯讓再生能源的設備利用率達到最大。

25 物聯網應用帶來願景(續) 科技不斷的發展,也出現許多的文明病,智慧醫療提供居家健康照護,讓使用者能在家中量測自己的身高體重血壓等生理訊號,由遠端的系統判斷是否就診或是建議使用者改善其生活方式等。利用感測器網路監控社區周圍的空氣水源等,讓居民可以安心的生活,建造出現代的健康社區。即使科技迅速的發展,但還是有較為落後的地區,偏遠地區沒有充足的醫療資源,就是藉著資訊及電信技術來交換相隔兩地的病患的醫療臨床資料及專家的意見,以克服空間甚至時間上的障礙也都使遠距醫療更顯其重要性。 智慧聯網以增進當前效率環保綠能安全與健康為宗旨,全世界都在積極的發展智慧聯網的應用範圍,但因地域人文因素,各地所發展的方向也是大徑相庭。歐洲因為國家眾多,國與國之間的電力輸送非常頻繁,透過智慧電表可以分析發電端與用電端的使用情形,對發電系統進行最適當的控制,避免額外的電力耗損。

26 物聯網商機規模預測 Forrester研究公司預測 – 2020年物聯網商機30倍於Internet
Dr. James Canton – 指出2015年全世界預計有500億顆晶片串聯成無線網路 中國移動執行長王建宙 – 未來十年預計500億個物品連上網 易關國際《中國物聯網白皮書 》– 提到「…WSN二年內達40億元,2015年達到200億人民幣,…物聯網達7500億人民幣…。」 國聯證劵 – 「…未來10億級訊息設備、30億級智能電子設備、 5000億級微處理器、萬億級以上傳感器…」 中關村物聯網產業聯盟/長城戰略研究所 – 中國物聯網產業的總體規模,預計到2015年將超過1萬億人民幣、2020年將超過5萬億人民幣。 拓墣產業研究所更指出,2010年中國物聯網應用市場近2千億人民幣規模,2015更將成長至7,500億人民幣。

27 物聯網被列入各國戰略發展層級 中國:2009年8月 「感知中國 」重點研究領域 美國:2008年底 IBM向美國政府提出「智慧地球」
•「十二五計畫」列入重點產業項目 美國:2008年底 IBM向美國政府提出「智慧地球」 •強調傳感等感知技術應用,提出建設智慧型基礎設施 •新一代ICT技術充分運用在各行各業之中 歐盟:2009年6月 物聯網行動計畫 •具體而務實,強調RFID廣泛應用,注重資訊安全 •2009年10月歐盟委員會以政策檔對外發佈了物聯網策略,並制訂物聯網標準 日本:2009年8月 i-JAPAN戰略 •在u-JAPAN的基礎上,強調電子政府及社會資訊服務應用 •2010建設成一個“實現隨時、隨地、任何物體、任何人均可連接的網路社會" 韓國:2006年3月 u-KOREA策略 •意旨建立無所不在的社會(Ubiquitous Society),由智慧型網路、先進技術應用及資訊基礎建設,形成的科技社會形態。•構建物聯網基礎設施、發展物聯網服務、研發物聯網技術、營造物聯網擴散環境 台灣:i236計畫 內容包括「Smart Town」與「Intelligent Park」 2個示範場域,建置發展 3 種網路:「數位網路」、「寬頻網路」與「感知網路」,主推 6 大領域含農業休閒、安全防災、醫療照護、節能永續、智慧便捷、舒適便利等

28 物聯網應用區域性異同 世界各地的物聯網應用方向不盡相同,美洲因為地廣人稀,人力資源不足以隨時對偏遠地區的設備進行維修保養,且此作法成本太昂貴。所以其市場主要的發展為M2M(machine to machine),透過感測器與控制設備,直接對遠端的設施進行維護,減少人力成本,並且可以統計該地區的設備使用情形,或由遠端進行設備初級維護。此外,地廣人稀也造成醫療資源之不足,遠距醫療也是重要得應用。 歐洲地區汽車工業發達,且居住分布城市較為擁擠,為此,智慧交通相關的建設在歐洲區域較為發達,此外,環境監測也是歐洲地區較為注重的應用。 亞太地區因人口稠密,生活品質較為低落,為此,人們注重自我的生活品質,主要發展智能家居以及環境監測,透過感測器偵測判斷室內照明設備及空調設備的啟停,在達到舒適度前提之下進行節能控制,符合現代人的健康生活及永續經營的概念。 全球對於物聯網期待,共通性的應用主要在於能源管理,能源枯竭與氣候異變是人類共同面對的兩大問題,為此,期待物聯網的創新應用能解決相關問題。

29 美國 Smart Planet 美國2009年經濟振興方案與ICT相關計畫 能源 (約500億美元) 改善能源效率 智能電網 智能家居
建設公共基礎設施 寬頻 (約72億美元) 以農村及寬頻服務欠缺地區為主創造就業機會設施支持公共安全機構建設擴充公共電腦中心容量 醫療 (約190億美元) 加速Health Info. Tech.的推廣 加強個人隱私權的保障

30 歐盟 IoT i2010-2015 在歐盟建立單一資訊市場,能支持數位內容創新、寬頻網路投資及資訊安全。 增加歐盟在ICT研討投資
推動公共服務及生活品質(ex: 智慧交通) IoT Strategic Research Roadmap CERP-IOT 報告 歐盟高峰會宣布成立物聯網專家團 資料來源:GS1 Taiwan / EPCglobal

31 歐盟CASAGRAS專案計畫定義 「全球網絡基礎設施,經由資料擷取與通信能力之開採以連結物理與虛擬物件。基礎設施包括現存與演化中的網際網路及網絡發展。它將以自主性的聯盟化服務與應用為基礎,提供特定物件識別、感應器與連結能力。是具有高度自動資料擷取、事件資訊轉換、網絡聯通性與互容性的特徵」。 更簡潔的概念是:「物聯網是一個『物』(Things) 能自動對電腦通信,物件本身也能彼此互通的世界,它以人類利益為服務要件。」 資料來源:GS1 Taiwan / EPCglobal

32 日本 IoT 日本 i-Japan:編列一萬億日元 推動電子化政府、產業地區活性化及新產業培養、數位基礎設備建置

33 Ubiquitous, intelligent information service provisioning
韓國.物聯網發展趨勢 1/2 Ubiquitous, intelligent information service provisioning 4S : For Success Strong (Competitiveness) Safe Smart Sustainable Safe Korea to provide comfortable living environment Smart Korea to make logical ad physical resources integrated and communicated Strong Korea to be competitive with leading and developed countries Sustainable Korea to protect the environment and the earth Internet of smarting things Wire-line FTTx,HFC,PLC AGW AGW WiFi Broadband WiBro AGW Wireless 2G/3G AGW USN G/W USN G/W energy object energy object environment object facilities object Bridges Facilities Logistics Disaster Tunnel Road Environment 資料來源:GS1 Taiwan / EPCglobal

34 韓國.物聯網發展趨勢 2/2 IOT National IOT R/D IOT Public Smart Strong Safe
AGW Wireless access networks Facilities monitoring WiBro+Sensors Healthcare WiBro+Medical devices Broadcasting 3G+DMB+IPTV Remote control PLC + Street lights Security 3G+Location+Vehicles AGW Fixed net./DMB FTTx,HFC,PLC AGW Broadband wireless WiBro Smart metering WiFi + Gas, electricity IOT National IOT Public IOT R/D Smart Strong Safe Sustainable Smart objects with sensors Disaster monitoring 3G+sensors Meteorological observation 2G+Loc.+weather Smart objects with sensors Wireless 2G/3G AGW Monitoring and management center Warning for yellow dust, disaster, fire, flood, etc. Ecosystem monitoring 2G+Location Smart objects with sensors Smart objects with sensors Oceanographic observation 2G+Loc.+weather 資料來源:GS1 Taiwan / EPCglobal

35 中國 IoT 要抓住新一代資訊網路技術發展的機遇,創新資訊產業技術,以資訊 化帶動工業化,發展和普及互聯網技術,加快發展物聯網技術,重視網路計算和資訊存儲技術開發,加快相關基礎設施建設,積極研發和建設新一代互聯網,改變我國資訊資源行業分隔、核心技術受制於人的局面,促進資訊共用,保障資訊安全。 要積極發展智慧寬頻無線網路、先進傳感和顯示、先進可靠軟體技術,建設由傳感網路、通信設施、網路超算、智慧軟體構成的智慧基礎設施,按照可靠、低成本資訊化的要求,構建泛在的資訊網路體系,使基於資料和知識的產業成為重要新興支柱產業,推進國民經濟和社會資訊化。 --胡錦濤,在兩院院士大會上講話,

36 工業4.0 工業4.0(Industry 4.0)是一個德國政府提出的高科技戰略計劃,用來提昇製造業的電腦化、數位化、與智慧化。目標與以前不同,不是創造新的工業技術,而是將所有工業相關的技術、銷售與產品體驗統合起來,是建立具有適應性、資源效率、及人因工程學的智慧工廠(Smart Factory),並在商業流程及價值流程中整合客戶以及商業夥伴。其技術基礎是智慧整合感控系統(Cyber-Physical System, CPS)及物聯網(Internet of Things, IoT) 在製造業領域,面對的課題有三個:生產效率、速度、靈活性。生產效率不單單是指員工的生產效率,速度也不是指在短時間內製造出單元。企業需要具備的,是「投放市場的時間」(Time-to-market),應對客戶多樣化需求的靈活性。這代表的是「隨選生產」(Production on Demand),也就是即時制定生產計畫。當工業4.0解決這些重大課題的時候,製造的形態或許將發生翻天覆地的改變。 張善政:超越工業4.0的生產力4.0,是臺灣科技政策下一步 「工業4.0」一詞是指第四次工業革命,第一次工業革命是利用水力及蒸汽的力量作為動力源,第二次工業革命則使用電力為非常出名的大量生產提供動力與支援,第三次工業革命則是使用電子裝置及資訊技術(IT)來校除人為影響以增進工業製造的自動化

37 物聯網實現永續發展 我們最為期盼物聯網發展願景,可解決人類生存當今面臨的兩大危機: 能源短缺與氣候異變,雖無科學證據可證明,但一般學者均能認同,人類的兩大危機都來自於對地球資源與環境的濫用,藉由物聯網的發展,吾人可將身週使用之物均連上網路,進行智慧管理,希望能擺脫無效率的濫用。 目前各國的物聯網規劃,多朝向這個方向,如歐洲、美國均有相關智慧電網規劃,進行能源使用的管理,海峽兩岸規劃的物聯網項目亦有智慧電網,作為節能減碳的重要基礎建設工具,若能更進一步,再對物資、糧食的使用,進行物聯網管理,相信很有可能可延緩,甚至是解決人類當前的兩大危機。然而,要真正落實於物聯網在人類生活中,關鍵在於每個人都能瞭解物聯網是甚麼,以及如何參與物聯網應用情境。 由此展開對物聯網技術介紹細節,以及詳細的應用說明,希望能幫助理工背景甚至是一般讀者,均能瞭解物聯網,以實現其發展願景,將所有物體連上網路,進行智慧應用管理,最重要的是減少不當的耗用,由此保護地球環境,達成未來人類永續發展。

38 其他應用用於提高教育品質、提升民主素養藉以面對人口急速增加
物聯網應用發展 對應人類十大危機 1996年諾貝獎得主Prof. R. E. Smalley憂心人類未來50年遭遇的十大危機與物聯網應用可能提供的解決之道,相較於目前對物聯網期盼的爆炸性應用發展,與帶來的經濟成長,解決人類面臨的生存危機,也許是對物聯網發展願景更大的期許。 智慧電網 物流管理 智慧城市 遠距醫療 安全監控 其他應用用於提高教育品質、提升民主素養藉以面對人口急速增加

39 Q&A


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