物聯網之架構與關鍵技術

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一、 物聯網之架構與關鍵技術

物聯網是架構網際網路上更為龐大的網路，相較於網際網路僅僅是人與人之間 的資訊交換，物聯網更結合了各種末端設備(Devices)和設施(Facilities)，包括嵌 有各式感知元件的行動終端設備、工業系統、大樓安全系統、家庭智慧設施和智能 視訊監視系統等，而這些嵌有「智慧」元件的設備或設施再透過各種無線或有線、

長距離或短距離之通訊網路，實現互聯互通、應用整合(Grand Integration)，和以 雲端運算為基礎的 SaaS 營運等模式，在內網(Intranet)、專網(Extranet)、網際網 路(Internet)環境下、採用適當的資訊安全保障機制、提供安全可控乃至個人化的 即時線上監測、定位追朔、警報連動、指揮調度、專案管理、遠端控制、安全防範、

遠端維護安全、線上升級、統計報表、決策支援、領導桌面等管理和服務功能，實 現對「萬物」的「高效、節能、安全、環保」的「管、控、營」一體化。

組成一個完整物聯網體系通常具備三種不圖的工作內容：第一是「全面感知」，

透過 RFID、感測器、二維條碼等感測元件對特定的場景進行資料收集或者是監控的 動作；第二是「可靠傳輸」，透過各種網路技術，將感知元件上所獲得的資料、傳 遞到特定的人、事或物上；最後則是「智能處理」，透過有效的分析處理，使得雜 亂無章的資料形成有用的資訊，作為有效率的應用。如圖 2-5，歐洲電信標準協會 (European Telecommunication Standards Institute, ETSI)將物聯網劃分成三個 階層：「感知層」為三層中最底層，用以感知數據資料、「網路層」為第二層，用 以接收感知層的數據資料，並傳送至應用層、「應用層」為最貼近現實生活中的層 次，將接收到的數據資料，做最有效的應用。以下就詳細介紹感知層、網路層和應 用層的架構與發展的關鍵技術。

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圖 2-5、物聯網的三個層面 感知層 (Device)

感知層事物聯網發展與應用的基礎，包括 RFID 技術、感應技術、控制技術及短 距離無線通訊技術等，這些技術都是感知層所需要的關鍵技術。感知層在物聯網中 就像是人體的皮膚和五官、針對場景進行感知和監測，用以收集許多不同的資訊。

感知層包含了許多具有感知、辨識及通訊能力的設備，例如 RFID 標籤及讀寫器、二 維條碼標籤及讀寫器、GPS、影像處理器以及紅外線、溫度、濕度、光度、亮度、速 度、特殊氣體、音量壓力等各種感測器，設備間利用感測能力對資料加以收集，接 著透過彼此相互通訊將不同的資訊進行聚合，最後再將資訊傳至網路層，致使物與 物亦或物與人之間產生連結與互動。其中，在感知層也包含了各種關鍵技術，如無 線射頻技術、無線感測網路和嵌入式技術。

1. 無線射頻技術 (Radio-frequency Identification, RFID)

無線射頻技術是一種無線通訊技術，通常是由讀寫器(Reader/Writer)與標籤 (Tag)組成的硬體系統，讀寫器透過無線電的訊號，識別特定的標籤並讀寫相關數據 於標籤，而在識別過程中，無須建立機械或光學的接觸。在日常生活中，無線射頻

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技術隨處可見，如交通工具上，作為標籤的悠遊卡及做為讀寫器的讀卡機，或是圖 書館借還書用的圖書證及高速公路上的電子收費裝置(ETC)等都是標籤的一種。無線 射頻技術的優點，包括：低成本、低耗能便利性高、安全性高、壽命長及易於應用 在不同的場合中或物品上，綜合上述優點，無線射頻技術在物聯網發展中，扮演著 舉足輕重的腳色。

2. 無線感測網路 (Wireless Sensor Network, WSN)

無線感測網路是由一群佈建在空間中，擁有不同感知元件的感測器所組成，如 下圖 2-6。感測器間透過 Zigbee 無線通訊技術，彼此分享著感測的資料，並形成連 通的網路環境。無線感測網路用於感知環境的變化，應用的環境也非常廣泛，譬如：

嵌有二氧化碳元件的感測器散佈建於工廠附近，檢測污染氣體的排放、嵌有音量偵 測感測元件感測器常佈建於件的附近，用以評估工地所製造的噪音、嵌有視覺感測 能力的感測器常佈建於暗巷或樓梯間，用以防範可疑人士、亦或將三軸加速度感測 器做為手錶掛在老人手上，做為意外發生時的通報等等。以擬人化的方式來說明無 線感測網路在物聯網中所扮演的腳色，假設物聯網為人的身體，則無線感測網路就 好像是物聯網的手與腳，用以感知、感測、感受這世界不管是有形或無形的資訊，

再加上擁有低成本、易佈建、應用廣、效能高等特性，由此可知，無線感測網路的 成長也將成為關鍵，大大的影響物聯網的成敗。

資料來源: http://www.playrobot.com/

圖 2-6、各種感測元件

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22 3. 嵌入式技術 (Embedded Intelligence)

嵌入式設備的高速發展對網際網路產生了強烈的需求，進而催生了物聯網的興 起。嵌入式技術是綜合了微型電腦、感應器、電路技術及電子應用等多項技術為一 體，將軟體結合硬體裝置的複雜系統。該技術主要是針對每樣物品的應用進而設計 出一個專用的系統，嵌入式系統，舉凡智慧手機、數位家電、遊樂器等各種類型裝 置，都可以透過嵌入式技術使其具備多樣化的功能，亦或是附加強大的軟體處理技 術是其成為智慧化的裝置。

在感知層中，包含了許多關鍵技術，而這些關鍵技術的整合，形成物聯網最重 要的感知層。事實上，這些技術早已應用在我們的生活中。

網路層 (Connect)

網路層的基礎是建築在大家所熟知的網路上，網路的結構又分為內網和外網，

內網即一般所說的區域網路，像是公司或者是學校都會擁有屬於自己的區域網路，

在區域網路中，每台主機可以相互交換資訊，但是彼此所使用的 IP 位址是不可重複 的；外網即是網際網路，是區域網路經由一台伺服器或是路由器對外連接的大型網 路，在外網中，IP 地址是唯一的，也就是在內網中所有的主機都是連接到外網的其 中一個 IP 上，並透過這個 IP 和其他外網主機交換資訊。因此，在一個環境中，所 有的感測器會彼此建立一個內網交換訊息，之後再透過外網將收集的資訊傳送出去。

網路層相對於物聯網來說就像人體結構中的神經，負責將感知層所收集到的資 訊傳輸至應用層進行處理。由於網路層是建立在數據網路和電信網路的基礎上，因 此在網路層中將會依照網路傳輸的需求使用到各種不同的無線網路服務。

1. 異質網路整合

在物聯網的應用中，不同的物聯網設備會因應其所使用的不同網路技術連結至 網路上，如 Zigbee、WiFi、LAN、WiMAX、GSM...等。然而，不同的網路技術彼此無 法相互溝通，也因為各自使用不同的網路規範，導致彼此協調不良使得網路頻道中

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的某個頻道同時被多個網路技術所使用，產生共同問題，進而無法使用設備，因此，

在不同的環境中常會要求各類型的網路能夠互相通訊。此外，在場景應用上還會要 求網路設備及智能終端根據自己的應用需求、通訊能力、網路環境選擇適合的互通 及連線方式，不同的網路技術必須能夠支援多種終端或網路間相互協同的功能，已 達成資料完整傳輸的任務，並且還能夠臨時組成一個動態網路以提高物與物互聯的 效率。

在物聯網環境中，由於嵌入在物件上面的無線感測平台景有提供 Zigbee 的通訊 協定，礙於無線感測平台和使用者的終端裝置之通訊協定不同，如藍牙、紅外線、

WiFi 等，因此需要一台儀器可以將無線感測平台與使用者的終端裝置之間的通訊協 定做轉換。如圖 2-7 為例，由淡江大學資訊工程學系的無線與行動網路實驗室 (Wireless and Mobile Network Lab)研發的多網合一無線閘道器，能將多種類的通 訊協定互相傳換藉此控制家電，例如使用者可以透過手機的 WiFi 對閘道器發出控制 封包，當閘道器收到來自手機的 WiFi 控制封包時，便會將此訊息轉換成 Zigbee 封 包再代傳至智慧燈炮，用以控制明滅。自動化的封包轉換，提供使用者舒適又便利 的操控性，還可以進一步透過智慧化環境監控的方式來進行能源控管，以減少不必 要的浪費和資源的耗損。

資料來源:物聯網概論

圖 2-7、多種無線通訊透過閘道器控制 Zigbee 家電

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24 2. 雲端運算技術

雲端運算是一種基於網際網路的運算方式，是將許多「端」點串聯起來，這些 端點也就是所謂的物聯網設備，諸如電腦、手機等，每一「端」及合起來將形成如 同「雲」般豐富的運算資源，依照使用者的需求，方便且快速地提供各式各樣的應 用服務。透過這項技術，遠端的服務供應商可以在數秒之內，處理數以千萬計甚至 億計的資訊，提供如「超級電腦」般同樣強大效能的網路服務。雲端運算對使用者 而言，不需了解其所享受的該項服務，是由「雲」中哪台電腦運算、由哪個儲存設 備進行資料查詢，只要透過一條網路線連上網路，即可使用龐大的電腦及網路資源。

此外，使用者也不需要花大錢升級電腦或手機等就可連上「雲」中的硬體設備，大 幅的減少硬體成本。如圖 2-8，雲端運算共分為三層架構，分別為：下層的雲端設 備(IaaS)、中層的雲端平台(PaaS)以及上層的雲端軟體(SaaS)，以下各自介紹這三 層以及其在物聯網上應用。

資料來源:物聯網概論

圖 2-8、雲端運算三層架構

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a. 架構服務 Infrastructure as a Service (IaaS)

提供使用者使用「基礎運算資源」，如：處理能力、儲存空間、網路元件 或中介軟體，讓使用者能夠掌握作業系統、儲存空間、已部署的應用程式

提供使用者使用「基礎運算資源」，如：處理能力、儲存空間、網路元件 或中介軟體，讓使用者能夠掌握作業系統、儲存空間、已部署的應用程式