物聯網生態系技術發展資料調查

物聯網是結合智慧裝置和雲端運算的基礎，根據歐洲電信標準協會(ETSI) 之定義，物聯網可依照不同的工作內容以「層」(Layer) 的方式劃分成三層，其 主要是由感知層、網路層及應用層所建構而成。文獻 (張志勇、陳正昌，2012) 中勾勒出關鍵技術及應用架構之關聯如圖 2-17。而在物聯網的技術方面，強調 辨識、物聯網資訊架構、通訊、網路、資料訊號處理、搜尋引擎、網管、電力儲 存、資安等各方面重點。

圖 2-17. 物聯網架構與關鍵技術之關聯 [11]

如圖 2-18 為 CPS(Cyber-Physical Systems, 網絡實體系統 或稱 人機物融合 系統) 所建議的架構，說明 IoT 裝置的資料量與運算設備層級，由上至下裝置數 量越多，而所處理資料量越少量，最下層的嵌入式系統與各種感應裝置廣布於物 聯網環境之中，做為接收環境資訊用，如機器人、智慧型手機屬於這層；中間層 為即時運算裝置，用來接收嵌入式裝置所蒐集到的資料，暫存資料並且做成封包 傳送到大數據中心；最上層的大數據中心儲存經過簡易分類過的資料並且保存這 些大數據，管理者再存取這些大數據去作機器學習等運算。有鑑於這樣的系統架

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構概念，低功廣域網路技術應運而生。

圖 2-18. 網絡實體系統的建議架構 (Pradilla and Palau, 2016 )

圖 2-19 中顯示了一些在 IoT 中廣泛採用的網路通訊協議，以及它們適合 TCP / IP 層的網路通訊協議。現有的物聯網系統（IoT）主要基於使用 TCP / IP 網路通訊協議（特別是IPv6）。TCP / IP 網路通訊協議最初的設計並不適合物聯 網環境。在過去幾年中，國際網際網路工程任務小組IETF 花費了大量精力修改 協議，除了擴展現有的協定，更開發多種新協定，以適應IoT 的部署。

圖 2-19. 物聯網的網路通訊協議 [33]

低功廣域網路(LPWAN)技術

應用於建築物外的網路稱之為廣域網路，目前的電信網路是為人與人之間的 通信而設計，而物聯網主要是為機器對機器、人對機器或機器對人的通訊，運用 系統整合層來整合資料儲存、大數據分析、人工智慧等。因此為物聯網設計專屬

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的無線及核心網路成為一熱門的趨勢，如正在發展中的Weightless、400 MHz 、 RPMA（random phase multiple access）、UNB（ultra narrowband）、PLANet 等無 線網路，不僅提供無線通訉，有的也擁有核心網路功能，可以完全不使用目前的 電信網路。同時3GPP 也努力為物聯網發展所謂 Low Cost LTE 之無線網路及支 持MTC（machine type communications，亦即物聯網）的核心網路，後者包括物 聯網裝置激發機制的最佳化（triggering optimization），以及物聯網流量之過載和 壅塞控制機制（overload and congestion control）等。雖然目前物聯網國際標準偏 向於使用現有的電信網路，但未來的發展如何仍有待觀察。為了因應物聯網裝置 省電、長距離傳輸資料的需求，低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network, LPWAN)因此而生。

窄頻物聯網（也被稱為NB-IoT 或 LTE-M2）是被建議的 LPWAN 技術，其將 不會在LTE 構造中操作。相反，它被設計成以三種方式之一存在：

(1) 獨立存在；

(2) 在以前用於 GSM（全球移動通訊系統）的未使用的 200-KhZ 頻段中；

(3) 在 LTE 基地台上將資源塊分配給 NB-IoT 操作或在其保護帶中。

因應全球物聯網商機龐大，傳統的 4G 網路已無法滿足大量設備聯網需求，

距離5G 佈建完成又有一段漫漫長路要走，低功耗廣域網路(LPWAN)的窄頻物聯 網( Narrow-Band-IoT, NB-IoT)應運而生，以其低功耗、低成本、大連結、廣覆蓋 等特性，迅速成為全球資通訊大廠及運營商的開發重點。依據3GPP 標準規範所 研發的窄頻物聯網(NB-IoT)技術，大幅降低干擾問題，相容於 3G/4G 行動通訊 LTE 系統，並可透過軟體升級，快速導入相關服務，並具有下列特點：

(1) 低功耗：終端功耗低，電池使用壽命可達 10 年之久。

(2) 低成本：模組目標價格約在 5 美元以下，較傳統 3G 模組更具成本優勢。

(3) 廣覆蓋：傳輸距離長達 10 公里以上。

(4) 大連結：可連結 10 萬個以上連結，大幅度超越傳統電信網路。

表 2-8. LPWAN 六大主要技術差異比較表[52]

實體層及感測層技術

物聯網發展關鍵在於機器之間的協作，感測器就是其心臟所在。不管是從機器間

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的資訊協作、測量、分析到控制，都要靠感測器來搜集資訊。感測器的研發擘畫 出未來世界的影子。例如:以色列所研發的奈米科技「電子鼻」，可以聞出如炸彈、

生化武器與毒素等國安威脅，可以從微量的成分中檢測到氣體、液體與固體樣本 中不同種類的化學威脅，像是炸藥、生化武器等，效率大幅超出現有的技術，也 完全勝過緝毒犬或其他緝毒動物的能耐，以上案例說明了感測器掌握了物聯網的 未來。物聯網中感測器透過射頻識別（RFID）、紅外線感應器、全球定位系統、

雷射掃描器等感測設備，按約定的協議，把任何物品與網際網路連接起來，進行 資訊交換和通訊，達成智慧識別、定位、跟蹤、監控和管理。

圖 2-20. 環境中常見的智慧物件[55]

發展感測器要解決規模化生產，聲音、氣敏、力敏、磁敏、光敏、RFID 等 六大類傳感器都具備產業化基礎，其中的基礎核心技術就是微機電(MEMS)和無 線網路技術，此外紅外線技術 、奈米技術 、陶瓷技術、薄膜技術（含 SOI，Silicon -On -Insulator 絕緣襯底上的矽）、 光纖技術、複合式感測器跨領域的方向發展。

感測器將朝著更加微型化、集成化、智慧化、柔性化的方向發展。目前感測器技 術發展與創新的重點在材料、結構和性能改進三方面：

- 敏感材料：從液態向半固態發展；

- 結構：朝向 小型化、集成化、模組化、智慧化方向發展；

- 性能：朝向 檢測量程寬、精度高、抗干擾能力強、 性能穩定、壽命長久方 向發展。

圖 2-21. MEMS 感測器的各大廠牌生態系[45]

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如圖 2-21 即為 MEMS 感測器的各大廠牌生態系，感測器在物聯網的應用涉 及到汽車、智能工業、智能農業、智能交通、建築節能、智能環保、智能電網、

健康醫療等各種領域。是構成物聯網感知層信號來源的最廣泛最基礎的信號節點。

台灣要跨足感測器晶片市場，需要與機械、化工、生醫、環工等領域結合合作，

為了協助台灣的產業進入感測器晶片市場，國研院晶片中心研發了「感測晶片高 速整合技術」，可快速組合完成物聯網應用之無線感測晶片，大幅簡化設計及測 試時間，加速物聯網應用之創新投入。「感測晶片高速整合技術」可以任選不同 特性的無線感測區塊，組合成全新的感測晶片。例如晶片中心組合運動感測器、

電容感測信號讀取、省電低速處理器、藍牙無線傳輸、電池電源管理電路，製作 出「智慧背包感測晶片」，當背包快速大幅移動時，即可能是登山者跌落山谷，

可立即發出求救訊號給指定對象；晶片中心又組合形變感測器、電阻感測信號讀 取、RFID 無線傳輸、電磁波能量擷取電路，製作出「智慧骨板晶片」，當受傷 的骨板完全癒合，不再產生形變，就會發出訊號通知醫生可以開刀取出骨板了。

國外大廠主要將感測器技術放入工業流程當中，台灣則可以讓這份技術更加貼近 生活，交通、醫療、救援、穿戴式裝置等都是值得投資的領域。 物聯網發展的 關鍵在於機器之間的協作與資訊傳輸 ，而感測器在這些機器網絡以及更長遠的 互聯世界中，扮演了不可或缺的角色。

BA(建築物自動化)系統是指採用電腦對建築物內所有機電設施進行自動控 制的系統，為了實現節能和安全等目的，採用微機電控制系統，將配變電、空調、

動力、照明、通風、給排水等的監控管理集中在監控中心(兼作消防中心)。該系 統同時可完成安全防護、報警、巡更、電子地圖、遠程抄表、預收費用等功能。

系統所有信息應可與其他系統共用，實現物業管理自動化。

圖 2-22. BA 系統前端感測控制裝置 (資料來源：國霖機電)[19]

如圖 2-22 為現有 BA 系統常見之物聯網前端感測控制裝置，負責前端資訊 的蒐集工作，其項目如下：

- 發電機、電瓶、油箱、ATS、市電、變壓器溫度監視 - 紅外線移動感測進行公設照明控制

- 消防系統監視

- 自來水、污水處理系統監視

- 進、排風系統、擾流風機、一氧化碳監控 - 緊急安全求救系統

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- 對講功能整合

- 門禁系統連動燈控整合 - etag 車道、車位燈管控 - 公設電力能源監控 - 花草噴灑控制系統 - 監視影像系統整合

實體層目前常見的物聯網應用實例，如表 2-9. 中華電信的社區終端應用實例，

以及如圖 2-23，中華電信 IoT 大平台目前所支援的終端可程式化設備分為智慧 製造、智慧安防、智慧建築/家庭、智慧交通四大類，其中與本研究範疇較相關 的部分主要在網路攝影機及九大家電品牌之設備，均可透過共通協定加以連結。

圖右並列出目前智慧家庭實際可連結之設備內容。以下並列舉中華電信IoT 大平 台已成功應用之智慧停車、智慧三表及智慧燈柱等案例。其中，智慧三表網路是 連結公共事業與用戶間進行資訊交流的最後一哩路，透過NB-IoT 大涵蓋及低成 本的優勢，搭配IoT 大平台收容各廠家資料，透過智慧三表用量數據分析，可提 供智慧用量管理方案，上述應用可作為本地智慧社區規畫時，建議導入推廣之應 用項目。

表 2-9. 中華電信的社區終端應用實例 智慧服務 適用空間 實體層終端設備

智慧三表應用 (水電瓦斯) 用電分析

節能管理(需量分析 與管理)

漏水分析

Utilities 資源管理

住宅社區 各戶空間

(1) 讀表資訊

•網路：NB-IoT+平台

•感測器：智慧三表 (2) 主要特色

•大涵蓋：提供廣域涵蓋能力(+20db)

•大涵蓋：提供廣域涵蓋能力(+20db)