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物联网的发展现状架构与挑战

来源: http://www.whszsc.cn/ 作者:武汉智能家居公司 时间:2016-11-19 浏览数:


  物联网(Internet of Things, 简称IoT)一词也有人称作 IoE(Internet of Everything),最早在 1999 年由麻省理工学院自动化识别系统中心(MIT Auto ID Center)创办人之一 Kevin Ashton 介绍相关概念时提到:物联网有改变世界的潜能,就像互联网一样,甚至更深远。

 

  一、物联网发展
 

  1997年,负责P&G〈Procter & Gamble〉保养品营销的Kevin Ashton在几次的巡视中,注意到英国零售商在榛果油唇膏总是缺货,他尝试找寻方法解决,并尝试引入无线识别系统〈RFID〉管理P&G供应链。
 

物联网
 

  虽然当时RFID单价成本颇高,但他知道在量产之后,可以有效压低成本,也就是说只要P&G大量购入就可以搭到成本摊平,最后也成功改善供应链相关问题。
 

  一年之后,Ashton出任麻省理工学院自动化识别系统中心的执行官〈Executive Director〉,并在来年提出物联网一词;至今仅经过十多年,物联网算是起步不久,同时面临许多挑战的应用。

 

  二、物联网架构
 

  物联网中,资料由底层的感测节点收集,并交给感测汇聚节点以提供上层运算设备,或是进一步传送至云端网络作为分享、储存或再运算使用,整个系统架构可能有许多种形式,不仅限于图一所示。

  

物联网感测网络

  图一、感测网络阶层图
 

  不过常见物联网架构为欧洲电信标准组织 (European Telecommunications Standards Institute, ESTI) 所整理之三层式体系结构,如图二所示。其中包含最底层感知层、中间层、网络层以及最上层“应用层”。
 

  感知层为物联网发展的基础,其中包含各种感测与通讯能力的设备,借助感知和监测环境信息,如声音、温度、湿度、亮度、速度等等,并使相关信息能传达至网络层;

  而网络层扮演搜集所有节点装置,包含各种有线与无线网络技术,必要时整合异质网络,将信息汇流到物联网专属的运算中心进行处理;

  应用层以客户需求分析感知数据,用来提供各领域各种应用。

  

物联网架构

 

  图二、物联网ESTI三层式体系结构


  1、感知层


  此层多以传感器为基础,一般的传感器为物理设备,能够探测外界的信号,其原理为通过感应组件监测到可被测量的化学变量、物理变量等等信息,然后经由转换组件将相关信号变为电子讯号,也就是将一种能量转换为另一种能量的形式。


  常见传感器类型有声音传感器、车用传感器、化学物品传感器、电磁传感器、流体传感器、粒子传感器、导航传感器、电子罗盘、加速度传感器、光感测组件、压力传感器、力学传感器、密度传感器、温度传感器等等。


  可以看见传感器多为特定敏感组件,根据目的选择适合的传感器,则我们可以针对场景侦测、储存收集到感兴趣的许多信息,再透过网络层传播至用户或供应用系统运算使用。


  2、网络层


  为了彼此分享信息,必须使各组件能够存取因特网,物联网中的通讯技术是构筑在大家所熟悉的网络为基础,且由于环境关系,多是以各种无线网络进行通讯,如短距离无线技术(范围约数公尺至数百公尺)的蓝牙Bluetooth、无线射频识别系统RFID、近场通讯NFC、超宽带UWB、WiFi、ZigBee或是红外线传输等等;长距离无线技术(范围以公里等级起跳)的3G、WiMax、LTE等等。


  由以上无线技术可知,各感测组件有多种通讯方式可供彼此共享信息,虽然,各无线通信的协议不尽相同,但只要以异质无线网络网关设计整合,则可让各不同网络协议进行沟通,藉此连通感知层与应用层。


  3、应用层
 

  依据西班牙传感器科技公司所列世界前50项传感器应用,其中包括
 

  1、智慧城市

  (1)智能停车:监测可服务的停车位

  (2)建筑结构状态:监测建筑、桥墩、纪念碑的结构状态

  (3)都市噪音地图:实时监测都会闹区噪音

  (4)智能手机监测:检测手机通讯接口为Wifi还是蓝牙

  (5)电磁场强度:检测基地台或Wifi路由器的强弱

  (6)交通堵塞:监测车辆与行人状况进行优化

  (7)智能照明:根据天候状况自动调整照明情况

  (8)废弃物管理:监测垃圾桶状况,优化垃圾车回收路线

  (9)智能道路:根据气候与路况,提供高速公路警报与改道信息
 

  2、智慧环境

  (1)森林火灾:监测燃烧气体与火灾情形,以确定警示区域

  (2)空气污染:控制工厂二氧化碳、汽车废气或农场有毒气体排放

  (3)积雪程度:实时监测雪道状况,通知相关人员预防雪崩

  (4)山崩:监控土壤水分、震动和地表密度,预防地表的危险情况发生

  (5)地震提前侦测:根据地震分布区域进行控制
 

  3、智慧水力

  (1)自然水监测:监控城市自来水质量状况

  (2)河川污染:监测河流里是否有工厂废水

  (3)泳池状态:远程监控游泳池水质状况

  (4)海洋污染:监测海水是否遭污染

  (5)管线泄漏:监测是否漏液与管线压力变化

  (6)洪水状态:监测河流、水库的水流变化
 

  4、智能电表

  (1)智能电网:监控与管理能源消耗

  (2)储罐监控:监测储水罐水压或油气罐的油气状况

  (3)太阳能设备部署:监测太阳能板安装效果

  (4)仓储计算:测量供货压力状况
 

  5、安全与应变

  (1)边界出入控制:控制受限区域,防止未经授权的用户访问

  (2)湿度控制:监测重要建筑场地的漏水情况,避免断裂和腐蚀发生

  (3)辐射程度:分布式监测核电厂周围的辐射状况,实时发出泄漏警报

  (4)易燃物和有害气体:监测工厂或矿山周围的危险气体程度
 

  6、零售通路

  (1)供应链控制:监测供应链的生产状况,提供产品追踪的能力

  (2)电子付费NFC:提供各种营业场所的付费服务

  (3)智能购物:根据顾客的习惯、爱好等等个人状况,提供购买建议

  (4)智能仓储管理:控制商品在货架与仓库的变动,自动化管理进货
 

  7、物流

  (1)货运状态:监测货品是否遇到震动、拍打、开封或冷藏等等

  (2)货物定位:从库房、港口大面积货物中寻找货物

  (3)危险物品侦测:当易燃易爆物品接近则发出警报

  (4)航线追踪:对特殊物品,像是药品、珠宝或危险物品进行航线管理
 

  8、工业控制

  (1)M2M应用:设备的自动诊断与资产管理

  (2)室内空气质量:监测化工厂的气体水平,保障工人和物品安全

  (3)温度监控:控制敏感商品的工业或医药用冰箱的温度

  (4)臭氧侦测:监测肉类加工过程中排放的臭氧状况

  (5)室内定位:以主动式Zigbee或被动式RFID/NFC来定位资产

  (6)车辆自动诊断:通过CanBus搜集信息,给司机发送警报或建议
 

  9、智慧农业

  (1)葡萄酒质量改进:监测葡萄园土壤水分和树干直径,控制葡萄健康

  (2)温室监控:控制温室内气候,最大化作物的产出和质量

  (3)高尔夫球场:对干燥地域进行浇灌,以节省用水

  (4)气象网络:研究地区的天气,预报各种气象的变化情形

  (5)混合肥料:控制堆肥的湿度和温度,避免真菌和微生物污染
 

  10、智慧畜牧

  (1)水质栽培:控制水中植物的状况,提高收获

  (2)家畜监测:监控牧场里家畜的生长情形,以确保存活率和健康

  (3)动物追踪:定位开放牧场或大范围放牧的动物

  (4)有毒气体监测:监测牧场通风情形,预防粪便堆积产生有害气体
 

  11、智能家居

  (1)水电使用:监控家庭的水电使用状况,以获取建议节省开销

  (2)远程控制:远程遥控开关,避免事故或节省能源

  (3)入侵检测系统:监测是否有强行入侵的状况

  (4)重要物品监测:监测博物馆和美术馆的情形
 

  12、电子化照护

  (1)老年人照护:帮助独自居住的老年人或残障人士

  (2)医药冰箱:控制需冷冻保存的疫苗、药品的存放情形

  (3)运动员照护:进行运动中心生命特征监控

  (4)病患监控:监测病人或养老院的状况

  (5)紫外线监控:监测太阳紫外线,避免长期暴露在外面
 

  另外根据Progress(为一间国际性软件公司, NASDAQ: PRGS)于2015发布一份针对美国、英国、法国、德国、瑞典、荷兰等国作了678项调查,并分析结果,目前物联网市场主流为智能家庭(约占19%),其次为穿戴设备(约占13%),接着为自动化汽车设备(约占11%),以及运动照护(约占11%)。
 

  而同时回顾过去三至五年的时间,健康照护为其主流(约占14%),其次为智慧城市(约占13%)以及自动化汽车设备(约占12%),此三者为目前主流项目。

物联网产业排名

  图三、 物联网应用趋势图


  三、面临的挑战
 

  IBM于2015年提出五项物联网所面临的困境,只有提出相关解决方案,才可能让大众尽享物联网带来的安全与便利,其中包含:
 

  1、联网成本高

  由于目前物联网的规模还未达市场预期,各种云端与大型服务器的基础设施和维护成本高昂,除硬件设施外,再加上中间提供软件厂商的服务费用,造成物联网连网费用十分高昂。
 

  2、互联网依赖底

  此处所说的网络信赖度,即是指网络安全性与隐私问题,“当生活周围的对象跟设备链接成一个大型的智能网络,它们的数据提供生活上的便利,却也可能成为个人隐私外泄的媒介,这些外泄的对象感测数据很可能成为网络犯罪的重要工具。”
 

  如果个人资料,如家用水电的使用纪录外泄、监视器遭远程侵入,外人便可以轻易地知道一切的生活习性,也无所谓的居家安全可言;另一方面,国家单位的数据库若被有心人士为了乐趣或成就感盗取,也是国家安全的隐忧;但若要使相关设备加入安全机制,一般传感器因为硬件限制,很难负担相关的加密程序;如何实现物联网安全,降低风险让使用者信服,是物联网的重要课题之一。
 

  3、无法应对未来
 

  消费者通常在短时间内即会汰换手机,然而物联网基础设施的寿命可能长达数年,因此,后续的软件更新与修正成本将对企业财务造成巨大的压力。
 

  4、缺乏功能价值
 

  现今有许多物联网解决方案,但大部分仅强调联机,缺乏具有意义的价值,无法给用户获得更好的使用经验。
 

  5、无完整的商业模式
 

  现金物联网的商业模式大多为贩卖用户数据或广告,实际营收将属于相关整合业者,在不明朗的商业模式下,市场是否能够反应大量应用程序成本,可能会过度乐观。
 

  四、文章结论

  现今许多信息皆可以通过微信、微博之类的社交平台分享信息,当物联网进入现今互联网,则信息将不再只是由人们输入相关信息分享。而是由智能型对象对环境变化反应与识别,再通过网络自动将信息传递给用户或应用程序,我们可以看见物联网发展可能带来的便利性,我们可以实时了解可掌握的所有物品信息,也简化处理事情的程序,为我们提升一定的生活质量,产生新的生活方式。


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