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物联网五大关键技术分析
 

【作者: Gartner】2013年04月01日 星期一

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从创新的观点而言,对象分为许多种类。但部分对象因无法链接至因特网或不具感测与互动能力,并不符合传统的物联网定义。针对本次研究,我们将对象范围扩大为以下四类:


1. 可辨识对象:

可辨识但不具智能的被动对象,如『无线射频辨识系统』(RFID)应用产品。此类对象因属较原始的应用而无法联网,但仍具互动功能。


2. 沟通/感测对象:

此类对象内含传感器,能传送自身或所处环境之相关讯息(例如:汽车轮胎里的无线压力传感器)。


3. 可控制感测对象:

除了感测与传送,此类对象还能接收讯息并受操控。能从远程开关并监控的暖气系统锅炉即为一例。


4. 智能型自主对象:

为能传送讯息的复杂对象,可并入各种传感器与精密功能,进行高自主作业,汽车即为一例。自主型对象通常较为复杂,其中可能包含各种简单对象。


上述各种对象将运用于不同领域的科技。一般来说,受限于大小、功耗与成本等因素,较简单的对象,如沟通/感测对象与可控制感测对象较可能利用专门技术。智能较高的对象,如智能型自主对象则较可能利用传统IT技术,因此类对象通常体积较大且资源较不受限。有意跨足物联网领域的新兴趋势团体,则须留意以下五项技术:


一、低功耗无线连网技术

目前已有许多针对物联网所开发或开发中的无线连网技术。以下三类最为关键:


1. 个人区域网络:

此类低功耗网络仅能于几公尺的有效范围内链接至传感器及人体周边仪器,可应用于医疗照护或个人电子等其他用途。实例包括低功耗蓝牙(Bluetooth LE),以及支持三种实体网络传送技术的802.15.6最新局域网络标准。亦有其他专用术语用以表达此概念。


2. 长距离传感器与网状网络:

此类技术乃针对长距离应用(从数十公尺到数公里远)所设计,但仍保留低功耗特色。有些还能支持多重网络拓扑(network topology),例如星状拓扑(star)、网状拓扑(mesh)以及点对点拓扑(point-to-point)。目前该领域最为人熟悉的技术为ZigBee,而Dash-7亦逐渐成熟,有潜力成为数公里有效范围的低功耗应用。市场需要兼具蜂巢式全国覆盖范围及低功耗的技术,但此一领域尚无已成气候的全球性标准。两项研发中的技术较被看好,包括日本的WAUN (Wide Area Universal Network)以及Neul公司的无线网络。业界还推出带宽低于1GHz、堪称Wi-Fi变体的802.11h技术,提供低耗能、长程与低数据率(data rate)功能,然而恐难于2015年前达成标准化。


3. 特殊应用网络:

现今已有数种无线技术于特殊应用领域崛起。其中一部份属于专属性质(proprietary),故其吸引力不如已广为市场接受的其它标准,运用于医疗照护及运动感测的ANT+技术即为一例,其他还有工业自动化领域的无线HART(Highway Addressable Remote Transducer Protocol)通讯协议,以及家用自动化的ZWave。


目前尚无任何一种无线技术能够满足物联网在有效范围、成本、带宽与功耗各方面之所有需求,多数企业与机构因而必须规划同时使用多种技术。


二、优化传感器数据管理

学界多年来致力于研究小型智能型对象间传送数据与查询,初步成果包括TinyDB,以及近年来刚起步的SENFIS、AnduIN与Antelope等系统。Antelope是一种分布式感测数据库(sensor database),静态RAM印记仅3.4Kb。分散于各传感器节点的低印记数据库,相关技术多半仍停留在学术研究阶段,因此建议想要追踪这些技术的企业与机构,可利用美国计算器协会(ACM)数字图书馆之类的学术资源。


三、低功耗嵌入式操作系统平台

针对需要超长待机时间的简单对象,或称『智能微尘』(mote),目前则已研发出TinyOS、IRIS、LiteOS、 MansOS以及Contiki等低印记操作系统。早期,这类系统及其使用的智能微尘硬件均缺乏处理线程(threading)与保护内存等功能,但这对多数开发商而言都是现代操作系统所不可或缺的。不过,新近版本已加强上述操作系统功能,让嵌入式系统更接近主流平台。


新兴趋势团体应监控此类操作系统,以及其所采用的程序化与除错技术,因为它们可能会与传统IT发展趋势截然不同。


四、物联网电源与储存技术

可能在物联网发展路径中扮演重要角色的电力传输与储存技术包括:


1. 新颖的电池外型:

像是薄膜印刷电池及可挠式电池,能嵌入衣物或Thinergy、LG等业者最近展示装有薄型可挠电缆式电池的产品。小体积电池对毫米级(millimeter-scale)系统运作也相当重要。


2. 高电力密度电池:

有了可提升锂电池性能的硅阳极(silicon anode)等技术,可望提升电池性能且变得更小更轻。


3. 采电:

有些系统能从环境中「采电」(harvest),藉此将智能对象充电。实例包括以震动、热源、太阳能电池、静电荷(electrostatic charge)或环境中电磁辐射等机械运动所产生的电力。虽然采电通常只能产生少量电力,对简单的感测及通讯对象来说已经足够。像MicroStrain便推出一款利用采电技术的应变力传感器(strain gauge sensor)节点。


4. 无线充电:

并非所有具感测及通讯功能的对象都能以替换式电池或采电供给所需电力。举例来说,智能型服饰(smart clothing)要换电池就很麻烦,此外像是植入皮下的医疗用传感器等前景看好的物联网应用,也不可能更换电池。在无线充电联盟(Wireless Power Consortium)及对手组织A4WP赞助下,目前已有数款系统开始初期量产,其它则仍处于研发阶段。


此外,还有一种电源科技尚未针对物联网应用完全开发潜能,那就是超级电容(supercap),亦即储电能力超高的电容。虽然一般认为它将成为电池的替代品,现有产品却有漏电过多的问题。然而,新兴趋势团体仍应留意未来超级电容的可行性是否会有所提升。


五、低功耗/低成本的小型处理器

低功耗处理器的设计于简单运算领域已大有斩获。如美国密西根大学(University of Michigan)所研发代号『凤凰』(Phoenix)的芯片,在休眠模式下仅耗电30微微瓦(picowatt)。最低阶的8位装置虽说技术已臻成熟,处理器成本仍将持续下滑,因此成本已开始达顶。尽管如此,Gartner预估,到了2016年,8位微处理器成本约为0.5美元。


研究人员已研发出结合薄膜电池、采电用太阳能电池、处理器及简易无线装置的小型系统。这类系统的体积几乎可以小到1立方毫米,不过离工业量产可能仍需数年。若可行,这类毫米级运算系统将实现「智能尘」(smart dust)之类的概念,也就是可以大量配置的小型感测节点。


智能手机等装置的大规模量产降低了高度整合且相对高阶处理器的成本,其中部分处理器已广泛应用于低成本运算产品,如仅有信用卡大小、以Linux为操作系统的单板(single-board)装置Raspberry Pi,售价约30美元。此类装置可能有助于降低门坎,针对体积与耗电不受限制但成本相形重要的应用,生产价格低廉但具自主功能的复杂对象。


(作者为Gartner副总裁Nick Jones)


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