物聯網

物件

IoT 是以稱為「物件」的物品與裝置作為基礎，其透過網際網路所連接，配備有感測器、軟體及其他技術，以便與其他物件和系統之間來回傳輸和接收資料。IoT 的主要目的在於使得物件更具動態性，並且更加便利。IoT 系統橫跨產業及應用項目所使用的共同建構模組包括感測器、有線及無線解決方案、天線、電池及少數較小的連接器和被動元件，以驅動生態系統的低功率、互連和智能物件。

這些感測器可收集極為敏感的資料，彌補平實體與數位世界之間的空缺。並且能將實際世界的寶貴資訊轉換成為數位資料。進一步接受處理和分析之後即可實際派上用場，例如增強 IoT 設備為使用者提供的產品與服務。

對於所有智慧型應用，感測器都相當重要。不僅能夠偵測物理/化學變化，所收集的資料經過處理之後，感測器還能使得應用/裝置自動操作，成為智慧型設備。IoT 能夠整合各類感測器、裝置及節點，可在未經真人干預之下相互通訊。諸如感測器和致動器模組的物件，是以例如 USB、GPIO、I2C、SPI 及 UART 等共同介面所實體連接。

IoT 的精髓在於「物件」和「資料」。IoT 系統中所運用的硬體配備有電子元件，例如整合感測器、智慧感測器和致動器、連接/通訊電子和軟體，以擷取、過濾和交換關於其自身、其狀態及其環境的資料。

「物件」有相關資訊，可為靜態或動態，並且嵌入於系統中。因此許多物件/裝置可作為智慧型「物件」使用。具有 IoT 技術的物件已透過各種工具和技術嵌入智慧型功能。「物件」之得以演進是因為匯集多項技術、即時分析、人工智能、機器學習、商品感測器和嵌入式系統。對於造就出 IoT 也有貢獻的其他支援性質骨架系統是傳統領域的嵌入式系統、無線感測器網路、控制系統、自動化等等。

建立智慧型 IoT 環境時，幾乎所有領域都用到感測器；智慧型環境應用的一些例子包括：智慧型停車、智慧型交通管理、智慧型照明、智慧型城市、智慧型儀表及其他許多項目。感測器有各種類型，從極為簡單到繁複者皆包括在內。部分常見的 IoT 感測器有近接感測器、位置感測器、佔用感測器、運動感測器、速度感測器、溫度感測器、壓力感測器、化學感測器、濕度感測器、水質感測器、紅外線感測器、陀螺儀感測器、光學感測器及其他許多。為感測器分類時可根據規格、轉換方式、所用材料類型、感測的物理現象、性質等。可依照單一封裝或感測器模組包含幾種不同的感測器，在不同的整合層級提供這項特色。

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連接

IoT 應用彼此差異甚大，不過有許多都需要將大量的感測器散佈在大片區域。有許多不同的通訊技術可用來連接這些感測器裝置，各裝置還可使用不同的傳輸通訊協定。感測器、閘道器、路由器、軟體、平台及其他系統，在 IoT 生態系統中全都連結在一起。這種彼此相連的方式稱為 IoT 連網。通常會利用各種網路解決方案，論功耗、範圍及頻寬能力皆各不相同。感測器與傳感器裝置視應用而定，以各種連網裝置連接到網路；例如集線器、閘道器、路由器、網路橋接和開關。需要悉心考量，方能選出適當的 IoT 連接或網路通訊協定技術。

IoT 的連接解決方案採取數位訊息格式，許多設有讓裝置彼此交換資料/訊息所需的規則。可使用無線或有線連接解決方案加以實作。無線解決方案對於長距離和短距離連接有不同的標準。長距離連接解決方案可使用發照（行動通訊）或無需領照的標準，稱為 LPWAN（低功率廣域網路）。短距離 IoT 連網解決方案是在短物理距離內傳輸資料，資料收集器與處理感測器資料的閘道器之間距離通常不到 150 公尺。

閘道器能透過各種通訊協定與感測器/裝置通訊，接著將資料轉譯成標準通訊協定，例如 MQTT。並能預先處理及過濾所產生的資料，以便降低所需的傳輸、處理及儲存需求。

WiFi 是區域網路最常用的無線技術。運用於各種 IoT 應用，尤其是智慧型家居和智慧型辦公室環境。WiFi 以大約 2.4 GHz 或 5 Ghz 頻率操作。WiFi HaLow (802.11ah) 和 HEW (802.11ax) 這兩種 WiFi 標準是專為 IoT 所開發。

藍牙也是物聯網的重要通訊協定，運用在智慧型家居和工業應用。這項技術有可觀的成長。在連接上，是一種低功率、低距離、高頻寬的選擇。藍牙 V5 是推出的最新版，也專以物聯網為對象。號稱距離四倍，速度加倍。

LPWAN 是為智慧型網路設計的新型全球連網標準，以資源受限的裝置分散到大片區域，耗用最低量的功率。這類網路的設計對象，是低資料傳輸率、低成本，需要較長電池壽命，並於遠端和難以觸及位置操作的 IoT 應用。

窄頻物聯網 (NB-IoT) 是一種 LPWAN 標準，促成豐富的新 IoT 裝置與服務問世。可讓大量的感測器/裝置在大片區域中收集及傳送資料，同時節省電池壽命。這類裝置可靠一個電池持續數年，而非僅只數週或數月。這類應用經常需要有 IoT 閘道器方能運作。

行動通訊網路提供存取網際網路的骨幹。這類網路以功耗為代價，著重於距離和頻寬。能夠長距離傳送大量資料，但消耗電池的速度相當快。行動通訊針對 IoT 應用提出的解決方案是關於低延時之下的長距離資料傳輸。這類是在 LTE 演進之上建置的 LTE-M、Cat-0 以及 Cat-1、EC-GSM 和 NB-LTE。這些標準全都在現有 LTE 或 GSM 網路上無縫操作，並支援廣泛的多種 IoT 應用。

要求具備全球覆蓋率及/或行動能力的部分應用會採用行動通訊技術，但大多數 IoT 裝置採用的是非行動通訊技術，共用無需領照的頻帶中的頻率，以相互通訊和與雲端的 IoT 應用通訊。

有線連接解決方案使用乙太網路線連接到網路。有線網路是完善的基礎架構，只要有電話線即可輕易連接。

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處理

IoT 有下列四大元件：感測器、連網、資料處理和使用者介面。大多數情況下，程序會走一套迴路，共分為三個簡單的階段：輸入、處理和輸出。

所擷取的原始感測器資料，首先必須接受資料清理和處理。處理是以各種資料技術所完成，例如資料除雜訊、資料插補，和資料極端值偵測、資料彙總和其他各種資料操作技術（分類、排序和計算）。資料整合或感測器融合是結合二或更多個資料來源的程序，協助在各項應用中產生更精準且一致的動態系統隱含結果。

IoT 系統需要對於資料和儲存的特殊運算能力。根本上需要儲存大量資料，以便執行資料分析，達到所需成果。機器學習、人工智能和深度學習技術對於分析大量 IoT 感測器資料是前景樂觀的解決方案。這些技術因為能使程序自動化、能預測設備故障，和即時追蹤安全威脅，所以能使未來改觀。待解決方案可完全自動時，AI 可使用連線的 IoT 網路裝置協助帶路。藉由將 AI 應用在 IoT 的資料管理與分析，組織能從這些龐大的異質資料集之中迅速提取有價值的資訊，因應即時的情況。

各項新興技術有整合的需要，例如邊緣運算、雲端運算和霧運算，以朝向資料分析模式的高效運算為目標前進。邊緣分析工具能在網路邊緣分析資料，不必在集中位置進行分析。資料能在裝置上就地即時分析，或在與 IoT 裝置連線的近距離閘道器系統上執行。邊緣裝置可作為閘道器使用，讓網路上的其他裝置與其他 IoT 中樞通訊。對與雲端服務進行通訊的應用而言，邊緣閘道是一個網路存取點。此外，也經常為使用不同通訊協定的網路之間提供網路轉譯。

雲端運算採用遠端雲端伺服器上的大數據和平行分散式系統技術。能處理 IoT 感測器所產生的龐大資料量，使系統能為 IoT 應用提供高效服務。在霧層級 IoT 感測器的資料處理中，感測器資料的特點經過擷取和處理，以使用神經網路將不同的訊號模式分類。根據神經網路分類的輸出，事件識別與決策進行是在霧的層級執行。

以單主機板電腦 (SBC) 為基礎的 IoT 邊緣處理與運算平台為設計師提供越來越多經濟且受到良好支援的解決方案。並有微控制器單元 (MCU)、微處理器單元 (MPU)、數位訊號處理器 (DSP) 和場域可編程閘陣列 (FPGA) 型平台可用的各種開發套件和工具，是設計與開發 IoT 系統最為高效的方式。

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電源

為了操作與網際網路連線的數十億 IoT 裝置，需要耗費龐大能量。這可能會導致相當多的電子功率浪費。因為 IoT 在能源效率上經過最佳化，所以含有各種運算元素的異質 IoT 網路可針對各種工作任務最佳化，並能自動回應應用的特定功率需求。需要在電路中實作低待命電流和低漏電，並且利用時脈節流，以成為高效的節能系統。

因為處理大量資料，並為即時資料分析使用智能演算法，故有助於監控能耗。對許多 IoT 系統而言，如何取得恆定功率是反覆出現的挑戰。可能是實作類型，也可能是將裝置連接到供電壓的成本構成問題。設計考量範圍包括主要系統元素，例如所選的微控制器、無線介面和感測器，以及系統電源管理。使電力需求降至最低的一個重要方式是選擇可使能效更高的適當控制器/處理器。

妥善的網路通訊協定也是必備要求。部分通訊協定會耗用比所需更多頻寬，為了支應導致汲取過多電力。透過自動處理感測器介面和其他周邊功能，能達成可觀的省電效果。在感測器節點中，透過無線連結傳送的資料量應該相當小。這時，ZigBee 會是最佳網狀連網解決方案；對於標準型且注重電力的點對點組態，Bluetooth Smart 是卓越的選項；專屬 Sub-GHz 解決方案能在星狀或點對點組態中，對於網路大小、頻寬及資料負載發揮最大的彈性。

在低功率和主動模式下的能耗，以及從低功率模式快速甦醒成為全速操作的要求，可在節省電池電力上有可觀的表現。低耗電應用的最終設計考量，是關於為系統本身供電。取決於應用項目中所使用的電池類型，往往需要使用升壓轉換器或升壓開關穩壓器。

有許多作法能避免發生 IoT 的常見功耗問題。為了提升 IoT 裝置的功率效率，可併用多項降低耗能與能源採集的方法。能源採集這一種系統是經由週遭達成能源形式的轉換；此項進階技術已於近年顯著受到採用，對於某些部署而言是可行的選擇。對系統的降低耗能是在硬體元件層級實作，其中利用進階電源管理技術和各種省電模式。

如為較複雜的系統，電源管理 IC (PMIC) 能對全系統做到更精確的控制。從單一電源，您可以產生多重電壓通道，以驅動嵌入式系統的不同元素。

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安全性

已經部署或是部署中的 IoT 應用，幾乎全都需要具備高層級的安全性。隨著 IoT 持續吸納許多應用項目，有著眾多的安全挑戰存在，例如資料隱私權、資料安全和異質性，這些全都需要顧及，以確保 IoT 系統能夠安全地運作。

任何 IoT 應用都能歸類為下列層次之一：感測、網路、中介軟體或應用。這些層次分別運用多元的技術，形成了一些問題和安全上的威脅。感測層次主要是在處理實體 IoT 感測器和致動器。網路層次的主要目的是從感測層次將資訊傳輸到運算單元以接受處理。中介軟體層次扮演網路與應用層次之間的橋樑。中介軟體層次包括代理程式、永久資料存放區、佇列系統、機器學習等。中介軟體層次的其他主要安全挑戰還包括資料庫的安全和雲端安全。在應用層次，有各種 IoT 端至端應用。

有一些閘道器將這些層次分別連接，以協助資料流通。閘道器層次是寬廣的層次，連接多重裝置、人員、物件和雲端服務。這對於為 IoT 裝置提供硬體和軟體解決方案有所幫助。IoT 資料的解密與加密，以及為了層次之間的通訊而轉譯通訊協定，是由閘道器處理。

保護 IoT 的主要目的在於確保資料安全、隱私權和保密，以及 IoT 環境中所提供基礎架構、裝置和服務的安全。

針對 IoT 所受威脅的安全性，目前與未來的解決方案包括各種機制，例如區塊鏈、邊緣運算、霧運算和機器學習。

區塊鏈是防止 IoT 裝置資料遭受竄改的強力防線，能鎖定存取權，並允許合作裝置在 IoT 網路中運作。因為能為 IoT 環境內的許多安全問題提出一個解決方案，並且為分散性質，因此不需要為了管理交易而設置集中的授權單位，這對於安全以及保護 IoT 資料的隱私權來說可能是較好的解決方案。

IoT 邊緣裝置可從感測器收集資料，並且相互通訊；邊緣可作為通往網路和核心系統頗為便利的進入點，以致於成為易受網路攻擊和實體安全（竄改裝置）的弱點。資料外洩與侵犯隱私方面的威脅、經由遠端控制竄改產品，以及對於資料的攻擊，在交換時大量資料都會加重。

與其他傳統方式相較，機器學習 (ML) 有抵禦攻擊的另一套方法，這對於保護 IoT 裝置對抗網路攻擊來說似乎是前景樂觀的解決方案。許多網域正在利用 ML 進行開發，同時 ML 也被運用在 IoT 安全。

半導體晶片製造商 Arm 的產品在連線住家的安全裝置、燈泡、電器等等是最為盛行的架構，該公司近期為了提高 IoT 安全推出新的安全框架，名為平台安全架構 (PSA)。此項目可幫助電子設計師將安全性直接建置在裝置韌體內。PSA 也提供基於消費性裝置「最佳實務方針」的 IoT 威脅模式、安全評估硬體與韌體架構等解決方案。

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儲存

雲端運算是以資源共用為基礎，這屬於 IoT 平台重要的必要條件。雲端運算程序中，會從 IoT 裝置收集大量資料，儲存在外部的租用伺服器。使用者可經由具有網際網路連線的任何裝置存取雲端服務。雲端提供具有彈性且附有可擴展的資源的應用服務，隨時可存取和使用。在邊緣或者雲端儲存與處理資料，於兩者之間達成平衡的程序相當重要。在邊緣保存過多資料，也可能導致邊緣裝置疲於奔命，對整個應用有所影響。

雲端是以「雲端服務」形式為 IoT 裝置提供儲存空間和運算能力。基礎架構作為服務 (IaaS)、平台作為服務 (PaaS) 和軟體作為服務 (SaaS) 是可用的三種雲端服務。常見的一些物聯網雲端平台解決方案包括 Artik Cloud、Autodesk Fusion Connect、AWS IOT、GE Predix、Google Cloud IoT、Microsoft Azure IoT Suite、IBM Watson IoT、ThingWorx、Intel IoT Platform、Salesforce IoT Cloud、Telit DeviceWise、Zebra Zatar Cloud、macchina.io、ThingSpeak 和 Particle Cloud。

4G 行動電信技術為無線數據機、智慧型手機與其他行動系統，提供行動寬頻網際網路存取功能。4G 系統有增強版鍵值服務，例如 HD 影片呼叫、較高頻寬 (BW)、高資料處理量、更佳的 QoS 和串流線上遊戲服務。具有 40 MHz BW 容量，設有 100 Mbps 尖峰速度要求。

例如可考慮安富利支援的 IoTConnect ® 雲端平台，其符合不同產業的獨特需求，例如「智慧型城市」、製造、醫療保健、食品加工 (FMCG)、零售市場、營造、環境服務及其他許多領域。IoTConnect 平台的重點特色包括：容易設置、通知、即時監控和分析、多層安全、整合、連接、互控性和邊緣軟體。IoTConnect 提供的服務例如包括：「智慧型」規則、裝置管理、即時分析、遠端監控、資產追蹤和資料基礎架構。

IoTConnect 平台支援許多介面通訊協定，包括 Bluetooth、802.15.4/ZigBee 或 6LoWPAN、ModBus、CAN 匯流排、BACnet、CoAP、MQTTS、HTTPS、AMQP 等。IoTConnect 平台可利用最強大的產業基礎通訊協定協助對 IoTConnect 平台雲端通訊，以連接幾乎所有物聯網裝置。它也可讓您連接現有的企業 CRM 和 ERP 系統，以產生更加智慧的資訊。

IoTConnect 平台使用軟體定義的基礎架構 (SDI)，因此易於升級，並且與任何硬體特定依存性獨立分開。IoTConnect® 讓企業能安全地連接廣泛的資料來源、裝置、感測器、設備和控制系統，所以能夠擷取並分析龐大的資料量。一旦連接所有資源，即可彙整、篩選、儲存和分析資料。接著就能使用資料視覺化工具把資料轉換為易懂的報告，並在正確的時機提供給正確的人員，增進其決策制訂的流程。

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