IOT Based Home Automation
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謝仁堯
之前雖然談過一些物聯網的應用，但最近碰到一些朋友似乎對於整個物聯網的架構，及整體組成還不是那麼了解，大家對於這些在天上飛來飛去的應用概念，也總有一些摸不著頭緒的感覺。
其實物聯網（英語：Internet of Things，縮寫IoT）只是個炒做出來的新名詞罷了，整體概念及架構早已存在學界，及產業界許久了，而且一直在順暢運作中，但這個名詞首見於1998年，美國麻省理工學院 Auto-ID中心主任愛斯頓 (Kevin Ashton)所發表的文章後才通行於市！
今天就以個人比較實務上的經驗，來談談個人的一些看法，分享給有興趣了解的朋友。
由這個名詞的表面字義上看來似乎是必需是連結在Internet上才是物聯網，光這一點我個人就有意見，Internet是美國人創的，IoT也是，可是若把物物相連結的網路只定義在Internet上，我個人就十分不同意，雖然這些前輩的文章中，都提到並非如是，但一般不了解內情的人，望文生義就會產生實質的誤解。
網路有很多種，廣義上的網路含蓋面太多了，只要能互相連結溝通就可以稱之為網路了，並不是所有事項都必需得連結上Internet才能運作才能稱為網路，這一點從我們後面的說明就可以慢慢明瞭。
物聯網主要目的，是為了提供物物相連結的整體解決方案，物物相連結的網路在工業應用上處處可見，也已存在數十年了，但是由於歐洲德國領頭的工業科技領導團體，提出了工業4.0的具體實施方案後，給一直以來科技界的領頭羊美國、世界帶來了極大的震撼，因此開啟了這場攸關未來數十年，商業利益所在的準商業戰爭，當然也拜網際網路技術成熟到位，及雲端科技各領域技術的推波助瀾，因此也算萬事俱備水到渠成！
物聯網的整體架構由底層到上層大概可以區分為三個層次：
1. 實體設備層
2. 網路通訊層
3. 應用軟體層
最底層的實體設備類歐陸國家，具有多年來的工業領域知識，及務實的生產經驗，這是他們擅長的，所以他們往上攻希望能主導規格攻下另一個未來，但是網際網路創新及雲端科技，則向來是美國世界獨領風騷，他們怎麼可能輕易讓這隻肥羊由手上溜走，他們創造出物聯網這個新名詞出來，利用強大行銷手法告訴全世界這是新的科技、新的領域，希望創造新的規格重新來過！
戰爭已經開始，鹿死誰手其實都跟我們無關，但我們總要認清現實搞清狀況，不論跟誰或如何想盡辦法西方取經，定位及策略的拿捏總是在我們自己心中，如何用最少的資源換取最大效益或者想法站上巨人的肩膀是我們這蕞爾小國唯一能做的！
我們下面就依這三個層次來分別說明相關的發展及技術：
一.實體設備層
首先說明大家最摸的到看的到的實體設備，有些人稱這些新興物聯網設備叫感知設備，我則認為這樣的稱謂太狹隘了！這個我們後面再慢慢說明。物聯網設備到底跟一般傳統設備有什麼不一樣的地方呢？
1. 網路-物聯網設備一定必備網路接口，但這個網路接口不必然就是乙太網路，它可能以各式各樣的型態存在，有可能是有線的也可能是無線的，這一點通常是傳統設備沒有的。
我們就用感知器來舉例說明，傳統感知器大概可以分為二種輸出介面-數位及類比，數位類(1-bit)通常用來處理開關，類比類則有電流，電壓，電阻…等等輸出轉換成位元組(1 or 2 bytes)。
傳統感知器都是四芯線接法，二芯供電二芯輸出，輸出格式就看接收設備如何解析了！至於物聯網設備則沒那麼單純了，所以簡單的輸出就不夠用了！
而且它必需是得能雙向溝通，所以它必需利用網路來介接，而且它必需得支援標準通訊協定，它跟網路上的接收設備只有軟體相關，而且也不再是單純的一對一的關係，它必需能支援一對多的多元連結關係。
若用溫度感知器來做個簡單說明，傳統溫感器只能送訊號給跟它實體線路相連結的設備(譬如控制主機)，所以很單純，但是物聯網溫感器則是把溫度數值，先化為一串位元組(2-bytes)送至網路，所有不同接收器都可以收到這組由某一位址(可以辨別置放何處)溫感器送出的溫度數值，再進行各自的後續動作，譬如冷氣控制器依此數值判斷是否要加減冷氣的送風量，物聯網LED顯示幕則可以把這個數值即時顯示至屏幕上，中控主機則可以把這筆資料加上時間記錄到資料庫內或間接轉送至雲端資料庫以待未來進行趨勢分析等等。
2. 智能-相比於傳統設備物聯網設備相對進化聰明多了！我們一樣用感知器來比擬，傳統感知器可以說是智障型的，它只能執行單一的感知輸出動作(所以常會有誤動作的行為發生)，你若希望它能增加點智能，譬如自動判別日/夜間模式或增加亮光感應模式那都是不可能的。
可是物聯網設備則必需具備一定的智能，同樣一顆動作感知器，不同廠商可能付予不同的智能等級，這就會在市場上產生不同的差異效應！
所以大家必需要有一個基本的了解：物聯網設備最後賣的是軟體功能而不是硬體設備，因此未來如何在茫茫物海中為解決方案尋求一個合適的物聯網設備將會是一項專業技能。
物聯網設備有很多類型，但大致上可以依功能分類如下：
． 感知類(Sensor)-如動作感知、温/濕/二氧化碳感知、PM2.5、重量、壓力、偵煙、各式土壤環境或化合物感知、光感知、氣候感知…等等不一而足，物聯網感知器因為必備智能及通訊介面，所以都內含微電腦處理器，效能依各廠家軟體功能不同選定，所以單價會比傳統感知器貴上許多，可是傳統感知器一定需要接收端設備(PLC或DDC的IO點)，相對這個設備及佈線的成本則是可以節省下來的。
． 開關類(Switch/actuators)-各式控制輸出如廻路(1-bit) 、調光(1 or 2 bytes)、調溫、馬達、PWM…等等，傳統上這類設備也都具備連線功能，所以跟物聯網設備差異性不大，只是相搭配的智能需要更進化，通訊協定的支援更一定要標準化，這些設備跟其它物聯網設備都是多對多的關係，這些複雜的關係都需要靠軟體來釐清及整合。
． 系統類(System)-以大家比較了解的名稱這可以稱為主機，其實在物聯網架構下，主機是不必然存在或需要的，因為每一個單獨的物聯網設備都可以稱為主機，它是不附屬於任何其它設備的，但有時會需要一些多功能型的設施來付予整合型的功能，這時就需要一套設備來扮演這樣的角色，常見的系統比如內含人機介面軟體平台的Mobile 設備或收集資料儲存至資料庫的電腦、網頁伺服器、圖控伺服器等，系統類通常軟體的複雜度較高，也需要比較高的CPU運作效能，通常單價也都比較高。
． 閘道/橋接類(Gateway/Converter/interface…等)-物聯網並非是由單一型態網路所組成，所以有時需要一些轉接設備來轉接不同類型的網路訊號，簡單點的可能只是不同傳輸媒介間的訊號轉接，複雜點的則會牽涉到通訊協定間的格式轉換，這就需要閘道或橋接設備了。
． 多功能複合型-目前市場上最常看到的例子是廠商為了智慧家居市場把智慧家居的基本需求濃縮成一套主機，這套主機通常會內建燈控並具通訊整合介面整合家用空調以及提供Mobile APP 軟體方案給終端消費者。為了搶奪這塊市場大餅各式各樣的 IoT Home Box 便如雨後春筍般湧現市場！但是消費者是否買單呢？我們拭目以待吧！
二.網路通訊層
何為網路？我們先下個定義，能夠連結二個(大於二個)以上節點的通訊平台我們稱之為網路，網路通常會有區域網，廣域網及現在很流行的雲端網的名詞出現，在此我們不多作討論，但簡單點說，整個大網路是由一些小網路組合而成，這有點像整個地球村是由國家-城市-鄉鎮組合一樣，為了有效增快通訊效率及隔離網路流量這是不得不然的作法。一個網路的基本組成必備二個要件：
．定址-連結進網路的設備(節點)都必需有一個獨立的定址單元以區分及辨別每一個節點，這跟家戶門牌號碼的道理一樣，不同的網路平台會有不同的定址方式，通常一個最基本的網路單元定址大概都是32或64組，不同的網路傳輸平台及媒介會有不同傳輸頻寬及速度，定址單元數愈多則需要更高的傳輸頻寬及速度。
談到速度並不是快就好而是夠用就好，很多朋友一直有個愈快愈好的錯誤觀念，若如是那為何不把高速公路的規格拿到鄉鎮小路來建置！
快有快衍生的其它問題，如果設備大部分時間傳送的資料量都是幾個bytes而已，那跑9600bps跟Gigabits有何不同！可是9600bps 的網路技術成本比較於Giagbits 則相對穏定及便宜多了，這其中的市場法則不言而喻。
談到速度並不是快就好而是夠用就好，很多朋友一直有個愈快愈好的錯誤觀念，若如是那為何不把高速公路的規格拿到鄉鎮小路來建置！
快有快衍生的其它問題，如果設備大部分時間傳送的資料量都是幾個bytes而已，那跑9600bps跟Gigabits有何不同！可是9600bps 的網路技術成本比較於Giagbits 則相對穏定及便宜多了，這其中的市場法則不言而喻。
．通訊協定-不同的網路型態或平台都會定義各自遵循的網路通訊協定，這是兵家必爭的所在，後面牽連甚廣的是龐大的商業利益，在物聯網大架構下會有無數個不同層次的通訊協定需求產生，很多都還在定義中，但其實也有很多物聯網通訊協定已經在世且運作超過二三十年了，只是當時不叫物聯網罷了！
通訊協定是純軟體層次，摸不到看不著，可是它是物聯網的核心基礎，每一個通訊協定的最後成敗就看跟隨的廠商數及支援產品的廣度及量了。
跟實體設備相關的物聯網通訊協定可以分為有線及無線兩大類，有線或短距離無線通訊協定大致都已經過十餘年的商場競逐爭議，規格僅剰修訂增添，通常爭議不大！
但對於中長距離傳輸的通訊協定則還存有很大的發展空間，我們下面列出幾種討論度比較高的物聯網通訊協定供大家參考
通訊協定是純軟體層次，摸不到看不著，可是它是物聯網的核心基礎，每一個通訊協定的最後成敗就看跟隨的廠商數及支援產品的廣度及量了。
跟實體設備相關的物聯網通訊協定可以分為有線及無線兩大類，有線或短距離無線通訊協定大致都已經過十餘年的商場競逐爭議，規格僅剰修訂增添，通常爭議不大！
但對於中長距離傳輸的通訊協定則還存有很大的發展空間，我們下面列出幾種討論度比較高的物聯網通訊協定供大家參考
–既存的-大部分是存在工控領域，常見的有ANSI C12、BACnet、Bluetooth、DLNA/UPnP、EnOcean、KNX、LonWorks、ModBus、RFID、TCP/IP、WiFi、Zigbee、Z-Wave等。
–發展中的-如6LOWPAN、802.15.4、LoRa、IEEE 802.11…等。
三.應用軟體層
當所有硬體設備透過網路無縫接軌後，剰下的就看應用軟體如何表現了，這個層次的應用軟體也可以概分為基本型應用，進階型應用及雲端應用系統三個層級來討論；
1. 基本型應用系統-這個層級的應用比較單純，我們前面也算討論過，這型的應用都內含在物聯網硬體內，它跟各自的物聯網設備硬體相關，或者可稱之為軔體，透過各物聯網設備內的MCU來運作處理，所以不再需要額外建置其它系統主機及軟體，這可以大幅減少額外硬體及軟體的開銷，而且出廠就已經內建好的應用程式通常都經千錘百鍊過，出錯的機率很低、穩定性很高也不會因為程式設計師的失誤而造成系統不穩。我們來舉個例子說明好了！在節能領域有個應用需求常被提及-Constant lighting control(恆亮度控制)，要達到這項功能傳統上需要三個組件：
–調光控制器-連結可調整亮度光源並接收控制主機的命令調整光源亮度
–亮度感測器-讀取現場亮度值
–控制主機-需程式設計師開發一套恆亮度控制程式，一邊接收亮度感測器讀取的亮度值(Lux)，經過計算後再輸出調光命令給調光控制器進行調光
但若換成物聯網架構後只要前面兩個組件即可，但必需選擇具備恆亮度控制功能的物聯網設備，將這兩個連結在網路上的組件設定相互連結整合啟動恆亮度功能就大功告成了！這兩個組件會自行透過網路進行溝通協調即時依現場亮度來調整燈光亮度輸出值，這樣是否簡單多了呢！
這一類型的應用軟體在每一個物聯網設備內全都具備，這也就是我們前面所提到的智能化，如果不具備這項智能那就不配稱為物聯網設備了！
2. 整合進階型應用-通常這型的應用程式複雜度比較高需要耗費較高的運算資源，而且通常沒有一定制式化的規格亦即需要依不同客戶需求客制，這類系統不會內建在上面所提的物聯網設備內，而需要另外一套硬體平台來處理。
這類型的應用系統在物聯網愈來愈普及後會漸漸展露需求，這也是軟體界期盼的商機及大餅所在 這種型態的整合系統目前市場上最常見到的就是 Mobile App，譬如智慧家電控制軟體或智能家庭愈來愈受歡迎及討論的手機/平板整合控制系統等都是。
這類型的應用系統在物聯網愈來愈普及後會漸漸展露需求，這也是軟體界期盼的商機及大餅所在 這種型態的整合系統目前市場上最常見到的就是 Mobile App，譬如智慧家電控制軟體或智能家庭愈來愈受歡迎及討論的手機/平板整合控制系統等都是。
3. 雲端應用系統-拜網際網路普及及頻寬技術成熟所賜，這類型的應用結合人工智能的發展應用將是未來十年業界的重點發展項目之一。由物聯網末端設備所流入的數據資料若沒了大數據分析能力將成了堆積如山的無用垃圾，但若有了煉金師的加持將能點石成金化腐朽為神奇，垃圾變黃金將不再是遙不可及的夢想。
上述的說明僅是物聯網的基本概要，未來有機會我們會以現成的產品及實例，來解析居家智能化的相關應用
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