物聯網發展的下一步

物聯網最初的技術成熟度曲線,基於數量逐漸攀升之已部署、和潛在之感測器。在本文中,我們將展望其未來的發展,並探討它的一些重要成功因素。物聯網的未來趨勢包括物聯網應用,這些應用可清楚地顯示出對最終用戶的經濟利益。另一個趨勢,則是可運作長達數年之久的更長電池壽命。在任何基於無線的物聯網監控系統中,數據傳輸都會消耗電力。在智能分區的機制(smart partitioning)下,感知和處理會發生在邊緣,且由於本地決策可產生較小的數據量(在更偶發或更短的持續時間內),因此,智能分區可以大幅增加物聯網系統的價值。最後,安全且可靠運行的能力也將是未來的關鍵因素。因此,物聯網設計的焦點將會轉向關鍵性能指標,例如最成功物聯網系統的可信賴感測器和系統正常運行時間。根據分析師的預測,低成本開發系統現正處於期望的高峰。而筆者預期,這些物聯網平台在一年之內就會遍佈在大眾市場之中,而在未來兩到五年內,將物聯網市場真正帶進未來的,則是差異化或專用的高精度感測器和類比訊號鏈。

 

圖1a. 疊加低成本開發板數據點的技術成熟度曲線

 

 

圖1b. 全球三次數位化浪潮

良好數據的重要性

物聯網系統的關鍵處理工作之一,是將類比訊號轉換為以數位的方式表示。簡而言之,這樣的工作做得越好,那麼數據的功用就越大。矽創新利用感測、測量、解譯和連接等技術來橋接真實世界和數位世界,從而實現了我們周遭世界的這種轉換和解譯。

 

圖2.從感測器到雲端

 

最有效的物聯網部署,是可以在這樣的部署情況下使用此一數據來決定改變。最佳的改變,是為最終用戶帶來最大的價值,諸如更高的效率或更好的安全性 - 就像在一座工廠中,機器學習不僅可以確認未來何時需要機器的預測性維護,同時還要能確認掌握細節的程度,深入的程度要能達到可提供更好的洞察力,以了解需要採取何種行動(例如,識別馬達中獨特滾珠軸承的磨損情況)。

因此,任何物聯網系統的第一階段都是感測、測量並將即時訊號轉換成可供分析的數據。若這個環節能進行得很好,將為未來的成功奠定基礎。但如果輸入錯誤無用的數據,那麼就會從任何物聯網分析雲端平台得到錯誤無用的數據。因此,最成功的物聯網系統,必須具備其他系統無法達到的測量與報告水準。

對測量能達到更精準,同時提供更深入的報告等需求,使得優質的硬體變得非常重要。Gartner近期提出的報告中,也認同此一觀點。該機構認為低成本物聯網開發板正以很快的速度到達泡沫化的谷底(trough of disillusionment),這可能是由於可用低成本開發平台之數量所造成。然而,我認為這更可能是因為我們更加關注更具挑戰性、且可提供真正經濟價值的物聯網應用。這將仰賴那些以粗略測量根本無法獲得的數據結果。

在節點和雲端之間的物聯網系統分區

雲端使擴展和多個訊號鏈可以將分析和大數據納入。物聯網應用的一個主要部分,是需要邊緣節點能達到高度智慧能力 - 這是由許多因素所造成的,包括缺少頻寬(或者更準確地說:用於無差錯傳輸的數據傳輸速率限制)來將所有數據傳輸送到雲端,或延遲問題,在這種情況下,節點所需要的操作速度意味著系統不能等待從雲端傳回來的響應。因此,在節點、中間閘道和雲端之中將有多個控制迴路。雲端可聚合大量感測器的數據,並從這些數據所獲得的結果來調整邊緣的設置。麥肯錫認為,實際使用到的雲端數據只有1%,而且安全性威脅的增加,也意味著將數據保留於本地是有其優勢的。

 

圖3. 邊緣節點智能、現況與未來

 

感測器中的智能分區和演算法的嵌入,可以從其源頭即時解釋最關鍵的數據。嵌入智能感測器和雲端的演算法,能夠超越晶片而提供更深入的數據解讀。事實上,這可實現對未來系統行為的預測(prediction)和預期(anticipation)。在任務關鍵型應用中加速採用物聯網解決方案取決於構建安全系統的能力,而智能分區則是實現的方法。

從鏈接大量基本感測器的讀數,及根據時間、位置和其他感測器將這些單獨感測器讀數連接起來,可獲得雲端運算所允諾的洞察力。其中有兩部分:檢測數據變化的能力(例如,機器性能的漂移)以及創建數位雙胞胎(digital twin)的能力,該雙胞胎是實體事物(例如電機)或系統的軟體模型。在主動式修復設備或計畫式生產流程中將會用到這些數位雙胞胎。這是未來幾年感測器爆炸式成長的一部分,也是以軟體和服務進行貨幣化(monetize)的能力。

在工業自動化中,主動式機器監控可以從根本提高正常運行時間效率,在本地實現實時優化和介入,則同時可以在雲端整合跨多個工廠、多個系統的資訊,並進行分析並響應,從而提高生產力。

因此智能物聯網系統分區可以確保雲端能被有效地運用。

關鍵在於可靠的數據

對於物聯網來說,最後一塊重要的拼圖,是建立一個無線網路。絕大多數連接到網路的物件都是以無線的方式連接回雲端,其採用的是RF和微波頻率技術。操作是多變化的,從短到長的操作範圍或從低到高的數據速率,不一而足。有些設備可能數月或數年都不會有通訊的活動,而有些設備則需要在橫跨多個關鍵任務的安全網路上運行。有許多這一類的感測器節點也是透過電池或能量收集器來自行供電,因此高效的操作將是其中的關鍵點。對於要讓智能從感測器傳輸到雲端,其間還橫跨多種不同設備,因此通訊網路是至關重要的。

 

圖4. 可靠的物聯網網路

 

不過,對於成功的物聯網系統而言,可靠的操作將是其最關鍵的因素。所有這些不同要求所最為重視的,是將智能從感測器傳輸到雲端的所需通訊網路。在惡劣的環境下,例如由金屬和混凝土建成的工廠環境中,具備可靠運行的能力尤其具高度挑戰性。理想上,用戶所要的技術要能夠兼具低成本、低功耗和低延遲。他們還希望能夠透過無限制的感測器佈置而擴展。建立一可獨立於無線協議之外且可靠的網路能力,可透過使用替代路徑和通道來克服干擾,從而保持這種高可靠性。

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參考文獻

Panetta, Casey. "Technologies Underpin the Hype Cycle for the Internet of Things, 2016." Gartner, November 2016.

Patel, Mark, Jason Shangkuan, and Christopher Thomas. "What's New with the Internet of Things?" McKinsey & Company, May 2017.



Author

Grainne Murphy

Grainne Murphy

Grainne Murphy is the IoT market manager at Analog Devices. She holds a B.Eng. from University of Limerick and an M.B.A. from Oxford Brooks University.