智慧家庭-物联网自动控制解决方案

1、 智慧家庭:物联网自动控制解决方案 近年来随着低成本感测与控制元件的出现、网络撷取技术的蓬勃发展，还有各种智能装置的快速普及，使得IoT概念被提出，不仅智慧家庭普及露出曙光，对于整个自动控制领域也出现新的契机。但本该是一脉相承的自动控制与IoT领域，有时观察起来却存在着一种代沟，因此本文将从自动控制、IoT的应用需求，探讨相关技术、解决方案的发展趋势。物联网(IoT)概念兴起前，自动控制(Automation)已经有相当长的发展历史，从工厂、办公大楼、附属设施到住家，都是自动控制的应用范围。早期相关元件布建成本、软硬件整合技术门槛较高，自动控制多半仅出现在工厂、较大型的商办大楼或设施等场所，对

2、于家庭应用一直未能普及。自动控制逐步向IP网络靠拢相信较早进入建筑物自动控制领域的人应该都对Modbus协定不陌生，由Modicon公司于1979年提出的Modbus协定因为资料格式简单易懂，快速地成为早期控制网络的共通标准。包含Modbus在内的早期控制网络，在实体层均使用有线序列通讯(Serial)的线路标准布建，较为常见的是RS422与RS485两种。这类序列通讯需要注意的问题相当多，诸如讯号本身的位元率(Baud-rate)、奇/偶函数检查(Parity)、停止位元(StopBit)与讯息间的间隔时间等，还有线材的材质、长度、绞线规格、串接方式、干扰隔离与终端电阻等，均可能对通讯品质造

3、成影响。这些因素也使得传统序列通讯的控制网络有较高的布建、维护成本与实作技术门槛。随着电脑网络发展，TCP/IP逐渐成为电脑网络上共通的通讯协定架构，一些传统的控制网络也渐渐发展为以TCP/IP为基础的架构。因应这样子的趋势，Modbus协定也由以往使用序列通讯的ModbusRTU，进化到使用Ethernet搭配TCP/IP通讯协定架构，利用传输控制协议(TCP)传输层协定承载原本序列通讯内容的ModbusTCP。拜Ethernet架构的简单、维护成本低廉且在电脑网络中被大量应用等优势所赐，与旧有架构比起来，ModbusTCP毋须担心复杂的序列通讯的讯号、线材规范，使得布建与维护的成本、技术门

4、槛均降低不少。也因为使用TCP/IP通讯协定架构，可以使用网络层IP协定进行定址(Addressing)、选径(Routing)，也使得ModbusTCP有较大范围的定址空间与支援较大型网域的能力。若搭配网络桥接器(Bridge)，也可经由无线、电力线、光纤等网络型态传输，让ModbusTCP适用于更复杂的网络环境(图1)。图1传统的自动控制网络往TCP/IP协定架构靠拢后，能够与电脑网络、其他IoT网络整合，创造更多元化的应用。另一方面，随着电子元件大量生产、成本降低，各种更贴近电脑网络，并标榜成本低廉、容易开发的感测器、控制器和相关整合架构如雨后春笋般出现。例如各种使用ZigBee、蓝牙低

5、功耗(BLE)的微型感测器、Arduino、树莓派(RaspberryPi)等，其中也不乏大厂投入。这类解决方案都大量使用无线传输、容易相容于电脑网络，并打着IoT的旗号，俨然成为新的兵家必争之地。物联网促成自动控制软/硬件现代化要建构一套能用于生活周遭、串连各种装置的网络，因为要长时间稳定提供服务，无法避免需要考量可靠度与能源效率。已在自动控制领域被广泛应用的各类工业规格控制器、感测器，因架构单纯且经过长时间产品开发，在可靠度与能源效率上皆有不错表现。步入IoT时代后，因有更大量的通讯需求、更多元化的通讯内容、模式与功能应用，使得可靠度与能源效率又面临新挑战。建立标准化、支援体系丰富的架构或

6、许是不错的方式，目前可以观察到一些软/硬件厂商正积极朝这个方向布局，例如苹果(Apple)推出的HomeKit、Google主导的Thread Group、英特尔(Intel)发起的OCFIoTivity与高通(Qualcomm)为首的AllSeenAllJoyn等，这些都是针对IoT通讯协定架构(Protocol Stack)还有应用程式执行环境(Application Runtime)推出的整合服务架构(framework)解决方案，甚至已经有部分开始商品化。有整合的服务架构解决方案，最方便的莫过于软件开发与商品整合。软件开发人员可以基于所提供的应用程式介面(API)开发应用程式，除可少花

7、点心思在整合问题外，可靠度与资讯安全等也得以确保。设备厂商只需要在感测器、控制器上部属适当的服务架构并满足相关的规范，即可让产品有不错的相容性。而在商品整合的部分，有相容于某种服务架构的标示，对于相关人员选择产品进行部署，甚至是消费者选购，都会更加方便。除整合服务架构外，更往硬件层面看，就是控制器、感测器所使用的微型操作系统了。早期的产品多半使用厂商自行开发，或是委由软件厂商开发的封闭式微型操作系统。近年来出现一些基于UNIX-like、POSIX操作系统架构开发的开放原始码微型操作系统，例如Mbed、Contiki、FreeRTOS等。这类型操作系统功能较为单纯，同时间须执行的处理程序也比一

8、般电脑少很多，但须考虑资料处理的即时性，不能有太大的延迟。因此除核心、软件模组的档案大小都很小外，架构上也是针对指令集较为精简的控制器芯片设计并最佳化，且多采用事件触发导向(Event-driven)、即时操作系统(Real-timeOS)等概念设计，以满足需求。就控制芯片的设计层面，也出现许多更省电、又有强大运算能力的芯片，搭配适当操作系统、服务架构与应用程式，都是未来IoT普及所需的重要元素。目前软、硬件厂商，甚至是开源社群，皆投入不少心力在整合解决方案上，合作比单打独斗带来更大的力量，透过软/硬件整合、优化，将让新型态的IoT感测、控制元件在可靠度与能源效率上更容易达到实用需求。不论是I

9、oT还是自动控制，与装置通讯时最基本的动作都是读取、写入，读取感测器撷取的值、控制器的开关状态或是装置的设定值等，当有控制需求时写入开关状态、设定值等。每个装置可视为是一个拥有多个属性值的实体。早期相当流行的Modbus使用暂存器(Register)的概念进行管理，每个装置上有数个暂存器，每个暂存器代表不同的开关状态、感测值、设定值等。读/写暂存器上的值即代表读取感测值或状态，或是控制开关的状态、写入新设定值等动作。而装置实作层面只须将感测器、开关等状态与暂存器进行对应。同样的概念也应用在BLE上，BLE提供ATT协定(Attribute Protocol)与GATT架构(Generic At

10、tribute Profile)，每个装置可以定义数个属性质，用读写属性质的方式达到存取、控制的目的。在资料库与软件工程领域常使用到ER模型(Entity-Relation Model)，这样的概念也可套用在IoT中，每一个装置可视为一个实体(Entity)，每个实体拥有若干属性(Attribute)，而这些实体与属性间的互动关系(Relation)，就是IoT所实作的。在IoT的概念中，将有更多数量、更多种类的装置同在网络上，这意味着IoT网络比起传统控制网络，需要更大的定址空间与更强的定址甚至是选径能力，同时需要支援更多元化的资料型态(图2)。图2生活中一些常见的IoT应用装置与其属性范例

11、网络汇聚与资源管理在拥有许多装置的IoT网络中，可能会有多种不同的实体网络介面，例如IEEE802.11、IEEE802.15、电力线网络等，如何汇聚这些网络将成为重要的课题。在现存的连接层(linkLayer)解决方案中，常使用的解决方式为将不同网络桥接(Bridge)起来，使得不同类型的网络可形成连通的网域。但对于装置同时拥有多种网络介面、网络拓扑较为复杂的网络环境，就需要一些异质网络整合方案的协助。举例来说，高通Hy-Fi解决方案所实作的IEEE1905.1即是一种异质网络汇聚的协定，透过抽象连接层(Abstract Layer)的帮助，让上层架构更容易实作，并且达到更高的网络效率。在网

12、络层(Network Layer)的部分，使用IP网络的好处除前面所述的拥有更大定址空间、具有良好的选径能力、容易整合外，也可以使用如IPSec、TLS等网络层、传输层(TransportLayer)安全机制。这也是6LoWPAN会兴起的原因之一，6LoWPAN为针对IEEE802.15成员设计的轻量化网络层协定，标头(Header)较短、且赋予很有弹性的标头定义方式，使得6LoWPAN可以在不浪费频宽资源的情况下具备如IP网络的定址、选径功能，且6LoWPAN标头具有扩充与IP网络相容的能力，使得与整个区域网络整合也相当容易。在下层都整合到TCP/IP通讯协定架构范围后，剩下的就是应用层(A

13、pplication Layer)了。基于IoT架构，Dominique Guinard等人于2009年提出WoT(Web of Things)概念，许多IoT的通讯都将会以HTTP、JSON等协定架构下进行，并搭配CoAP、MQTT或JSON-RPC作为事件发生时的通知讯息推播机制。目前一些整合服务架构，如HomeKit、IoTivity、AllJoyn等都提供类似架构，而相关的控制器操作系统，也提供轻量的HTTP伺服器与浏览器满足这种需求。这个现象也呼应了前面所提用属性值看待每样东西的概念，在使用HTTP当作应用层协定的情况下，每一个装置上的每一个属性，都可以使用URI(Universal

14、 ResourceIndicator)进行定址、存取，而JSON使用精简纯文字表达多种资料型态的概念，也正好满足了IoT通讯所需(图3)。图3网络汇聚架构式意图，汇聚不同类型的网络技术，不仅能将各种装置都纳入网域中，也将让上层应用程式、管理机制等更容易开发。结合云端改变图控软件图形、视觉化的监看、控制介面对人类是最为直觉的。传统的自动控制，会将各个开关、感测器接到中控面板集中监控，电脑化操作兴起后，这样的工作被电脑图控软件取代，使用视觉化图形介面让使用者对各个感测器、开关进行监控或设定一些条件动作、排程等。但传统的图控软件有较高的采购与开发成本，且变化弹性也不高，所以一直以来图控软件皆由少数软

15、件厂商掌握，在IoT架构中更是鲜少听到有人提传统的图控软件。但图形化操作介面的需求仍然是存在的，前面提到的WoT概念提供一个很好的切入点。网页，动态网页、浏览器端网页程式、网页美工等领域入手较为简单且有广大的开发者，参考资料、各类素材、应用程式介面也非常丰富，且网页可在大部分人机互动装置上呈现。WoT架构等于是用开发网页的概念来开发IoT使用者介面，可使用送出URI的方式要求读取某个开关状态或感测器、改变开关状态。解析装置端回传的JSON资料，除能够取得某个属性值外，更可以透过丰富的视觉化套件以酷炫的方式呈现。这些特性都足以让网页介面取代传统的图控软件。另外一大好处就是可以轻松整合云端介面(A

16、PI)，目前许多云端服务也都是以HTTP、JSON等共通性很高的机制当作传输协定与资料格式。结合云端服务的好处除可用更多种装置，或是在远端存取IoT网络上的装置外，还可以透过云端提供如能源管理、健康照护、安全监控、物业管理等等服务，让IoT的应用更加广泛(图4)。图4IoT设备端拥有与电脑网络相同的通讯协定架构，并搭配具IoT概念的网关，将有助于整合区域网络端各种设备，并介接云端服务。本文从通讯需求为出发点，从自动控制到IoT、从独立控制网络到整合区域网络，探讨IoT的发展脉络。在可预见的未来，具有IoT的装置会更加普及，连网技术与网际网络接取方式也将趋于多元化，云端服务市场也会趋于成熟。如此的整体架构下，网关(Gateway)的角色也比以前更加重要，以往网关主要提供区域网络内的电脑或装置存取网际网络，有IoT后，网关将扮演起整合不同装置、不同类型网络，并提