物聯網(IoT)指的是全球數十億物理設備連接到互聯網,收集和共享數據。 由於微處理器和無線網絡越來越便宜,現在幾乎所有物件,由水杯到汽車橡膠車輪, 也可變爲物聯網的一部分。物聯網設備一般也有邏輯處理能力,可以在沒有人參與的 情況下自動進行通訊 ,融合數字和物理世界。
物聯網就像是一個巨大的機器人。現在幾乎任何物件都可以化作為物聯網設備並通過互聯網來控制。我們可以用智能手機應用程式來開燈,也可以查詢辦公室的門窗是否關妥。物聯網設備可以像泥沙一樣鬆散,也可以像飛機引擎一樣複雜。智能城市正通過成千上萬的傳感器,以幫助我們了解和控制環境 。
物聯網可以連結不能上網的設備,也可以自行與網絡通訊 。一般而言個人電腦和智能手機也不被視作物聯網設備,即使他們也可以連結各式各樣的傳感器。反過來說,智能手錶,健身帶或其他可穿戴設備卻可被視為物聯網設備。
互聯網是目前世界上最大的網路。它是一個不停演變,不停改善,不停成長的網路。互聯網正在改變著我們的通訊、協作和學習方式。它改變了我們與人溝通的方式和使用產品的方式。人們能夠以前所未有的方式對最新新聞、事件、行 銷資訊和產品做出反應。互聯網不屬於任何個人或團體,它本身就是互連網絡的全球集合網路。互聯網其實就是 21 世紀的 圖書館、音像店和個人相冊。
互聯網第一個階段是建立連接的階段。這個時候電訊公司在海底鋪電纜和爲用戶安裝撥號調制解調器(modem)。這個時候互聯網開始普及,人們應用以電郵和網頁瀏覽爲主。
後來因爲大部分人也可以上網了,所以開始有網上市集,互聯網變得更熱鬧,網路經濟也開始熾熱起來。
再後來,隨著有更多的電腦和手機接駁互聯網及網速的提升。開始有些人在家裏遙距上班(Home office),節省了大量通勤交通時間,生產力大幅提升,成本降低。
到了最近,由於芯片越來越便宜和強大,越來越多能接駁互聯網的智能小裝置出現。這些小裝置記憶空間細小,耗電量低,運算速度也不太快,但就能輕易便宜地把很多不同的實時數據傳送上雲。大數據(big data)分析令生活越來越有效率,令政府和商界的決策越來越快和更精準。目前已經開始有商場和電商利用大數據來分析用戶的瀏覽和購買習慣,然後給用戶推送特定的商品廣告以增加產品銷量。
Internet of Everything是把物聯網整合到工作和生活的總稱。其中連結了人員、 流程、 數據和事物,四個部分。在這些連接中我們可以快速制定決策和採取行動,為個人、企業、國家和地區開創新的能力,帶來更豐富的體驗,創造前所未有的經濟發展機遇。
一般而言,所有物聯網裝置也有三個共同點。
第一,非常省電。
第二,可以採集數據。
第三,可以直接或間接連結到互聯網。
低耗電藍牙4.0和藍牙2.0都是非常常見的無線連線方法。但藍牙本身並不是用IP方法來連線,而是兩個點之間直接連接(Point-to-Point)。點對點連線方法的好處是簡單,快捷,安全,但缺點是可以連接的裝置不會太多。很多簡單的電腦用品如滑鼠,鍵盤,耳機也使用藍牙來連接。如果我們要把藍牙傳送給我們的資料轉發到互聯網,那我們就要經過手機或一台特別的“網關”計算機轉接信號。
由於物聯網的裝置很可能安裝在難以接觸的地方,如屋頂,窗外和電錶水錶房裡,這些地方很可能是沒有電源供應或難以更換電池,所以物聯網產品必須超省電。很多物聯網裝置也能自動切換到睡眠模式來達到省電的效果,一顆5號AA電池能用上好幾年也是非常普遍了。由於物聯網裝置的數量可以非常之多,而且又要省電, 而裝置之間的距離又可以很遠,所以傳統的高耗電高速Wifi無線網很 多時並不是最適合的無線連線方法。試想想一個中型地底停車場裡有最少幾百個車位和八個足球場那麼大,如果要進行物聯網智能升級要 多少電線多少信號連接器才夠用呢?所以這時候一些非Wifi遠距離慢 速網絡就大派用場了。這些非Wifi類型的無線網每一個都有不同的特 點和優勢,如Lora(Long Range)和NB-IoT類型的星狀網(Star) 連接就只需要安裝一個發射站,然後附近10公里範圍內就可以連接成 千上萬個裝置。而ZigBee和藍牙5.0則支持網狀網絡(Mesh),即是 每一個裝置既是接受器而同時也是小型發射器,可以在自行臨時組織 成一個不會間斷的無線網。而如果其中一個裝置失靈,也不會影響網 絡的整體運作。由於網狀網絡無預先建立中間連接點,對一般用戶來講非常方便。
智能裝置有兩種工作模式,包括純傳送資料模式和預處理資料模式。在純資料傳送 模式裡,智能裝置直接把沒有修飾過的原 始資料原原本本的傳送到雲後台,所有運作由雲處理。所以這一種模式在叫做“雲計算”模式。
反過來說,在預處理資料模式裡,智能裝置會先判斷一下原始資料的性質和程度,然後才決定下一步的做法。智能裝置可能在太熱的時候先在本地開着風扇和灑水,然後才向雲後台匯報,這樣可以加快回應速度,減低網絡流量和減低雲後台的運作壓力。這一種模式叫“霧計算“模式。由於將來每一個雲後台也可能要處理上千萬個智能裝置的資料記錄和請求,哪怕霧計算方法只是減低了百分之十的雲工作量,這也是一個非常可觀的工作量。預計將來超過一半的物聯網裝置也是霧計算裝置。
在網絡裡,每一個物件都有一個IP地址。IP地址一般是這個樣子的 123.76.215.87。這種第四版的IP地址叫IPv4地址,扣除不能用的保留地址之後,可以有40億個地址使用。不過由於在2012年的時候,地球上的IP裝置已經超過40億個,所以目前各國也在鬧IP地址荒。解決辦法就是用IPv6. IPv6長成這個模樣。123:hdc:e34:1234:1235:1236:1237:1238,總共有8組,可以有幾千萬億個獨一無二地址。由於IPv4地址不夠用,所以地址就分成了兩種,一種叫公網地址,誰都能連接的。另外一種叫私網IP地址,只有在同一個網絡才能連接,就像酒店的內線號碼一樣,外部人員不能直撥,只能經過接線生才能連得上。私網地址以10.0.x.x 或192.168.x.x 或172.16.x.x開頭。
IP地址可以自動透過路由器獲取或固定分配。ISP就是互聯網服務提供商的意思,它提供上網服務和會給你一個modem(調制解調器/撥號上網器)把你的家連到ISP的機樓,然後它會租或鋪設地底或海底電纜連接其他ISP,造成互聯網主幹網。ISP也會給你的家一個獨一無二但偶爾會改變的公網IP地址。
IP通訊協定一般會結合TCP傳輸控制協定(Transmission Control Protocol)來共同使用。簡單來說 ,TCP協定會用IP協定定義的地址來傳送資料包,即是郵政局會根據信封上的地址指示來送郵件。IP協定定義信封的地址寫法,TCP按地址來進行送信,如果寄失了信件就會重發郵件或通知投寄者。
因爲IP地址太長太難記,所以工程師發明了一種文字表達IP地址方法,叫域名(Domain Name)。一般的域名長成這個樣子muselab.cc,所以 又發明了一種新的服務叫域名解釋服務(DNS, Domain Name Service)。有了域名服務以後,網站就不再是一堆號碼而可以是有意思的文字,這樣對人類而言好記得多了。我們很多時也把TCP/IP通信協定分爲四層來表示,即是硬件層(郵筒和信封),網絡層(寄信和回郵地址),傳送層(郵政,有時有追蹤碼)和應用層(內文)。在 應用層的內文,我們最初時會細分爲一般文字文書(電郵),大件包裹(FTP),現金禮券(電子商貿),產品目錄冊(http瀏覽網頁)。
後來慢慢演變,便多了郵寄執行命令這一類(法庭交通違例告票繳交罰款通知),這類型的通知書在物聯網的世界十分有用。互聯網有了通知書類別之後,人們發明很多不同的受理服務,而且關鍵通知書是可以有回執報告的,所以我們可以把不同的資料寫在回執報告裡返回給信件投寄人。技術上我們簡稱這些有回執的命令爲HTTP REST API。一般常見的REST服務包括發電郵(IFTTT服務),天氣查詢服務(MuseWeather,香港天文台RSS),交通擠塞報告(MuseTraffic,運輸處),資料記錄(ThingSpeak, MuseData)等。在香港,新加坡,台灣,英國和美國一般實時和非實時的政府資料也可以在data.gov.hk,data.gov.sg,data.gov.tw,data.gov.uk和data.gov裡獲得。
一般來講,你家裏面會安裝一個小的無線接入點來給不同的小裝置上網。如果沒有這個無線接入點,你的家同一時間就只可以有一個人上網。如果有家用無線接入點,就可以整家用的手機,平板、 電腦也同時上網,十個二十個裝置都得。一般家用小路由器也提供無線Wifi發射功能,讓大家可以無線上網。無線上網時,無線網絡名稱叫SSID,一般都有一個密碼。所有裝置也必須要連上這個SSID和輸入密碼才可以上網。IP網絡的實體網由三部份造成,接入交換機/無線接入點,路由器和防火牆。路由器定義封包經過那條路徑發信,防火牆避免閒雜人等攻擊服務器,接入交換機可以是有線或無線,是網絡系統和電腦計算機之間的橋樑。
模擬量(Analog)和數碼(Digital)也是信 號 的 表 達 方 法 。 模 擬量是連續 不斷的信號 (continuous signal),它會不停地隨着時間的 流逝而改變。以數碼則是其中一種一節一節斷開的信號流(discrete signal),只有零和壹兩個狀態。
基本上人類的觀感全都是模擬量的探測。舉個例 子,當我們燒烤的時候,鼻子聞到雞翼香噴噴的味 道,眼睛看到金黃色的雞翼,身體感受到燒烤爐的溫 暖,耳朵聽到發燙油脂吱吱爆破的聲音,拳頭感受到燒烤叉木柄的熱力,這就是身體的傳感器官對環境的 變量的接受和判斷。人類的大腦會根據這些資料和過 去的經驗從而做出反應(是時候停止繼續燒雞翼而要 改變爲食雞翼了)。
隨着科技的進步,人類可以製造出各式各樣的傳感器。傳感器可以把不同的環境資料變爲電流信號。 一般而言,大部分的傳感器都是透過探測不同物質的 導電性特質變化來探測環境改變,如透過探測物料在 不同溫度時的電阻變化,工程師就可以知道目前環境 的溫度。把模擬量變爲數字量的過程叫數字化或數碼 化。工程師可以用任何數量(一般8至24個)的0和 1來描述(8bit/24bit)一個信號的強弱程度,一般 一 秒 做 100至 10萬 次 取 樣 ( 100-100KHz Sampling) 。 由 模 擬 量 變 做 數 字 量 的 過 程 叫ADC(analog-digital-convention)。 在Micro:bit裡 叫讀取模擬量,在Arduino裡叫Analog Read,樹莓 派 裡不 能 直 接 讀模擬量,要透過Arduino或其他 ADC芯片來幫忙才可以。
在電子學裡,其中兩條最爲重要的法則定律是歐姆定律(Ohm's Law)和基爾霍夫電路定律/克希荷夫電路 定律(Kirchhoff's Laws)。其中歐姆定律說明:V=IR / 電壓=電流x電阻,而基爾霍夫定律則說明在閉合電路裡,在某一節點,所有輸入的電壓等於輸出電壓,而且所有輸入的電流也等於輸出電流。就透過這兩條定律,我們可以透過測量電壓的改變而知道電阻的改變從而知道環境變量的改變。但很多時這些電阻的改變是非常微小而且不明顯,所以我們會透過三極管來做數以百倍的電流放大,否則這些微弱改變不能被探測出來。在基礎模擬電路裡,有五種電路元件和兩種電流至爲重要,他 們分別是電容,電阻,二極管,三極管和線圈,而電源則分爲直流電和交流電。如果能充分理解這7個元素,很多簡單的電路也可輕易製作出來。其中電容電阻線圈不需要任何電力驅動即可工作,所以叫做被動元件,而二極管三極管要消耗電力才可工作, 所以叫主動元件。