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物聯網智慧家庭的自動控制方案解析

2016-12-12 17:35| 發布者: admin| 查看: 685| 評論: 0

物聯網(IoT)概念興起前,自動控制(Automation)已經有相當長的發展歷史,從工廠、辦公大樓、附屬設施到住家,都是自動控制的應用范圍。早期相關元件布建成本、軟硬件整合技術門檻較高,自動控制多半僅出現在工廠、較大型的商辦大樓或設施等場所,對于家庭應用一直未能普及。

近年來隨著低成本感測與控制元件的出現、網絡擷取技術的蓬勃發展,還有各種智能裝置的快速普及,使得IoT概念被提出,不僅智慧家庭普及露出曙光,對于整個自動控制領域也出現新的契機。但本該是一脈相承的自動控制與IoT領域,有時觀察起來卻存在著一種「代溝」,因此本文將從自動控制、IoT的應用需求,探討相關技術、解決方案的發展趨勢。

自動控制逐步向IP網絡靠攏

相信較早進入建筑物自動控制領域的人應該都對Modbus協定不陌生,由Modicon公司于1979年提出的Modbus協定因為資料格式簡單易懂,快速地成為早期控制網絡的共通標準。

包含Modbus在內的早期控制網絡,在實體層均使用有線序列通訊(Serial)的線路標準布建,較為常見的是RS422與RS485兩種。這類序列通訊需要注意的問題相當多,諸如訊號本身的位元率(Baud-rate)、奇/偶函數檢查(Parity)、停止位元(StopBit)與訊息間的間隔時間等,還有線材的材質、長度、絞線規格、串接方式、干擾隔離與終端電阻等,均可能對通訊品質造成影響。這些因素也使得傳統序列通訊的控制網絡有較高的布建、維護成本與實作技術門檻。

隨著電腦網絡發展,TCP/IP逐漸成為電腦網絡上共通的通訊協定架構,一些傳統的控制網絡也漸漸發展為以TCP/IP為基礎的架構。因應這樣子的趨勢,Modbus協定也由以往使用序列通訊的ModbusRTU,進化到使用Ethernet搭配TCP/IP通訊協定架構,利用傳輸控制協議(TCP)傳輸層協定承載原本序列通訊內容的ModbusTCP。

拜Ethernet架構的簡單、維護成本低廉且在電腦網絡中被大量應用等優勢所賜,與舊有架構比起來,ModbusTCP毋須擔心復雜的序列通訊的訊號、線材規范,使得布建與維護的成本、技術門檻均降低不少。

也因為使用TCP/IP通訊協定架構,可以使用網絡層IP協定進行定址(Addressing)、選徑(Routing),也使得ModbusTCP有較大范圍的定址空間與支援較大型網域的能力。若搭配網絡橋接器(Bridge),也可經由無線、電力線、光纖等網絡型態傳輸,讓ModbusTCP適用于更復雜的網絡環境(圖1)。

圖1傳統的自動控制網絡往TCP/IP協定架構靠攏后,能夠與電腦網絡、其他IoT網絡整合,創造更多元化的應用。

另一方面,隨著電子元件大量生產、成本降低,各種更貼近電腦網絡,并標榜成本低廉、容易開發的感測器、控制器和相關整合架構如雨后春筍般出現。例如各種使用ZigBee、藍牙低功耗(BLE)的微型感測器、Arduino、樹莓派(RaspberryPi)等,其中也不乏大廠投入。這類解決方案都大量使用無線傳輸、容易相容于電腦網絡,并打著IoT的旗號,儼然成為新的兵家必爭之地。

物聯網促成自動控制軟/硬件現代化

要建構一套能用于生活周遭、串連各種裝置的網絡,因為要長時間穩定提供服務,無法避免需要考量可靠度與能源效率。已在自動控制領域被廣泛應用的各類工業規格控制器、感測器,因架構單純且經過長時間產品開發,在可靠度與能源效率上皆有不錯表現。

步入IoT時代后,因有更大量的通訊需求、更多元化的通訊內容、模式與功能應用,使得可靠度與能源效率又面臨新挑戰。

建立標準化、支援體系豐富的架構或許是不錯的方式,目前可以觀察到一些軟/硬件廠商正積極朝這個方向布局,例如蘋果(Apple)推出的HomeKit、Google主導的ThreadGroup、英特爾(Intel)發起的OCFIoTivity與高通(Qualcomm)為首的AllSeenAllJoyn等,這些都是針對IoT通訊協定架構(ProtocolStack)還有應用程式執行環境(ApplicationRuntime)推出的整合服務架構(Framework)解決方案,甚至已經有部分開始商品化。

有整合的服務架構解決方案,最方便的莫過于軟件開發與商品整合。軟件開發人員可以基于所提供的應用程式介面(API)開發應用程式,除可少花點心思在整合問題外,可靠度與資訊安全等也得以確保。

設備廠商只需要在感測器、控制器上部屬適當的服務架構并滿足相關的規范,即可讓產品有不錯的相容性。而在商品整合的部分,有相容于某種服務架構的標示,對于相關人員選擇產品進行部署,甚至是消費者選購,都會更加方便。

除整合服務架構外,更往硬件層面看,就是控制器、感測器所使用的微型操作系統了。早期的產品多半使用廠商自行開發,或是委由軟件廠商開發的封閉式微型操作系統。近年來出現一些基于UNIX-like、POSIX操作系統架構開發的開放原始碼微型操作系統,例如Mbed、Contiki、FreeRTOS等。

這類型操作系統功能較為單純,同時間須執行的處理程序也比一般電腦少很多,但須考慮資料處理的即時性,不能有太大的延遲。因此除核心、軟件模組的檔案大小都很小外,架構上也是針對指令集較為精簡的控制器芯片設計并最佳化,且多采用事件觸發導向(Event-driven)、即時操作系統(Real-timeOS)等概念設計,以滿足需求。

就控制芯片的設計層面,也出現許多更省電、又有強大運算能力的芯片,搭配適當操作系統、服務架構與應用程式,都是未來IoT普及所需的重要元素。目前軟、硬件廠商,甚至是開源社群,皆投入不少心力在整合解決方案上,合作比單打獨斗帶來更大的力量,透過軟/硬件整合、優化,將讓新型態的IoT感測、控制元件在可靠度與能源效率上更容易達到實用需求。

不論是IoT還是自動控制,與裝置通訊時最基本的動作都是讀取、寫入,讀取感測器擷取的值、控制器的開關狀態或是裝置的設定值等,當有控制需求時寫入開關狀態、設定值等。每個裝置可視為是一個擁有多個屬性值的實體。

早期相當流行的Modbus使用暫存器(Register)的概念進行管理,每個裝置上有數個暫存器,每個暫存器代表不同的開關狀態、感測值、設定值等。讀/寫暫存器上的值即代表讀取感測值或狀態,或是控制開關的狀態、寫入新設定值等動作。而裝置實作層面只須將感測器、開關等狀態與暫存器進行對應。

同樣的概念也應用在BLE上,BLE提供ATT協定(AttributeProtocol)與GATT架構(GenericAttributeProfile),每個裝置可以定義數個屬性質,用讀寫屬性質的方式達到存取、控制的目的。

在資料庫與軟件工程領域常使用到ER模型(Entity-RelationModel),這樣的概念也可套用在IoT中,每一個裝置可視為一個實體(Entity),每個實體擁有若干屬性(Attribute),而這些實體與屬性間的互動關系(Relation),就是IoT所實作的。

在IoT的概念中,將有更多數量、更多種類的裝置同在網絡上,這意味著IoT網絡比起傳統控制網絡,需要更大的定址空間與更強的定址甚至是選徑能力,同時需要支援更多元化的資料型態(圖2)。

圖2生活中一些常見的IoT應用裝置與其屬性范例

網絡匯聚與資源管理

在擁有許多裝置的IoT網絡中,可能會有多種不同的實體網絡介面,例如IEEE802.11、IEEE802.15、電力線網絡等,如何匯聚這些網絡將成為重要的課題。

在現存的連接層(LinkLayer)解決方案中,常使用的解決方式為將不同網絡橋接(Bridge)起來,使得不同類型的網絡可形成連通的網域。但對于裝置同時擁有多種網絡介面、網絡拓撲較為復雜的網絡環境,就需要一些異質網絡整合方案的協助。

舉例來說,高通Hy-Fi解決方案所實作的IEEE1905.1即是一種異質網絡匯聚的協定,透過抽象連接層(AbstractLayer)的幫助,讓上層架構更容易實作,并且達到更高的網絡效率。

在網絡層(NetworkLayer)的部分,使用IP網絡的好處除前面所述的擁有更大定址空間、具有良好的選徑能力、容易整合外,也可以使用如IPSec、TLS等網絡層、傳輸層(TransportLayer)安全機制。這也是6LoWPAN會興起的原因之一,6LoWPAN為針對IEEE802.15成員設計的輕量化網絡層協定,標頭(Header)較短、且賦予很有彈性的標頭定義方式,使得6LoWPAN可以在不浪費頻寬資源的情況下具備如IP網絡的定址、選徑功能,且6LoWPAN標頭具有擴充與IP網絡相容的能力,使得與整個區域網絡整合也相當容易。

在下層都整合到TCP/IP通訊協定架構范圍后,剩下的就是應用層(ApplicationLayer)了。基于IoT架構,DominiqueGuinard等人于2009年提出WoT(WebofThings)概念,許多IoT的通訊都將會以HTTP、JSON等協定架構下進行,并搭配CoAP、MQTT或JSON-RPC作為事件發生時的通知訊息推播機制。

目前一些整合服務架構,如HomeKit、IoTivity、AllJoyn等都提供類似架構,而相關的控制器操作系統,也提供輕量的HTTP伺服器與瀏覽器滿足這種需求。這個現象也呼應了前面所提用屬性值看待每樣東西的概念,在使用HTTP當作應用層協定的情況下,每一個裝置上的每一個屬性,都可以使用URI(UniversalResourceIndicator)進行定址、存取,而JSON使用精簡純文字表達多種資料型態的概念,也正好滿足了IoT通訊所需(圖3)。

圖3網絡匯聚架構式意圖,匯聚不同類型的網絡技術,不僅能將各種裝置都納入網域中,也將讓上層應用程式、管理機制等更容易開發。

結合云端改變圖控軟件

圖形、視覺化的監看、控制介面對人類是最為直覺的。傳統的自動控制,會將各個開關、感測器接到中控面板集中監控,電腦化操作興起后,這樣的工作被電腦圖控軟件取代,使用視覺化圖形介面讓使用者對各個感測器、開關進行監控或設定一些條件動作、排程等。

但傳統的圖控軟件有較高的采購與開發成本,且變化彈性也不高,所以一直以來圖控軟件皆由少數軟件廠商掌握,在IoT架構中更是鮮少聽到有人提傳統的圖控軟件。

但圖形化操作介面的需求仍然是存在的,前面提到的WoT概念提供一個很好的切入點。網頁,動態網頁、瀏覽器端網頁程式、網頁美工等領域入手較為簡單且有廣大的開發??者,參考資料、各類素材、應用程式介面也非常豐富,且網頁可在大部分人機互動裝置上呈現。

WoT架構等于是用開發網頁的概念來開發IoT使用者介面,可使用送出URI的方式要求讀取某個開關狀態或感測器、改變開關狀態。解析裝置端回傳的JSON資料,除能夠取得某個屬性值外,更可以透過豐富的視覺化套件以酷炫的方式呈現。這些特性都足以讓網頁介面取代傳統的圖控軟件。

另外一大好處就是可以輕松整合云端介面(API),目前許多云端服務也都是以HTTP、JSON等共通性很高的機制當作傳輸協定與資料格式。結合云端服務的好處除可用更多種裝置,或是在遠端存取IoT網絡上的裝置外,還可以透過云端提供如能源管理、健康照護、安全監控、物業管理等等服務,讓IoT的應用更加廣泛(圖4)。

圖4IoT設備端擁有與電腦網絡相同的通訊協定架構,并搭配具IoT概念的網關,將有助于整合區域網絡端各種設備,并介接云端服務。

本文從通訊需求為出發點,從自動控制到IoT、從獨立控制網絡到整合區域網絡,探討IoT的發展脈絡。在可預見的未來,具有IoT的裝置會更加普及,連網技術與網際網絡接取方式也將趨于多元化,云端服務市場也會趨于成熟。

如此的整體架構下,網關(Gateway)的角色也比以前更加重要,以往網關主要提供區域網絡內的電腦或裝置存取網際網絡,有IoT后,網關將扮演起整合不同裝置、不同類型網絡,并提供整合管理、云端網際服務接取等服務的角色。

從最早的自動控制,到現在的IoT,本質上有許多地方相似,都是以屬性值看待每個裝置,并且對于這些裝置、屬性加以定址、管理。因此,在早期??的自動控制與現在的IoT之間,「代溝」其實并不存在,某些程度上來說IoT甚至是自動控制的舊瓶新裝,當然其中又添加一些新概念。

各類工具與技術發展的出發點無非是希望對于使用者可以更方便使用,對于開發者、營運者能夠方便開發、維護。現存的IoT解決方案大致上包裝到應用層底部,開發者可輕松基于這些解決方案開發應用程式,使用者也可因此享受更方便的功能。

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