NO.59 | 2019.09.30
banner
title資訊百科 友善列印>>
【新知小百科】物聯網整合應用-智慧路燈之環境偵測_檢測暨網通技術組 鄭吉清副工程師

  物聯網(Internet of Things)為藉由網路通訊技術、使生活中所見的物品均擁有連線能力,並將各種感測設備與網際網路結合起來,而形成的一個巨大網路,進而對這些物品產生識別、管理或感知等應用。物聯網概念最早出現於比爾蓋茨於1995年「未來之路」一書中,當時比爾蓋茨已經提及物聯網概念,但受限於無線網路、硬體及感測設備的發展,未引起世人的重視,但此一概念已打破了傳統思維。現今物聯網的應用更涉及了不同的領域,在工業、農業、醫療、環境、交通、安全、教育、能源等基礎設施的應用,並有效地推動智慧化發展,從而提高了該領域之效率、效益、服務方式及服務的質量等,都有極大的改進,大幅提高了人們的生活品質。本文將簡略介紹智慧路燈發展現況、環境偵測發展趨勢、無線技術傳輸及常見資料交換技術。

一、智慧路燈發展現況

  在道路基礎建設中,隨處可見到各式不同用途的「桿」,如:燈桿、電線桿及號誌桿等。其中燈桿做為民生基礎公共設施具有數量多、涵蓋範圍廣等特性,適合做為附掛各智慧應用系統的載體。由於傳統燈桿著重於單純的區域照明,以現今技術而言有相當多可以進行改進的空間,因此近年來中央及各地方政府開始積極著手於燈桿的資訊化與最佳化,如:燈具結構的模組化、耗電量減少、遠端設備監控及動態節能等,到現階段與不同周邊應用的智慧化整合,使燈桿除了原有之管理方法與控制介面外,更能在各領域延伸出不同的創新應用。

二、環境偵測發展趨勢

  近年來災害預防、國土環境分析等需求逐步增大,甚至成為許多國家的重點研究與實施項目,如何有效透過資訊化手段進行環境監測,實現資源最佳化,已成為智慧城市的必要手段。環境偵測為數個偵測節點及至少一個資料收集點所組成,節點主要負責測量或偵測管理者所需要的資料,並將資料用無線方式傳到資料接收站,節點不僅可以傳送自己所感測的資料,也可以轉傳其他節點所偵測的資訊,直到資料傳達到資料收集點為止;資料收集點則負責處理各種節點傳回來的資料,並加以彙整成有意義的訊息內容,而這些節點運作模式可粗略分為「資料收集」與「事件偵測」。

  「資料收集」是利用感測元件,在特定間隔時間下收集資料,當這些收集到的資料回報到資料收集點時,就可以做為決策的判斷,如:雨量監測可以用來判斷該區域是否要提前進行排水處理,光線監測則可以做為路燈開啟及亮度調整的參考等。

  「事件偵測」則用於偵測並回報罕見、短暫或不常發生的現象,如:警戒區域遭受入侵、監測山坡地突然滑動或者出現土石流等現象發生時,感測元件不僅提供資訊,甚至可自動發出警告,以避免更嚴重的災情發生。

  物聯網節點最大的優勢為製造成本低,安裝便利,可彈性因應各種城市建設環境,並可大量佈建在偵測與監控的地點。因應水銀燈落日計畫與5G通訊的來臨,路燈將有效符合以上條件。透過大量基礎設施的布建及相關偵測元件的搭配與設置,以增加偵測效率及可靠性,並延伸相關市民服務,以提高生活水平。

三、無線技術傳輸

  物聯網系統裝置需透過連線才能將感測器所偵測數據回傳、進行後續運用。為使裝置能較不受空間及地點的影響,除有線網路傳輸的連線外,無線網路傳輸將扮演舉足輕重的角色。無線網路傳輸扮演感測元件與資料收集點中間傳遞的橋樑,其銜接中繼閘道器收集之資料並傳遞至系統伺服器。以下介紹常見之網路傳輸類型:
  • Wi-Fi
  Wi-Fi是一種無線區域網路,可藉由範圍內的無線網路Wi-Fi訊號(Access Point)連接到網路,目前普遍應用在智慧型手機、智慧型穿戴裝置、筆記型電腦等裝置中。
  • ZigBee
  ZigBee 是一種短距離低傳輸的無線區域網路,從 1998 年開始發展並延伸應用到家庭娛樂、家電控制、無線感測網路、工業控制、嵌入式系統、醫療數據蒐集等領域。
  • Bluetooth
  藍芽(Bluetooth)是一種低功耗的無線區域網路,用於做短距離間交換資料,其最大特色在於讓裝置在不借助電纜的情況下傳輸資料和訊息,目前普遍被應用在智慧型手機、智慧型穿戴裝置、智慧家庭、車載物聯網等裝置中。
  • RFID
  無線射頻辨識(Radio Frequency Identification, RFID)為一種無線通訊技術,它藉由無線電訊號針對特定目標端進行非接觸式的識別並讀寫其相關資訊,其發送無線電的訊號是通過無線電磁場,藉此取得對象標籤上的資訊,達到自動辨識的效果。
  • NFC
  近距離無線通訊(Near Field Communication, NFC)由RFID演變而來,是一種短距離高傳輸無線通訊技術,可讓裝置進行非接觸式的資料傳輸,NFC 常被用於行動支付,如信用卡與電子票證支付等。
  • 4G
  第四代行動通訊(4G)為一項行動無線通訊技術,相較於第三代行動通訊(3G)有更大的傳輸量與安全機制,除了語音通話外更可在交通、醫療、商務等領域使用。
  • 5G
  第五代行動通訊(5G)為新一代行動無線通訊技術,相較於4G,更降低網路延遲及成本,提高資料頻寬與大規模裝置連接數。
  • NB-IoT
  NB-IoT為4G延伸之物聯網傳輸技術,使用較小頻寬,主要特性為覆蓋率廣、可連接裝置數量多、低功耗、低成本。
  • LoRa
  LoRa為低功耗廣域網路通訊技術,專為小頻寬、低功耗、遠距離的IoT物聯網應用情境而設計,且使用非授權頻段,建置成本相當低。

四、常見資料交換技術

  當備齊偵測節點及傳輸媒介後,即需提供資料交換之介面,以下列舉常見資料交換技術:
  • HTTP
  HTTP最初目的為提供發佈和接收電子文件的方法。透過請求的資源由統一資源識別碼(Uniform Resource Identifiers, URI)來進行資料交換,而此協定更延伸了REST軟體設計架構風格,其操作事件區分為Get、Post、Put、Delete,分別對應讀取、新增、更新及刪除。
  • MQTT
  MQTT為一種物聯網通訊協定,由IBM和Eurotech主導開發,並於 2014 年正式成為 OASIS 國際標準。其開發目的是為了在低頻寬、低耗能條件下,傳送與接收處理訊息,形式上類似於Broker(中繼)協助發布者/訂閱者 (Publisher/Subscriber)間訊息溝通的方式,如下圖1所示,Subscriber 告知 Broker 想要訂閱的 Topic,每當 Publisher 發布訊息時,Broker 會依照 Topic,傳送給訂閱的 Subscriber。

  HTTP與MQTT雖都是基於TCP/IP發展的,但兩者差別在於HTTP可使用於複雜的系統架構,MQTT則設計目的為IOT物聯網傳輸,因此容量較為輕量。
 

圖1:MQTT運作形式
資料來源:TTC整理
  
  環境偵測為許多國家的重點研究與實施項目,同時在水銀燈落日計畫的帶動下路燈成為了最佳的環境偵測載體,藉此延伸更多便民服務,增進市民生活品質。但隨著各區域性質、應用情境與開發商的不同,造成各系統互通及互容的問題,也因路燈為地方基礎設施,對於各管理機關而言更增添了管理上的難度,因此未來需要有產業標準來整合此部分的應用資訊與系統互通問題。

資料來源:
  1. https://iot.epa.gov.tw/iot/developer/api
  2. https://swf.com.tw/?p=1002
  3. https://wiki.mbalib.com/zh-tw/%E7%89%A9%E8%81%94%E7%BD%91
  4. https://www.digitimes.com.tw/iot/article.asp?cat=130&cat1=50&cat2=10&id=0000396778_5wo6davs81mcdl79ot50b