物联网时代 智慧家庭自动控制方案解析

　　【中国智能制造网 学术论文】近来物联网潮流兴起，以及低成本感测与控制元件大量出笼，使得智慧家庭的发展快速升温，各种家用装置已开始加入联网与智慧化功能。此一转变，也让自动化控制应用逐渐由过往较大型的工厂、商办大楼或公共场所，进入一般民众家中。　　
　　物联网概念兴起前，自动控制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，对于家庭应用一直未能普及。
　　
　　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。
　　
　　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、奇/偶函数检查、停止位元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、选径，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，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）。　　
　　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、蓝牙低功耗的微型感测器、Arduino、树莓派等，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，例如苹果推出的HomeKit、Google主导的ThreadGroup、英特尔发起的OCFIoTivity与高通为首的AllSeenAllJoyn等，这些都是针对IoT通讯协定架构还有应用程式执行环境推出的整合服务架构解决方案，甚至已经有部分开始商品化。
　　
　　有整合的服务架构解决方案，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开发应用程式，除可少花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佳化，且多采用事件触发导向、即时操作系统等概念设计，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。
　　
　　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）。