智能手機(jī)、無人駕駛飛機(jī)、溫度或動(dòng)作傳感器......，至2020年將有500億個(gè)對象會(huì)鏈接成大型的物聯(lián)網(wǎng)。但科學(xué)家仍有許多挑戰(zhàn)要面對，例如傳感器的能源自主、安全問題。
從無線網(wǎng)絡(luò)冰箱到最荒謬的構(gòu)想，連網(wǎng)對象名單不斷加長。應(yīng)用程序持續(xù)出現(xiàn)，目的是改善感測網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量、未來工廠的安全，或是研發(fā)農(nóng)用無人駕駛飛機(jī)大隊(duì)、藍(lán)牙打印機(jī)。這些巨大的設(shè)備網(wǎng)形成了物聯(lián)網(wǎng)。盡管傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)觸及各地，但物聯(lián)網(wǎng)將持續(xù)快速擴(kuò)大，顛覆研究界和日常生活。估計(jì)到了2020年，流通中的連網(wǎng)對象數(shù)量將達(dá)到500億個(gè)。
如此龐大的數(shù)量必會(huì)帶來復(fù)雜的挑戰(zhàn)。如何維護(hù)交換巨量數(shù)據(jù)時(shí)的安全?如何確保對象間的兼容性?如何防止物聯(lián)網(wǎng)造成的能源浪費(fèi)?許多實(shí)驗(yàn)室都在研究這些議題，例如已經(jīng)成立10年的法國里耳先進(jìn)信息通訊軟硬件研究所(Ircica)。
身為該所所長的里耳一大教授Natalie Rolland熱切表示：“物聯(lián)網(wǎng)需要探索性的跨學(xué)科合作。我們甚至與社會(huì)學(xué)家合作，觀察哪些人能接受這些技術(shù)。”他的實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備要為一個(gè)備有敏銳自動(dòng)傳感器的智能建筑圖騰揭幕，可研究建物因溫度、物理限制、濕度等因素而造成的改變。再也沒有什么能逃過傳感器。
設(shè)計(jì)更靈活的自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備
但此一數(shù)據(jù)密度會(huì)拖慢網(wǎng)絡(luò)速度，造成能源耗損。里耳先進(jìn)資通訊軟硬件研究所的研究員致力從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來解決這些問題，例如直接在集線器(hub，用來集中信息的網(wǎng)絡(luò)點(diǎn))上分類與處理數(shù)據(jù)，而非與不一定位在同地區(qū)的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行交換。里耳電信學(xué)院的教授Laurent Clavier表示：“如果我們不用在幾毫秒內(nèi)將信息送出去，就比較容易做到節(jié)能和可靠性。如果是自動(dòng)駕駛或工廠的緊急關(guān)閉系統(tǒng)，就會(huì)變得很復(fù)雜，因?yàn)槟壳暗木W(wǎng)絡(luò)尚無法兼顧。”他是里耳微電子暨納米科技研究所(IEMN)的研究員，也是里耳先進(jìn)通訊軟硬件研究所“電路系統(tǒng)暨多科技應(yīng)用”小組的成員。
為了獲取利潤、不被局限在過小的市場內(nèi)，各團(tuán)隊(duì)都在尋找更靈活、更具適應(yīng)性的解決方案。Clavier的傳感器計(jì)劃以犀牛為對象，若盜獵者要獵殺犀牛，傳感器就會(huì)發(fā)出警報(bào)。這需要堅(jiān)固的自動(dòng)化裝置，而非每六個(gè)月就在大草原上替犀牛更換身上的電池。
“有效節(jié)能無線系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)算法暨結(jié)構(gòu)”研究小組(Granit)負(fù)責(zé)人Olivier Berder教授致力改善連網(wǎng)對象的能源效率，他強(qiáng)調(diào)：“會(huì)消耗太多能量的不是傳感器，而是無線電通訊。通訊距離越遠(yuǎn)，越需要擴(kuò)大器，問題也就越糟。”
經(jīng)濟(jì)型喚醒無線電
即使通訊無須持續(xù)運(yùn)作，但連網(wǎng)對象無論在“等候”或傳輸信息，都會(huì)消耗能源。因此Berder的團(tuán)隊(duì)嘗試研發(fā)可收聽的超低功耗系統(tǒng)“喚醒無線電”(wake-up radio)，只有有用信息能被發(fā)送出去，且能喚醒傳感器的主微控制裝置，其傳播范圍比傳統(tǒng)無線電小。Berder解釋：“喚醒無線電可以與一般收音機(jī)或移動(dòng)式接收器相連結(jié)。但它們無須同步，特別適用于自動(dòng)系統(tǒng)，因?yàn)槟茉椿厥障到y(tǒng)具有不可預(yù)測性。”
有鑒于無線電的異步行為和能源回收的變幻莫測，我們必須發(fā)展能自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制算法，衍生自人工智能、強(qiáng)化學(xué)習(xí)和模糊邏輯的方式都能運(yùn)用。事實(shí)上，就算智能手機(jī)顯示電池還剩一點(diǎn)電量，卻仍會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)，這就表示電池儲(chǔ)量并沒有做到實(shí)時(shí)測定。能源的回收也不是線性的，因?yàn)樗饕Q于多種非人為因素，例如陽光、擺動(dòng)、風(fēng)、熱能梯度等等。
提供遠(yuǎn)程照護(hù)
這些創(chuàng)新的累積擴(kuò)展了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域。信息通訊科學(xué)科技與知識實(shí)驗(yàn)室(LAB-STICC)研究主任Jean-Philippe Diguet與其團(tuán)隊(duì)“電路系統(tǒng)工具方法學(xué)”小組(Mocs)研究芯片系統(tǒng)和各種嵌入式系統(tǒng)，并與Berder設(shè)計(jì)出BoWI(Body World Interactions人體與世界互動(dòng))傳感器網(wǎng)絡(luò)。BoWI結(jié)合了3D建模使用的動(dòng)作傳感器，根據(jù)傳感器的方向來推斷使用者的姿勢與動(dòng)作，無需使用外部設(shè)備。
Diguet預(yù)測：“我們不可能精準(zhǔn)捕捉動(dòng)作，因此目標(biāo)是功能性復(fù)建之類的應(yīng)用。物理治療師能建議日間要執(zhí)行的動(dòng)作，并透過屏幕遠(yuǎn)距離同時(shí)看護(hù)多位患者。這套系統(tǒng)將增加診療數(shù)量、降低運(yùn)輸成本，特別有助于行動(dòng)不便者。”
與安全有關(guān)的高性能演算
研究員表示，自今年夏天起，BoWI可用來建立有關(guān)艱困任務(wù)的信息。雇主必須計(jì)算旗下員工執(zhí)行危險(xiǎn)動(dòng)作或姿勢的次數(shù)，因此輕便的自動(dòng)化傳感器便可提供每一工作日的可靠數(shù)據(jù)。
Diguet還研究目前最流行的連網(wǎng)對象“無人駕駛飛機(jī)”：與澳洲團(tuán)隊(duì)合作的“國際無人駕駛偵查機(jī)群設(shè)計(jì)控制計(jì)劃”(Swarms)將高效能計(jì)算裝到無人飛機(jī)上，讓飛機(jī)能透過攝影機(jī)來分析并適應(yīng)環(huán)境。
就像通訊，圖像處理和人工智能也會(huì)消耗電力。我們必須拾回以網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為基礎(chǔ)的微妙平衡，選擇適切的地點(diǎn)與時(shí)間，進(jìn)行最節(jié)能的操作。Diguet表示：“我們也研究硬件安全問題。連網(wǎng)對象通常是取得私人信息的媒介。沒有人希望自己身上的傳感器會(huì)向保險(xiǎn)公司提報(bào)健康問題。喚醒無線電的優(yōu)勢就是節(jié)點(diǎn)越少、暴露的機(jī)會(huì)越小。”
改善傳感器的蓄電力
從犀牛到無人飛機(jī)，研究員致力改善傳感器的蓄電力。這也是最困難的部份。這些工作當(dāng)然與人體有關(guān)，例如“用于嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)的信息暨微電子科技實(shí)驗(yàn)室”(Tima)研究心律調(diào)節(jié)器的能源回收問題，實(shí)驗(yàn)室副主任暨格勒諾博-阿爾卑斯地區(qū)大學(xué)(UGA)教授Skandar Basrour是研究傳感器直接回收能源的專家，他表示：“心臟跳動(dòng)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)形式的機(jī)械能量，我們可利用壓電系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)換成電能，無線心律調(diào)整器就不用為了充電而每八年動(dòng)一次手術(shù)。”
當(dāng)壓電材料遭受機(jī)械應(yīng)力，就會(huì)產(chǎn)生電極化，氣體引燃器和石英表即為此一原理的應(yīng)用。傳感器和網(wǎng)絡(luò)的物理應(yīng)力則可能來自任何載體的震動(dòng)，例如行駛中的汽車、搖晃的橋、活動(dòng)中的人。Basrour表示：“這些振動(dòng)通常低于200赫茲，非常微弱。提高壓電產(chǎn)生器的尺寸，可以改善效益，但可能會(huì)不符合傳感器的規(guī)格。因此，我們研究電性聚合物、靜電回收、熱能、磁力等等，它們有時(shí)會(huì)產(chǎn)生超低的奈瓦(nanowatt)電力，這些電力在移動(dòng)式裝置世界中都不會(huì)被忽略。”
這些研究都是跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的，畢竟要研究連網(wǎng)對象，就必須結(jié)合不同知識的網(wǎng)絡(luò)。
轉(zhuǎn)型的最終目的 -提質(zhì)降本增效
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