# IoT 惡補 II

## Wireless Connectivity

- 沒有一個單一的無線標準，選擇適合的標準非常重要
- 電磁波傳輸被各國機構規範
- FCC in the US
- CEPT in Europe
- 規定了可用的 frequency bands、standard、certification plans
- 大部分可用的光譜(頻率區段)需要憑證 (使用許可)
- 需要付錢取得憑證
- ITU-R 制定全球使用者分享的頻道
- ISM (Industrial, Scientific and Medical)
- ISM bands 是不需要憑證的
- 常見區段: 433M, 868M, 915M, 2.4G
- 2.4G 最受歡迎，因為所有地區皆可使用，產品可跨國使用
- 高頻頻段:
- 更多頻道、更高頻寬，規模更大的網路和更多的資料傳輸
- 低頻頻段:
- 傳輸更穩定(穿透力強、不容易干擾)、距離更遠

### Protocols

- 定義傳輸的格式和控制方式
- OSI model
- 多個不同功能的層 (functional layers)
- scalable、interoperable
- Link layer
- bits to radio signals
- **data framing** for reliable wireless communication
- 管理電磁波頻道的存取
- Network Layer
- addresses and routes (分辨不同機器和決策傳輸路徑)
- IP
- Transport Layer
- 使多個 APPs 可以跑在同一台機器上 (軟體層次的 Multiplexer)
- TCP
- Application layer
- APP 間的資料傳輸
- HTTP
- Layered network
- complexity、more code and memory
- data overhead: 每一層都要封裝成資料包(每一包都有 head) 以及控制資料
- 更有彈性和可擴展性

### IP or Not IP

- 直接連上 Internet 的裝置必需使用 **IP suite**
- 裝置可以用 non-IP 的 protocol 和 local network 的其他裝置交換資料
- 2.4 G、藍芽 ...
- non-IP device 必須透過 **Internet gateway** 才能連上 internet
- gateway 和 local device 使用 non-ip 的方式傳輸、對外(對 Internet) 使用 IP
- Reuse 已存在的協定可以減少開發時間
- TCP/IP stack 的壞處
- 更複雜、規模更大
- 需要更多算力和記憶體
- 需要更貴的裝置和更多時間開發
- 需要更多能量來傳輸資料
- 技術進步；硬體已有足夠效能，已可使用 TCP/IP
- wireless network processor and wireless network microcontroller (MCUs)

### Network Range

- Personal (PAN)
- 10 公尺內，如藍芽和手機
- 使用耗能較低的電磁波傳輸、以在較小的電池上運行
- Local (LAN)
- Wireless LAN (WLAN) 最多可覆蓋 100M
- Neighborhood (NAN)
- 25KM
- high power level, low data traffic
- smart grid 的智慧電表和電力公司間，可用 900M Hz 的電波
- Wide (WAN)

### Topology

- 節點間連線的方式
- Star
- 有個中心的節點，所有裝置連到該節點
- 裝置和裝置間透過中心節點轉發
- 常和 gateway 一起使用，連上 Internet
- WiFi
- 有個 access point (AP) 供裝置連線
- 其他節點稱為 **stations**
- Mesh
- 節點可以連接多個節點
- 一個或多個 gateway
- ZigBee Light Link 使用多種光源來形成 mesh network，用在大型建築中
- 其中一種節點稱為 coordinator，常用來當作 gateway
- Mesh 更複雜、更多 delay，但可有更長的傳輸距離(透過多個 hop)，且節點間可用更低功耗的電磁波，且通常更有可靠性 (有多個連線)

Network size
- 最多可同時連線的裝置數量
- 藍芽: 20
- ZigBee: 數千

### Standards and Interoperabilit

- IEEE 802.x 僅定義 link layer
- 802.3: Ethernet
- 802.11: WLAN
- WIFI
- 802.15.4: wireless PAN
- ZigBee, 6LoWPAN, WirelessHART
- The Internet Engineering Task Force (IETF)
- 由 RFC (request for comments) 建立標準
- 負責管理和認證的組織
- Wifi Alliance
- Bluetooth Special Interest Group (SIG)
- ZigBee Alliance
- 產品由這些組織進行 interoperability test
- 測試產品是否可以正常使用該協議，和其他產品正常互通

### Wifi

- Based on IEEE 802.11
- 無線版本的 IEEE 802.3 (ETH)
- Internet access
- Star topology: AP 當作 gateway
- WIFI 需要較高能量、以覆蓋整個室內空間
- 大多使用 ISM 2.4GHz, 現在也可用 5GHz
- 5GHz 距離較短，常用於企業環境(多個 AP 以覆蓋整個環境)
- 吃電池的 IoT device 通常不用 wifi，因為過於耗能
- 某些新裝置使用 sleep protocols 以及 fast on/off time 來減少平均耗能

### Bluetooth

- 2.4 GHz ISM Band
- 用在 PAN，短距離傳輸
- 2MBps、point-to-point、Star topology
- Low power

#### Bluetooth Low Energy (BLE)

- 又稱 Bluetooth Smart
- lower data throughput、low energy
- 監測、照護、玩具、工業環境
- location-based services
- beaconing、geo-fencing
- 標準藍芽支援 8 個設備、BLE 理論無上限，實際約 10~20
- 藍芽中可以帶有 Application profiles
- 定義 app 如何交換資料
- Audio/Vedio Remote Control Profile (AVRCP)

### Zigbee

- IEEE 802.15.4, low throughput、low power、low cost
- 主要使用 2.4 GHz，其規格也包含 868M、915M 的版本
- 最高 250 Kbps
- 可有很長的 sleep interval、low operation duty cycles，極低功耗，用鈕扣電池可有一年壽命
- 新的 device 有 energy harvesting(能量攔截) 功能，可以沒有電池
- link layer 之上是 application profile
- 常用在 smart energy、home automation、lighting control applications
- mesh network => 數千的裝置
- 如要連 internet，需要 application-level gateway，gateway 本身也是 ZigBee network 的一個節點
- 透過 Wifi 或 ETH 連上 Internet

### 6LoWPAN

- IPv6 over Low power Wireless PAN
- 使小型、低功率、低算力的機器也能使用 IP
- 定義 Adaptation layer，在 802.15.4 和 TCP/IP 之間
- 只能使用 IPv6
- 更多的地址
- 內建的 auto-configuration
- 需要 Eth 或 wifi gateway 來連上 Internet
- 由於 IPv4 仍使用較多，故 gateway 中通常有 IPv6-to-IPv4 conversion protocol
- 使用 2.4G、868M/915M Hz ISM bands
- mesh network、large network size、reliable、low power

### Radio Transceivers and Proprietary Protocols

- 常用於工控領域
- 低頻率: 433、868、915 MHz (Sub-1 GHz solutions)
- high power、超過 25KM、point-to-point、star topology
- 許多公共事業建立專用的 MAN (Metropolitan Area Network) 來讀取監控儀表
- security systems and industrial control and monitoring

### 有線

- Eth (乙太網路)
- Power line communication (PLC)
- industrial communication standards

## Connectivity Technologies in IoT

### Wi-Fi

- Wi-Fi (Wireless Fidelity)
- 31% of IoT Device
- 方便使用、無線、可快速開發
- pros
- 高速、應用環境廣(家中、辦公室、公共空間都有 wifi)
- 簡單使用、可快速設定，強大的可靠性
- 相對低的成本
- Cons
- 高耗能、有限的距離(35M)
- 網路壅塞、需要有 wifi 來源
- APP
- smart home
- 存貨管理
- 醫療

### 藍芽

- 短距離
- smartphones with fitness trackers
- tablets with other IoT gadgets
- 27% IoT Device
- Pros
- low power
- cost-effect
- 簡單使用和設置
- cons
- 低頻寬
- 低速
- 短距離
- 高延遲
- APP
- smart lock、speakers、燈光控制
- 生理監控
- 警報裝置

### Cellular Networks

- 2G, 3G, 4G, 5G, LTE-M, and NB-IoT
- 20% of iot device
- 可靠、覆蓋率高
- pros
- 幾乎任何地方皆可用
- 高可靠度
- 高速、高頻寬
- 可擴展
- 安全性
- cons
- 貴
- 高耗能
- 傳輸延遲
- 5G 才能有極低延遲
- APP
- 部署在荒郊野外
- 農地、野外
- 土壤感測、天氣感測、水源感測
- cellular GPS
- 車隊管理
- 行動健康裝置
- ECG (electrocardiogram) monitors
- Smart city
- 交通監測
- 環境監測

### ZigBee

- Pros
- low power
- 可靠
- 抗干擾
- 可擴展
- Cons
- 距離限制 10~100M
- 相容性問題
- 低頻寬
- 對一般人來說不好設定
- APP
- 電池驅動的裝置
- smart home sensor
- 工業環境和設備監測
- 醫療設備監控
- 環境監控
- 農業、土壤、作物監控，灌溉系統

### LoRaWAN

- low-power wide-area network (LPWAN)
- Long Range Wide Area Network
- Pros
- 長距離 (15KM)
- Low power, low cost
- Cons
- low bandwidth
- high delay
- Infrastructure requirements (需要額外的基礎設施)
- APP
- 資產監測 (小型車、貨櫃)
- smart city
- 森林、海洋監測
- 農業

### Ethernet

- 有線傳輸方式
- Pros
- 高可靠性
- 高速、低延遲
- 抗干擾
- 高安全性
- Cons
- 需要部線
- 安裝麻煩 (要插線)
- 成本較高
- Power of Ethernet (POE)
- 用 Ethernet 供電，例如監視器
- 工業環境的機器監控
- 智慧電網
- data center
- 安全系統

### Choosing the Right Connectivity Technology in IoT

#### Coverage 覆蓋率

- Device 在該物理位置，是否可以使用該種網路
- 確定能取得必要的連線
- 可考慮使用備援

#### Bandwidth 頻寬

- 頻寬足夠傳輸裝置的資料大小和類型

#### Power consumption 功耗

- 收發資料需要耗費多少能量
- 根據裝置的供電方式選擇通訊方法

#### Cost 成本

- Enterprise IoT solutions can significantly enhance operational efficiency and data-driven decision-making for large corporations.

#### Data throughput 資料傳輸速度

#### Mobility 移動性

- 某些裝置的位置不是固定的，可能會隨時移動

#### Latency 延遲

#### Indoor penetration 穿透能力

- 訊號在建物中的穿透能力(牆壁和地板)，尤其在建物密集處

#### Security 安全性

#### Redundancy 備援

## Cloud Computing and IoT

- IoT device 可以在雲上儲存或處理資料
- Pros
- scalability
- dependability
- cost efficiency

### How IoT can be integrated with cloud computing

#### Data Collection

- 將感測器讀取到的數據傳到雲上，做分析和處理

#### Data Storage

- 安全、可擴展
- 中心化的
- IoT device 可將資料儲存 **offload** 給雲端，保證資料一致性和可存取

#### Data Processing and Analytics

- 可執行更加複雜的資料分析
- 找出資料中的 pattern(模式、規律)、trends(趨勢)、anomalies(異常)
- 幫助 data-driven decision-making、predictive analysis

#### Real-time Monitoring and Control

- Cloud 可做為中心化的 hub (管理節點)
- remote config、fireware update、real-time control

#### ML and AI

- IoT device 可能跑不動模型
- 資料傳到雲、在雲上進行推理再傳回來

#### Scalability and Flexibility

- 雲可以隨時加容量、根據當下流量自動擴展 ...
- 一鍵加機器、加 pod ...

#### Security and Privacy

- 加密、驗證、存取權限管理

### Cloud 好處

- Savings
- pay as use
- 自動縮放
- Scalability
- 可以快速的增加/減少運算資源
- Accessibility
- 任何地點，只要能連網就能存取
- remote control
- 資料可在雲端計算，不受 iot device 限制
- 由雲端的資料分析可了解使用者行為、使用量
- Better decision-making
- 可以拿到整體的資料，藉由這個 fuller picture 來做決策
- 藉由資料分析來減少成本和改進流程
- Automation

## The use of IoT and cloud computing together in various industries

- Healthcare
- 穿戴裝置、醫療監測器，將資料傳上雲
- 便於分析和監測
- cloud-based electronic health records (EHRs)
- Manufacturing
- RFID等，貨物追蹤、產線監測、供應鏈管理
- 雲可以儲存和分依資料，並提供即時的 insights (建議)
- Agriculture
- 監測天氣、土壤、作物
- 雲端分析資料
- Transportation
- GPU、車載感測器，可監測駕駛的安全、車體的運行狀況
- 雲可以獲得即時的資料更新、提供省油機制的資料分析或是保養的建議
- Energy
- 智慧電網、電表(smart meter)
- 由雲即時分析，調度電力
- Retail (零售業)
- RDIF、smart shelves(智慧貨架)追蹤庫存量；藉由各式資料分析提供個人化的消費體驗
- 雲可以提供即時分析的結果

## Difficulties of Implementing cloud computing with IoT

- Integration
- IoT device 必須和雲有良好的整合，才能發揮效率
- 雲有各式資料處理和儲存的技術可選擇
- IoT device 常使用和雲不同的通訊協議
- Security
- 雲端必須保證防止未授權的資料存取，並防止資料
- IoT device 可能受到網路攻擊
- 雲和 IoT device 可能有不同的安全性需求，實施強力的安全措施可能較困難
- Scalability
- 雲端必須能根據需求擴增或縮減
- 確保有效率的縮放可能很困難
- Interoperability
- 不同廠商的硬體之間可能很難互相溝通
- iot device 和雲端的溝通可能也有困難
- Complexity
- 雲和 iot 都涉及大量不同的技術，實作上可能較困難
- 企業可能需要特別的培訓

## Future of Cloud Computing with IoT

- Edge computing
- IoT device 增加 => 資料量也增加
- 在更靠近資料來源的地點處理資料，降低延遲和 response time
- AI and ML
- Autonomous systems
- E.g., 自駕車
- 做決策或是執行動作時，可以使用即時資料
- Smart City
- 最佳化交通流量、公共安全、生活品質
- Wearable tech
- 提供健康相關的 insights

## Edge Computing in IoT

- IoT device 通常有較少的硬體資源，故將資料傳到中心化的地方處理(如 cloud、server ...)
- Edge device 會被放在 network 的邊緣，作為 IOT device 和 cloud 之間的中介
- 進行 local data processing、filtering、analysis，或執行 APP、演算法
- 通常比 IOT device 有更多的儲存空間、記憶體、算力
- 可降低 response time、delay
- 實現 real-time 的系統
- 優化頻寬和成本 (減少和雲的網路傳輸)
- 降低和單一個雲的相依性 => 提升可靠性
- 可提升安全性和隱私性

### Determine suitability

- 分析資料大小、頻寬，以及網路設施
- 由 iot device 產生的資料大小和可用的頻寬來決策
- 若資料量很大，或是傳到雲的成本很高，則可用 edge
- 延遲
- 如果應用需要極低的延遲，則可考慮 edge
- 可靠性和彈性
- 評估和雲失去連線的影響，考慮使用的裝置
- 包含裝置的電力或儲存空間
- 隱私性和安全性
- edge device 需要實作安全的傳輸
- 包含加密、驗證、安全性韌體更新
- 擴展性和管理
- 裝置是否好管理、可擴展、維護
- 成本效益
- 硬體成本、維護成本、資料傳輸成本、風險
- **hybrid approach** (cloud+edge) 通常可提供較好的 solution

## AIoT

- 使 IOT 強大的三個技術
- Big Data
- 5G
- AI

### 應用

- 穿戴裝置
- 健康監測、科學運動訓練
- 智慧家電
- 燈光控制、家電
- 智慧城市
- 公共安全、運輸、交通、能源效率
- 智慧製造(工業)
- 減少人為錯誤
- 即時分析

## The Untapped Potential of AI & IoT

### Edge Computing

- Smart thermostats (溫控)
- Smart appliances (電器)
- Home robots
- Autonomous vehicles

### Voice AI

- Smart speakers
- Natural language processing (NLP)
- ePayment voice authentication
- 電子支付使用聲音驗證

### Vision AI

- Massive object detection: 物件偵測
- Video analytics on the edge