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