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物聯網基礎架構與應用簡介

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黃能富特聘教授國立清華大學資訊工程系 E-mail: [email protected]

物聯網簡介 - 2

大綱

物聯網基礎架構簡介

實體層 (Physical devices with sensors)

感應層 (Sensors and Sensor networks)

網路層 (Networks)

應用層 (Applications)

物聯網簡介 - 3

資訊技術發展趨勢

物聯網簡介 - 4

物聯網：下一個萬億產業？

Forrester 預測，到 2020年，”物物互聯”的業務，跟

“人與人通信”的業務相比，將達到30:1.

也有預測這個比例未來可達到100比1甚至1000比1，

極具發展前景，對經濟和社會將有巨大影響

物聯網簡介 - 5 資料來源：資策會 FIND(2009)

人與物互動關係

物聯網簡介 - 6 資料來源：資策會 FIND(2009)

物件與物件之間的溝通

物聯網簡介 - 7

物聯網產業架構鏈

RFID, Sensors, Sensor Networks

2G/3G/4G/5G Networks

Applications (Cloud

Computing)

物聯網簡介 - 8

物聯網產業架構鏈

資料來源：自強基金會 (TCFST) (2015)

物聯網簡介 - 9

Sensors 感應層

物聯網簡介 - 10

Networks 網路層


Applications 應用層


物聯網國際標準組織簡介


物聯網國際標準組織簡介如 EPCGlobal 的

Physical Markup

Language (PML) and

Object Naming

Service (ONS) 標準體系

Telematics 行業推出的 NGTP 協議，以及EDDL、FDT/DTM、M2MXML、BITXML、oBIX等。

傳感層的數據交換格式和模型有：TransducerML、IRIG、SensorML、CBRN、EXDL、TEDS 等。


大綱



物聯網創新應用

物聯網創新應用元素




物聯網簡介 - 15 https://www.hapi.com/product/hapifork

1. 智慧叉


1. 智慧叉

https://www.hapi.com/product/hapifork


2. 智慧網球拍

http://en.babolatplay.com/



2. 智慧網球拍



3. 智慧杯

https://www.myvessyl.com/



3. 智慧杯



4. 智慧牙刷

http://www.beamtoothbrush.com/toothbrush/


4. 智慧牙刷



5. 智慧蛋盒

http://www.quirky.com/shop/619


6. 智慧襪

http://www.sensoriafitness.com/



6. 智慧襪

http://www.sensoriafitness.com/Technology

http://www.sensoriafitness.com/Technology


6. 智慧襪



7. 智慧鏡

http://www.poshimirror.com/

物聯網簡介 - 32 http://www.poshimirror.com/


7. 智慧鏡

http://www.poshimirror.com/


8. 智慧球棒

http://cn.zepp.com/

物聯網簡介 - 35 http://cn.zepp.com/


8. 智慧球棒

http://cn.zepp.com/


http://cn.zepp.com/


9. 智慧鞋墊

http://lechal.com/


http://lechal.com/


9. 智慧鞋墊

http://lechal.com/


10. 智慧棒

http://www.variableinc.com/

物聯網簡介 - 47 http://www.variableinc.com/


10. 智慧棒



11. 智慧灑水器

https://lono.io/


https://lono.io/


12. 智慧血糖機

http://www.telcare.com/index


12. 智慧血糖機

不須使用無線網路, 不須連接手機

http://www.telcare.com/index


13. 智慧鎖

http://www.keynie.com/


13. 智慧鎖



物聯網創新應用元素

Idea 創意

Micro Sensors 微型感應器 (MEMS)

Fashion design 時尚設計 (工業產品設計)

Blue tooth 藍芽通訊

Low power 低功耗 (充電方式)

APPs 手機應用程式 (數據資料呈現或分析)

Domain Knowledge 專業知識

目前較偏重個人使用習慣之資料呈現

尚未彙整為大數據資料庫或雲端應用


MEMS 微機電感應器

MEMS 微機電感應器技術是關鍵

物聯網的目標為建構智慧感測世界，感測器將隨處可見

感測器市場熱度急升，國內外 MEMS大廠以及感測器晶片商也競相卡位，MEMS技術競賽白熱化。

感測器體積將越來越小、成本下降

須從感測結構設計、製程和封裝技術多層面考慮，研發多軸、異質功能整合的感測器。


MEMS 微機電感應器

下一階段的技術競賽將聚焦於植入式感測器設計，應用於醫療級的生物感測、病況追蹤等等。


IPv6 與物聯網關係多密切 ?

Sensors (時尚生活用品) 需要也往往跟手機連結

Blue tooth 為主 (sensors ---> blue tooth ----> 手機)

手機連網傳送資料到雲端

電信公司 4G 網路開始使用 IPv6 網路

手機使用 464 XLAT 轉換機制 (手機 --- IPv6---> 雲端)


Android + CLAT on a UMTS IPv6-only network with DNS64/NAT64

Mobile phone: Nexus S phone with CLAT software

Mobile network: T-Mobile USA IPv6 Beta

https://sites.google.com/site/tmoipv6/464xlat

NAT 46

NAT 64

IPv6 only Cell network

CLAT daemon PLAT server

IPv4 service

IPv4

IPv6

APPs

物聯網簡介 - 68 https://sites.google.com/site/tmoipv6/464xlat

NAT 46

NAT 64

IPv6 only Cell network

CLAT daemon PLAT server

IPv4 service

IPv4

IPv6

APPs


IPv6 與物聯網關係多密切 ?

最後一哩路 ? 也是最難的一哩路.

Sensors (時尚生活用品) 需要 IP address 嗎 ?

IPSO

6LoWPAN


大綱




感應器平台

感應器聯網聯盟 (IPSO)

感應器聯網協議 (6LoWPAN)




感應器平台

Octopus II

Arduino

Intel Edison

Raspberry Pi

MediaTek LinkIt ONE


• MSP 430 + Zigbee / IEEE 802.15.4 • 完整支援主流感測平台作業系統 – TinyOS • 50 Ports 擴充界面 • 低成本雙層板硬體設計 • 國立清華大學資工系許健平教授團隊開發 • 台灣數十所大學物聯網應用研究與教學使用

Octopus II 感應器



Top View



Bottom View


OCTOPUS II – Spec.

TI MSP430 microcontroller –最省電的八位元微處理器

Expandable flash memory – 最多可儲存1 Mbytes的資料

TI CC2420 RF Chip (2.4GHz) 符合IEEE 802.15.4低耗電無線通訊協定

External oscillator 擁有精確的計時功能，可達到最深層的睡眠模式

A connector with 50 expansion I/O pins – 擴充性高

Reduce hardware cost –雙層板設計，成本低廉

Sensors in board (option)

Two light sensors – 兩個光度感測器

One temperature-humidity sensor – 溫濕度感測器


Octopus II 感應器架構


Sensor 作業系統 Operating Systems (OS)


Tiny OS vs. Contiki OS

TINY OS CONTIKI OS

Event-driven OS with non-

preemptive multitasking

Event-driven OS with

optional preemptive

multitasking

Static linking Dynamic linking

nesC (network embedded

systems C) programming

language

C programming language


Contiki OS

Open source, highly portable, multitasking operating system

First OS for sensor networks to provide TCP/IP

Official website

http://www.contiki-os.org/

http://www.contiki-os.org/http://www.contiki-os.org/http://www.contiki-os.org/http://www.contiki-os.org/


Contiki OS features

Multitasking kernel

Preemptive scheduling

Managed memory allocator

TCP/IP networking, including IPv6


uIP Introduction

Two communication stacks in Contiki

uIP – TCP/IP

Rime – low overhead

Applications can use either or both

Or none

uIP can run over Rime

Rime can run over uIP


uIP Introduction

Ethernet Low-power

radio

uIP Rime

Application

Application

Application Application


TWNIC 研究計畫

感應器大量使用有助於 IPv6 普及

但是目前感應器節點只有 ID, 沒有 IP

因為

IPv6 protocol stack 厚重

Sensor node 計算能力弱, 記憶體少, 低功耗

IPSO 為 IPv6 瘦身版

發展具IPv6 通訊能力之感應器及感測網路平台

使用科技部 Octopus II 無線感測器平台

IPv6 感應器與無線感測網路之建置


Sensor Node

Hardware platform

Octopus II with IEEE 802.15.4 transceiver

Operating System

Contiki OS

Tiny OS (Optional)

Communication Stack

IPv6 protocol (uIP)


System Architecture

Sensor Network Environment

Smart object：Octopus II

Gateway：Computer with sensor bridge

End user：Notebook、Smartphone


Arduino

https://www.arduino.cc/


Arduino products

https://www.arduino.cc/en/Main/Products


Arduino Uno

https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno


Intel Edison

https://software.intel.com/en-us/iot/hardware/edison


Intel Edison Sensors


Intel Edison Gas Sensor


Raspberry PI (樹莓派)

https://www.raspberrypi.org/


Raspberry PI 2 Model B

https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-2-model-b/


Raspberry PI Community

https://www.raspberrypi.org/community/


Raspberry PI blogs

http://www.recantha.co.uk/blog/


MediaTek LinkIt ONE

https://labs.mediatek.com/site/global/developer_tools/mediatek_linkit/whatis_linkit/index.gsp

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