如何解決物聯(lián)網(wǎng)應用難題

21ic訊 2003年，全球僅有5億多臺聯(lián)網(wǎng)設備，人均只有0.08臺，也就是說平均每人只有0.02臺設備可連接至互聯(lián)網(wǎng)。2010年這個數(shù)字上升至125億，平均每人幾乎擁有6臺聯(lián)網(wǎng)設備。2015年聯(lián)網(wǎng)“設備”的規(guī)模預計將進一步上升到250億臺，到2020年底將達到500億臺。

這種增長趨勢還將延續(xù)。隨著全新納米連接技術，也即所謂的“智能微塵”的發(fā)展， 這個數(shù)字將以每日數(shù)千億的速度進一步增長。隨著聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量的增長，設備之間的通信也變得越來越智能。例如，智能消防安全系統(tǒng)若是與智能恒溫器連接就會變得更加有用。若進一步將恒溫器與用戶的智能手機進行連接，系統(tǒng)的智能度就會提升到一個全新的級別。因此，網(wǎng)絡中添加的聯(lián)網(wǎng)設備越多，越有利于它們將海量無用“數(shù)據(jù)”轉化為切實有用的信息。

這就是物聯(lián)網(wǎng)的根本目標所在：為日常物品構建自我維持型網(wǎng)絡，從而提供遠超單個物品功能的集體價值。正是基于這一點，無論是政府部門、企業(yè)組織、學術團體還是業(yè)余愛好者們都在廣泛部署物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)已遍及從國際物聯(lián)網(wǎng)標準到定制智能傳感器開發(fā)等電子領域的各個層面。

然而，盡管全球廣泛投身物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)，要實現(xiàn)其普遍應用仍需解決各種復雜難題，其中既包括通用協(xié)議與標準等技術問題，也有對個人隱私等較抽象概念的影響。只有業(yè)界真正應對這些挑戰(zhàn)，物聯(lián)網(wǎng)才能獲得發(fā)展，否則將永遠原地踏步。

1. 采用通用標準

雖然業(yè)界已經(jīng)在物聯(lián)網(wǎng)的標準化方面取得了不菲的成績，但其安全性、隱私性，尤其是架構等方面仍需進行大量改進。據(jù)金融時報刊載的一篇最新報告顯示，科技廠商與電信企業(yè)展開了一場“殊死搏斗”，爭相搶占物聯(lián)網(wǎng)市場。當各行業(yè)領先企業(yè)試圖進一步細化其在物聯(lián)網(wǎng)市場的定位時，業(yè)內卻出現(xiàn)了幾項競爭性標準，包括谷歌“物理網(wǎng)絡”、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)、開放互聯(lián)聯(lián)盟(OIC)及Thread，這是一種由谷歌、三星、ARM及飛思卡爾聯(lián)合推出的新型IP無線網(wǎng)絡協(xié)議。

雖然這些機構都致力于推動物聯(lián)網(wǎng)的普及，但物聯(lián)網(wǎng)標準化進程的不足仍然讓人擔憂。在制定通用標準之前，物聯(lián)網(wǎng)有可能變成另一個依靠大型IT企業(yè)特別監(jiān)管的異步技術領域。

2. 采用IPv6

每一臺連接互聯(lián)網(wǎng)的設備都需要有各自獨特的數(shù)字標簽，即IP地址。當前，大多數(shù)IP地址都是在第四代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，也就是IPv4上運行。IPv4采用32 位系統(tǒng)，總計可提供43億個唯一IP地址，這個數(shù)量的IP地址在2010年2月就已分配完畢。隨著每天不斷有新設備接入互聯(lián)網(wǎng)，IPv4現(xiàn)已嚴重超載。因此，只有借助網(wǎng)絡地址轉換技術(NAT)才能使更多設備連接至互聯(lián)網(wǎng)，這種技術可將一個IP地址復用轉換成另一個從而提供更多可用的IP地址空間。

盡管事實證明NAT確實可以有效地避免IP地址耗盡，但它卻無法滿足物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需求。取而代之的是，網(wǎng)絡運營商開始積極推廣IPv6的普及，長度為 128位的新協(xié)議，可提供多達3.4×1038個設備地址。該新協(xié)議不僅可為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展(包括‘智能微塵’應用)提供充足的IP地址，還可提供增強的安全性及網(wǎng)絡管理功能。

盡管IPv6具備諸多優(yōu)勢，但據(jù)谷歌2014年12月發(fā)布的一份報告顯示，全球94%以上的互聯(lián)網(wǎng)流量仍然由IPv4發(fā)送。物聯(lián)網(wǎng)技術要取得成功，IPv6的普及率勢必要進一步提升。

3. 無線協(xié)議選擇

除了缺失標準化架構，設計工程師還面臨選擇難題，他們需要從大量的連接技術當中挑選出最適合的方案應用到物聯(lián)網(wǎng)設備當中。

其中幾項代表性連接技術包括WiFi、藍牙、藍牙低功耗、ANT、Zigbee及RF4CE。若要挑選到最優(yōu)無線技術，設計師必須綜合考慮諸多因素，例如：是否需要專用解決方案、什么樣的頻段符合所采用的行業(yè)標準、設備所需功率是多少等。無線技術的選擇將影響設備之間的通信方式并可能從根本上限制設備在物聯(lián)網(wǎng)中的應用。

是選擇開發(fā)專用解決方案還是直接采用藍牙等標準化技術，二者之間的權衡歸根結底在于所需的基本功能。高度專業(yè)化的功能可能需要開發(fā)專有實現(xiàn)方案，這就會直接限制OEM供應商提供的可用產(chǎn)品選擇;但同時它也有有利的一面，由于專用無線平臺可能是專門針對應用而定制開發(fā)，這有利于縮小軟件的占位空間。

正如所料，Wi-Fi目前主導著整個無線連接世界。然而，Wi-Fi技術的高功耗特性使得它并不適合物聯(lián)網(wǎng)應用。許多開發(fā)人員正積極嘗試使用低功耗藍牙技術及Dynastream‘ANT’協(xié)議，二者均可為短程無線通信提供低成本與超低功耗解決方案，是可穿戴設備與物聯(lián)網(wǎng)設備的理想選擇。

4.提供電源

放棄使用Wi-Fi為物聯(lián)網(wǎng)的應用帶來了另一個問題：如何才能為大量便攜式互聯(lián)網(wǎng)連接設備提供充足電源?為了充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的潛能，接入網(wǎng)絡的各種設備需要逐漸實現(xiàn)自我維持功能。隨著物聯(lián)網(wǎng)的迅速擴展，它所連接的嵌入式傳感器即使不到數(shù)十億，也有數(shù)百萬件，這樣一來，定期更換每臺設備的電池幾乎不太現(xiàn)實，因此我們要使每件傳感器都能夠利用其周邊環(huán)境中的各種當?shù)卦?，如震動、光、氣流等進行自主發(fā)電。

大多數(shù)情況下，此類發(fā)電都是通過采用納米發(fā)電機技術實現(xiàn)的。這些靈活的自供電能源采集器可用于將動能(來自震動能與機械能)轉化為電能，且無需安裝電子設備所需的外部電路及電池。雖然納米發(fā)電機初期發(fā)展比較緩慢，但其近期發(fā)展卻是有目共睹，其能源效率增長近40倍。通過EnOcean與 Perpetuum等業(yè)界企業(yè)的努力，納米發(fā)電技術現(xiàn)已可以將微弱的震動甚至人體走路的踩踏等各種能量轉化為電能。

盡管如此，我們仍需克服許多難題才能最終真正解決能源消耗的問題。由于全球預期將迎來500億臺連接設備，我們迫切需要開發(fā)靈活的可再生能源。

5. 隱私性

物聯(lián)網(wǎng)對個人權利和個人隱私的影響是一直備受關注的話題之一。由于物聯(lián)網(wǎng)可能會造成入侵式營銷及企業(yè)監(jiān)控，曾經(jīng)激起廣泛大眾對物聯(lián)網(wǎng)的極度不認可與不信任。因此，若業(yè)界想廣泛推動消費級應用，物聯(lián)網(wǎng)設計師就必須確保維護用戶的個人隱私，從根本上說也就是確保不辜負用戶的信任。

從設計的角度來看，實現(xiàn)這一目標的最佳方式是確保物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品能夠真正為大眾的生活帶來有形價值。只要設計出切實有用的應用產(chǎn)品而非只是制造新奇噱頭，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)便可為終端用戶提供真正實用的產(chǎn)品。

所有新技術在被引入之初，媒體總是先對其隱私問題提出質疑，這個問題最終必然受到公眾的關注。無論是智能手機還是衛(wèi)星導航系統(tǒng)，當初都存在這個現(xiàn)象。然而最終，這些技術都獲得了迅猛發(fā)展，這是因為它們不僅可以提供切實的好處，還竭力最大限度地保護終端用戶的安全和隱私。

因此，物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)據(jù)采集應該做到盡可能透明，并應采用適當?shù)墓芸睾桶踩胧┮员Ｗo用戶的數(shù)據(jù)。 這些管控措施的基本內容最初在2009年歐洲委員會的一項報告中進行過概述，該報告邀請了聯(lián)盟成員國對互聯(lián)網(wǎng)連接設備的設計與運行提供指導意見。這些指導方針突出強調了對物聯(lián)網(wǎng)設備的幾點要求，包括：能夠主動防御攻擊、使用經(jīng)認證數(shù)據(jù)、對收集的數(shù)據(jù)實施適當?shù)脑L問控制、對客戶端隱私提供高級別保護等。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)設計師及業(yè)余愛好者在嘗試開發(fā)全新連接設備時，必須充分考慮所有這些特性。

要想在2015年確實實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的普遍應用，必須解決當前面臨的一系列難題，本文只是提及其中的幾項。雖然其中的一些難題將由政府部門和行業(yè)組織負責解決，但全球設計師和業(yè)余愛好者已經(jīng)遇到了許多問題。這也是物聯(lián)網(wǎng)在設計社區(qū)如此令人關注的原因，他們不僅期待成功背后的巨大利益，也樂于享受它帶來的諸多挑戰(zhàn)。