【中國智能制造網(wǎng) 學(xué)術(shù)論文】近來物聯(lián)網(wǎng)潮流興起，以及低成本感測與控制元件大量出籠，使得智慧家庭的發(fā)展快速升溫，各種家用裝置已開始加入聯(lián)網(wǎng)與智慧化功能。此一轉(zhuǎn)變，也讓自動化控制應(yīng)用逐漸由過往較大型的工廠、商辦大樓或公共場所，進(jìn)入一般民眾家中。　　
　　物聯(lián)網(wǎng)概念興起前，自動控制已經(jīng)有相當(dāng)長的發(fā)展歷史，從工廠、辦公大樓、附屬設(shè)施到住家，都是自動控制的應(yīng)用范圍。早期相關(guān)元件布建成本、軟硬件整合技術(shù)門檻較高，自動控制多半僅出現(xiàn)在工廠、較大型的商辦大樓或設(shè)施等場所，對于家庭應(yīng)用一直未能普及。
　　
　　近年來隨著低成本感測與控制元件的出現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)擷取技術(shù)的蓬勃發(fā)展，還有各種智能裝置的快速普及，使得IoT概念被提出，不僅智慧家庭普及露出曙光，對于整個自動控制領(lǐng)域也出現(xiàn)新的契機(jī)。但本該是一脈相承的自動控制與IoT領(lǐng)域，有時觀察起來卻存在著一種「代溝」，因此本文將從自動控制、IoT的應(yīng)用需求，探討相關(guān)技術(shù)、解決方案的發(fā)展趨勢。
　　
　　自動控制逐步向IP網(wǎng)絡(luò)靠攏
　　
　　相信較早進(jìn)入建筑物自動控制領(lǐng)域的人應(yīng)該都對Modbus協(xié)定不陌生，由Modicon公司于1979年提出的Modbus協(xié)定因?yàn)橘Y料格式簡單易懂，快速地成為早期控制網(wǎng)絡(luò)的共通標(biāo)準(zhǔn)。
　　
　　包含Modbus在內(nèi)的早期控制網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)體層均使用有線序列通訊的線路標(biāo)準(zhǔn)布建，較為常見的是RS422與RS485兩種。這類序列通訊需要注意的問題相當(dāng)多，諸如訊號本身的位元率、奇/偶函數(shù)檢查、停止位元與訊息間的間隔時間等，還有線材的材質(zhì)、長度、絞線規(guī)格、串接方式、干擾隔離與終端電阻等，均可能對通訊品質(zhì)造成影響。這些因素也使得傳統(tǒng)序列通訊的控制網(wǎng)絡(luò)有較高的布建、維護(hù)成本與實(shí)作技術(shù)門檻。
　　
　　隨著電腦網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，TCP/IP逐漸成為電腦網(wǎng)絡(luò)上共通的通訊協(xié)定架構(gòu)，一些傳統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)也漸漸發(fā)展為以TCP/IP為基礎(chǔ)的架構(gòu)。因應(yīng)這樣子的趨勢，Modbus協(xié)定也由以往使用序列通訊的ModbusRTU，進(jìn)化到使用Ethernet搭配TCP/IP通訊協(xié)定架構(gòu)，利用傳輸控制協(xié)議傳輸層協(xié)定承載原本序列通訊內(nèi)容的ModbusTCP。
　　
　　拜Ethernet架構(gòu)的簡單、維護(hù)成本低廉且在電腦網(wǎng)絡(luò)中被大量應(yīng)用等優(yōu)勢所賜，與舊有架構(gòu)比起來，ModbusTCP毋須擔(dān)心復(fù)雜的序列通訊的訊號、線材規(guī)范，使得布建與維護(hù)的成本、技術(shù)門檻均降低不少。
　　
　　也因?yàn)槭褂肨CP/IP通訊協(xié)定架構(gòu)，可以使用網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)定進(jìn)行定址、選徑，也使得ModbusTCP有較大范圍的定址空間與支援較大型網(wǎng)域的能力。若搭配網(wǎng)絡(luò)橋接器，也可經(jīng)由無線、電力線、光纖等網(wǎng)絡(luò)型態(tài)傳輸，讓ModbusTCP適用于更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境（圖1）。　　
　　另一方面，隨著電子元件大量生產(chǎn)、成本降低，各種更貼近電腦網(wǎng)絡(luò)，并標(biāo)榜成本低廉、容易開發(fā)的感測器、控制器和相關(guān)整合架構(gòu)如雨后春筍般出現(xiàn)。例如各種使用ZigBee、藍(lán)牙低功耗的微型感測器、Arduino、樹莓派等，其中也不乏大廠投入。這類解決方案都大量使用無線傳輸、容易相容于電腦網(wǎng)絡(luò)，并打著IoT的旗號，儼然成為新的兵家必爭之地。
　　
　　物聯(lián)網(wǎng)促成自動控制軟/硬件現(xiàn)代化
　　
　　要建構(gòu)一套能用于生活周遭、串連各種裝置的網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)橐L時間穩(wěn)定提供服務(wù)，無法避免需要考量可靠度與能源效率。已在自動控制領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的各類工業(yè)規(guī)格控制器、感測器，因架構(gòu)單純且經(jīng)過長時間產(chǎn)品開發(fā)，在可靠度與能源效率上皆有不錯表現(xiàn)。
　　
　　步入IoT時代后，因有更大量的通訊需求、更多元化的通訊內(nèi)容、模式與功能應(yīng)用，使得可靠度與能源效率又面臨新挑戰(zhàn)。
　　
　　建立標(biāo)準(zhǔn)化、支援體系豐富的架構(gòu)或許是不錯的方式，目前可以觀察到一些軟/硬件廠商正積極朝這個方向布局，例如蘋果推出的HomeKit、Google主導(dǎo)的ThreadGroup、英特爾發(fā)起的OCFIoTivity與高通為首的AllSeenAllJoyn等，這些都是針對IoT通訊協(xié)定架構(gòu)還有應(yīng)用程式執(zhí)行環(huán)境推出的整合服務(wù)架構(gòu)解決方案，甚至已經(jīng)有部分開始商品化。
　　
　　有整合的服務(wù)架構(gòu)解決方案，方便的莫過于軟件開發(fā)與商品整合。軟件開發(fā)人員可以基于所提供的應(yīng)用程式介面開發(fā)應(yīng)用程式，除可少花點(diǎn)心思在整合問題外，可靠度與資訊安全等也得以確保。
　　
　　設(shè)備廠商只需要在感測器、控制器上部屬適當(dāng)?shù)姆?wù)架構(gòu)并滿足相關(guān)的規(guī)范，即可讓產(chǎn)品有不錯的相容性。而在商品整合的部分，有相容于某種服務(wù)架構(gòu)的標(biāo)示，對于相關(guān)人員選擇產(chǎn)品進(jìn)行部署，甚至是消費(fèi)者選購，都會更加方便。
　　
　　除整合服務(wù)架構(gòu)外，更往硬件層面看，就是控制器、感測器所使用的微型操作系統(tǒng)了。早期的產(chǎn)品多半使用廠商自行開發(fā)，或是委由軟件廠商開發(fā)的封閉式微型操作系統(tǒng)。近年來出現(xiàn)一些基于UNIX-like、POSIX操作系統(tǒng)架構(gòu)開發(fā)的開放原始碼微型操作系統(tǒng)，例如Mbed、Contiki、FreeRTOS等。
　　
　　這類型操作系統(tǒng)功能較為單純，同時間須執(zhí)行的處理程序也比一般電腦少很多，但須考慮資料處理的即時性，不能有太大的延遲。因此除核心、軟件模組的檔案大小都很小外，架構(gòu)上也是針對指令集較為精簡的控制器芯片設(shè)計(jì)并佳化，且多采用事件觸發(fā)導(dǎo)向、即時操作系統(tǒng)等概念設(shè)計(jì)，以滿足需求。
　　
　　就控制芯片的設(shè)計(jì)層面，也出現(xiàn)許多更省電、又有強(qiáng)大運(yùn)算能力的芯片，搭配適當(dāng)操作系統(tǒng)、服務(wù)架構(gòu)與應(yīng)用程式，都是未來IoT普及所需的重要元素。目前軟、硬件廠商，甚至是開源社群，皆投入不少心力在整合解決方案上，合作比單打獨(dú)斗帶來更大的力量，透過軟/硬件整合、優(yōu)化，將讓新型態(tài)的IoT感測、控制元件在可靠度與能源效率上更容易達(dá)到實(shí)用需求。
　　
　　在IoT的概念中，將有更多數(shù)量、更多種類的裝置同在網(wǎng)絡(luò)上，這意味著IoT網(wǎng)絡(luò)比起傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)，需要更大的定址空間與更強(qiáng)的定址甚至是選徑能力，同時需要支援更多元化的資料型態(tài)（圖2）。