如何解決物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用難題 ― 解讀2015年物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展的壁壘

2003年，全球僅有5億多臺(tái)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，人均只有0.08臺(tái)，也就是說平均每人只有0.02臺(tái)設(shè)備可連接至互聯(lián)網(wǎng)。

2010年這個(gè)數(shù)字上升至125億，平均每人幾乎擁有6臺(tái)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。2015年聯(lián)網(wǎng)“設(shè)備”的規(guī)模預(yù)計(jì)將進(jìn)一步上升到250億臺(tái)，到2020年底將達(dá)到500億臺(tái)。

這種增長(zhǎng)趨勢(shì)還將延續(xù)。隨著全新納米連接技術(shù)，也即所謂的“智能微塵”的發(fā)展， 這個(gè)數(shù)字將以每日數(shù)千億的速度進(jìn)一步增長(zhǎng)。

隨著聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的增長(zhǎng)，設(shè)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(huì)變得更加有用。若進(jìn)一步將恒溫器與用戶的智能手機(jī)進(jìn)行連接，系統(tǒng)的智能度就會(huì)提升到一個(gè)全新的級(jí)別。因此，網(wǎng)絡(luò)中添加的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備越多，越有利于它們將海量無用“數(shù)據(jù)”轉(zhuǎn)化為切實(shí)有用的信息。

這就是物聯(lián)網(wǎng)的根本目標(biāo)所在：為日常物品構(gòu)建自我維持型網(wǎng)絡(luò)，從而提供遠(yuǎn)超單個(gè)物品功能的集體價(jià)值。

正是基于這一點(diǎn)，無論是政府部門、企業(yè)組織、學(xué)術(shù)團(tuán)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(guó)際物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)到定制智能傳感器開發(fā)等電子領(lǐng)域的各個(gè)層面。

然而，盡管全球廣泛投身物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)，要實(shí)現(xiàn)其普遍應(yīng)用仍需解決各種復(fù)雜難題，其中既包括通用協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)問題，也有對(duì)個(gè)人隱私等較抽象概念的影響。

只有業(yè)界真正應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，物聯(lián)網(wǎng)才能獲得發(fā)展，否則將永遠(yuǎn)原地踏步。

1. 采用通用標(biāo)準(zhǔn)

雖然業(yè)界已經(jīng)在物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化方面取得了不菲的成績(jī)，但其安全性、隱私性，尤其是架構(gòu)等方面仍需進(jìn)行大量改進(jìn)。據(jù)金融時(shí)報(bào)刊載的一篇最新報(bào)告顯示，科技廠商與電信企業(yè)展開了一場(chǎng)“殊死搏斗”，爭(zhēng)相搶占物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)。當(dāng)各行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)試圖進(jìn)一步細(xì)化其在物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的定位時(shí)，業(yè)內(nèi)卻出現(xiàn)了幾項(xiàng)競(jìng)爭(zhēng)性標(biāo)準(zhǔn)，包括谷歌“物理網(wǎng)絡(luò)”、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(luò)協(xié)議。

雖然這些機(jī)構(gòu)都致力于推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的普及，但物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的不足仍然讓人擔(dān)憂。在制定通用標(biāo)準(zhǔn)之前，物聯(lián)網(wǎng)有可能變成另一個(gè)依靠大型IT企業(yè)特別監(jiān)管的異步技術(shù)領(lǐng)域。

2. 采用IPv6

每一臺(tái)連接互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備都需要有各自獨(dú)特的數(shù)字標(biāo)簽，即IP地址。當(dāng)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(yùn)行。

IPv4采用32位系統(tǒng)，總計(jì)可提供43億個(gè)唯一IP地址，這個(gè)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(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，IPv4現(xiàn)已嚴(yán)重超載。因此，只有借助網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換技術(shù)(NAT)才能使更多設(shè)備連接至互聯(lián)網(wǎng)，這種技術(shù)可將一個(gè)IP地址復(fù)用轉(zhuǎn)換成另一個(gè)從而提供更多可用的IP地址空間。

盡管事實(shí)證明NAT確實(shí)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(luò)運(yùn)營(yíng)商開始積極推廣IPv6的普及，長(zhǎng)度為128位的新協(xié)議，可提供多達(dá) 3.4×1038個(gè)設(shè)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(yīng)用)提供充足的IP地址，還可提供增強(qiáng)的安全性及網(wǎng)絡(luò)管理功能。

盡管IPv6具備諸多優(yōu)勢(shì)，但據(jù)谷歌2014年12月發(fā)布的一份報(bào)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(shù)要取得成功，IPv6的普及率勢(shì)必要進(jìn)一步提升。

3. 無線協(xié)議選擇

除了缺失標(biāo)準(zhǔn)化架構(gòu)，設(shè)計(jì)工程師還面臨選擇難題，他們需要從大量的連接技術(shù)當(dāng)中挑選出最適合的方案應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備當(dāng)中。

其中幾項(xiàng)代表性連接技術(shù)包括WiFi、藍(lán)牙、藍(lán)牙低功耗、ANT、Zigbee及RF4CE。若要挑選到最優(yōu)無線技術(shù)，設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備所需功率是多少等。無線技術(shù)的選擇將影響設(shè)備之間的通信方式并可能從根本上限制設(shè)備在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。

是選擇開發(fā)專用解決方案還是直接采用藍(lán)牙等標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，二者之間的權(quán)衡歸根結(jié)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(shí)現(xiàn)方案，這就會(huì)直接限制OEM供應(yīng)商提供的可用產(chǎn)品選擇;但同時(shí)它也有有利的一面，由于專用無線平臺(tái)可能是專門針對(duì)應(yīng)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(dǎo)著整個(gè)無線連接世界。然而，Wi-Fi技術(shù)的高功耗特性使得它并不適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。許多開發(fā)人員正積極嘗試使用低功耗藍(lán)牙技術(shù)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(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(yīng)用帶來了另一個(gè)問題：如何才能為大量便攜式互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)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(luò)的各種設(shè)備需要逐漸實(shí)現(xiàn)自我維持功能。隨著物聯(lián)網(wǎng)的迅速擴(kuò)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(tái)設(shè)備的電池幾乎不太現(xiàn)實(shí)，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(dāng)?shù)卦?，如震?dòng)、光、氣流等進(jìn)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(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。這些靈活的自供電能源采集器可用于將動(dòng)能(來自震動(dòng)能與機(jī)械能)轉(zhuǎn)化為電能，且無需安裝電子設(shè)備所需的外部電路及電池。

雖然納米發(fā)電機(jī)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(zhǎng)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(shù)現(xiàn)已可以將微弱的震動(dòng)甚至人體走路的踩踏等各種能量轉(zhuǎn)化為電能。

盡管如此，我們?nèi)孕杩朔S多難題才能最終真正解決能源消耗的問題。由于全球預(yù)期將迎來500億臺(tái)連接設(shè)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(duì)個(gè)人權(quán)利和個(gè)人隱私的影響是一直備受關(guān)注的話題之一。由于物聯(lián)網(wǎng)可能會(huì)造成入侵式營(yíng)銷及企業(yè)監(jiān)控，曾經(jīng)激起廣泛大眾對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的極度不認(rèn)可與不信任。因此，若業(yè)界想廣泛推動(dòng)消費(fèi)級(jí)應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)師就必須確保維護(hù)用戶的個(gè)人隱私，從根本上說也就是確保不辜負(fù)用戶的信任。

從設(shè)計(jì)的角度來看，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)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(jià)值。只要設(shè)計(jì)出切實(shí)有用的應(yīng)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(shí)用的產(chǎn)品。

所有新技術(shù)在被引入之初，媒體總是先對(duì)其隱私問題提出質(zhì)疑，這個(gè)問題最終必然受到公眾的關(guān)注。無論是智能手機(jī)還是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，當(dāng)初都存在這個(gè)現(xiàn)象。然而最終，這些技術(shù)都獲得了迅猛發(fā)展，這是因?yàn)樗鼈儾粌H可以提供切實(shí)的好處，還竭力最大限度地保護(hù)終端用戶的安全和隱私。

因此，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)采集應(yīng)該做到盡可能透明，并應(yīng)采用適當(dāng)?shù)墓芸睾桶踩胧┮员Ｗo(hù)用戶的數(shù)據(jù)。 這些管控措施的基本內(nèi)容最初在2009年歐洲委員會(huì)的一項(xiàng)報(bào)告中進(jìn)行過概述，該報(bào)告邀請(qǐng)了聯(lián)盟成員國(guó)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備的設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供指導(dǎo)意見。這些指導(dǎo)方針突出強(qiáng)調(diào)了對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的幾點(diǎn)要求，包括：能夠主動(dòng)防御攻擊、使用經(jīng)認(rèn)證數(shù)據(jù)、對(duì)收集的數(shù)據(jù)實(shí)施適當(dāng)?shù)脑L問控制、對(duì)客戶端隱私提供高級(jí)別保護(hù)等。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)設(shè)計(jì)師及業(yè)余愛好者在嘗試開發(fā)全新連接設(shè)備時(shí)，必須充分考慮所有這些特性。

要想在2015年確實(shí)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的普遍應(yīng)用，必須解決當(dāng)前面臨的一系列難題，本文只是提及其中的幾項(xiàng)。雖然其中的一些難題將由政府部門和行業(yè)組織負(fù)責(zé)解決，但全球設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)社區(qū)如此令人關(guān)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)。