物聯(lián)網(wǎng)無處不在...是真的嗎？
下一個(gè)技術(shù)時(shí)代將是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)
1，如果真是這樣，說明您輕信了從互聯(lián)網(wǎng)上看到的一切。據(jù)稱，技術(shù)將非常便宜，我們將連接一切。遍布整個(gè)房子的智能傳感器將使您能夠監(jiān)測和控制那里發(fā)生的一切，遍布全城的智能傳感器將更好地管理社區(qū)。是的，物聯(lián)網(wǎng)指日可待。
果真如此嗎？智能家居已經(jīng)嚷嚷了幾十年，但我仍然用三個(gè)遙控器觀看電影，用第四個(gè)遙控器切斷電纜；智能電網(wǎng)本來規(guī)劃現(xiàn)在應(yīng)該在全球許多地方部署完成，但已經(jīng)屢屢推遲部署；據(jù)說下一波是智能城市，但我真的應(yīng)該期待美國的主要城市會(huì)很快部署大量智能交通傳感器嗎？
真實(shí)情況是IoT已經(jīng)到來...在某種程度上。我們看到的是利用較智能的傳感器連接在一起的早期例子，這些傳感器位于稀稀疏疏的多個(gè)場所。政策驅(qū)動(dòng)的舉措，例如智能電網(wǎng)，正在推進(jìn)，盡管速度慢于預(yù)期；消費(fèi)驅(qū)動(dòng)的傳感器，例如NEST
2或
Belkin
3的產(chǎn)品，正在步入家庭，或者已經(jīng)出現(xiàn)在家庭中。然而，無處不在的IoT，坦白地講，僅僅是炒作而已。談?wù)摰乃袃?nèi)容都要經(jīng)得起質(zhì)疑。實(shí)際上，只有投資回報(bào)(ROI)具有財(cái)務(wù)意義時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)才有意義；而只有管理寶貴的資源時(shí)，ROI才會(huì)有意義。
我們會(huì)問，通過增加智能化來管理智能傳感器和系統(tǒng)，將使什么樣的資源最為受益？也許更重要的是，什么樣的傳感器和技術(shù)能夠?yàn)镮oT帶來信息？本文討論我們這個(gè)星球上最受益于智能化檢測IoT網(wǎng)絡(luò)的兩項(xiàng)最關(guān)鍵資源：電力和水。
政策驅(qū)動(dòng)的IoT
我們首先看一下自上而下驅(qū)動(dòng)的IoT部署：有些政府政策要求的機(jī)器對機(jī)器通信系統(tǒng)。最明顯的例子是智能電表和更大的智能電網(wǎng)。部署智能電網(wǎng)的原因有很多，根據(jù)地區(qū)不同而不同，但智能電網(wǎng)的好處在社會(huì)層面則更為明顯。
智能電網(wǎng)通過實(shí)時(shí)定價(jià)使我們更好地管理地球上的稀缺能源，提供需量響應(yīng)信號來管理負(fù)載，更好地控制非技術(shù)性能源損耗，以及改進(jìn)斷電的響應(yīng)時(shí)間。面對電力需求的不斷增長(圖1)，智能電網(wǎng)提供了管理負(fù)載的更好方法，限制為全球供電所需的新型及昂貴發(fā)電總量的更好方法，以及教育甚至培訓(xùn)消費(fèi)者成為負(fù)責(zé)任能源用戶的更好方法。注意，對于個(gè)體消費(fèi)者，購買和安裝一只智能電表幾乎毫無意義。對于消費(fèi)者，安裝電表時(shí)可能會(huì)觸電是一個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)的安全問題。而且，由于數(shù)據(jù)來自于地區(qū)內(nèi)的所有消費(fèi)者，所以某一個(gè)消費(fèi)者的數(shù)據(jù)對電力公司和發(fā)電機(jī)而言幾乎是沒有意義的。實(shí)際上，只有當(dāng)整個(gè)地區(qū)的用戶使用該項(xiàng)技術(shù)并參與到相同的IoT網(wǎng)時(shí)，智能電網(wǎng)的優(yōu)勢才有意義。
圖1. 在未來二十年，世界將面臨嚴(yán)峻的能源需求挑戰(zhàn)
政策驅(qū)動(dòng)IoT的另一個(gè)類似例子是
智能水表。同樣，社會(huì)問題不會(huì)馬上體現(xiàn)在個(gè)體層面。沒錯(cuò)，對于我們每個(gè)人，清潔、經(jīng)過處理的水是一種寶貴的日用品，但我們大多數(shù)人使用(浪費(fèi))的水可能超出我們所需。但個(gè)體層面的水浪費(fèi)可能不值得關(guān)注。但是，全體浪費(fèi)的水相當(dāng)顯著：包括給水系統(tǒng)和家庭本身，這值得我們注意。
傳統(tǒng)的機(jī)械式水表不能檢測到與家庭正常泄漏相關(guān)的低流量，而泄漏每月可造成數(shù)千加侖的水“損耗”，并且年復(fù)一年。此外，機(jī)械水表檢測大量故障泄漏的質(zhì)量非常差。作為一個(gè)消費(fèi)者，我們可能不會(huì)注意到自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)的泄漏，直到連續(xù)幾個(gè)月水費(fèi)大漲。應(yīng)該怎么做？我們確實(shí)不能控制和改進(jìn)自己水表的智能化。實(shí)際上，將這些水表更換為智能水表需要專業(yè)知識，并且當(dāng)我們能夠完整監(jiān)測整個(gè)地區(qū)的給水情況時(shí)，同樣是社會(huì)效益最為顯著。
注意，在這兩個(gè)例子中，政府或公共事業(yè)部門的政策驅(qū)動(dòng)智能IoT的部署。存在問題的寶貴資源(例子中的電和水)是相當(dāng)稀缺的，更智能的傳感器IoT網(wǎng)絡(luò)能夠更好地管理一切，不一定非得帶來新的直接效益。當(dāng)今的現(xiàn)實(shí)是消費(fèi)者很大程度上與公共事業(yè)單位的能力限制脫鉤，直到發(fā)生災(zāi)難性的事件，例如斷電或斷水。所以，部署傳感器網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力需要政策驅(qū)動(dòng)。
消費(fèi)驅(qū)動(dòng)的IoT
政府或部門政策并不是驅(qū)動(dòng)機(jī)器對機(jī)器網(wǎng)絡(luò)的唯一動(dòng)力。常見無線通信基礎(chǔ)設(shè)施(例如我們的蜂窩電話和家中的WiFi系統(tǒng))的涌現(xiàn)已經(jīng)為消費(fèi)者-通過驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)-來控制設(shè)備創(chuàng)建了大量機(jī)會(huì)：相對于以上所述的自上而下的政策驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，機(jī)器和機(jī)器是個(gè)自下而上的消費(fèi)需求驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)。
ST溫度監(jiān)控器就是消費(fèi)IoT設(shè)備的最佳例子之一。沒有部門政策要求NEST進(jìn)入市場。相反，我們消費(fèi)者被外觀漂亮、直觀并承諾能夠更好地管理加熱和冷卻費(fèi)用、短時(shí)間內(nèi)給我們帶來投資回報(bào)的家電所吸引。也許最重要的是，只需消費(fèi)者和設(shè)備之間很少的互動(dòng)，即可獲得ROI。用時(shí)下流行的話就是：“不要讓我動(dòng)腦子”，NEST已經(jīng)開發(fā)了一款管理寶貴資源的產(chǎn)品，其提供ROI的方式就是每月的賬單更低，這是個(gè)體消費(fèi)者看得見摸得著的。
Belkin也正在利用類似的方法兌現(xiàn)智能家居的承諾。與要求用戶部署大而復(fù)雜的家庭控制系統(tǒng)相比，Belkin允許用戶每次改善一點(diǎn)。其WeMo產(chǎn)品包括照明開關(guān)、帶開關(guān)的電源插座，甚至是電能測量插座(圖2和3)。每款產(chǎn)品利用移動(dòng)設(shè)備上的簡單接口來監(jiān)測和配置網(wǎng)絡(luò)。利用簡單的命令，例如“turn the light on at 5 p.m.”(在下午5點(diǎn)打開電燈)，即可很容易地配置照明開關(guān)和電源插座開關(guān)。電能測量開關(guān)(WeMo Insight)顯示設(shè)備消耗的費(fèi)用(不是電能！)是多少。這些智能化產(chǎn)品為我們提供了真正的“洞察”能力，從而制定家庭用電決策。充分利用家庭WiFi網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)設(shè)備的優(yōu)勢，Belkin產(chǎn)品使消費(fèi)者更容易監(jiān)測和管理耗能電氣設(shè)備。
圖2. Belkin WeMo Switch墻壁插座。以無線方式控制電視、照明燈、立體聲音響、加熱器、風(fēng)扇等。
該智能開關(guān)具有Maxim Integrated的78M6610+LMU器件中的能源計(jì)量技術(shù)。
圖3. 利用Belkin WeMo Insight Switch，您可以將設(shè)備打開及關(guān)閉、定制通知以及更改設(shè)備狀態(tài)
——從世界上任何地方。
消費(fèi)驅(qū)動(dòng)IoT的一個(gè)較新例子是智能停車系統(tǒng)。正在美國全國范圍內(nèi)開展的試點(diǎn)項(xiàng)目利用傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測人口密集城區(qū)的開放停車空間。然后將該數(shù)據(jù)與移動(dòng)設(shè)備分享，應(yīng)用程序可將您導(dǎo)航至最佳停車位置。當(dāng)然，這種傳感器部署涉及到商業(yè)問題，因?yàn)檫@基本上可作為停車場的“廣告”，并潛在地提高了利用率。但這里管理的真正資源(以及我們愿意為此項(xiàng)服務(wù)付費(fèi)的原因)是時(shí)間。這種IoT停車系統(tǒng)將大幅縮短我們在洛杉磯、芝加哥、紐約及其它任何繁華大都市的停車時(shí)間。
資源面臨的挑戰(zhàn)是什么？
所有這些例子中，有一些共同的主題。其中之一是需要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來連接顯示世界的智能傳感器，以共享信息和/或制定決策。第二，所有例子都專注于改善對關(guān)鍵及昂貴資源的管理：電、水和時(shí)間。
這些資源受限的事實(shí)得到了數(shù)據(jù)的大力支持。2010年全球消耗了20,200太瓦時(shí)(TWh)電能，預(yù)計(jì)到2040年將達(dá)到39,000TWh，每年的電能需量增長為2.2%。假如一個(gè)煤電廠的容量為300MW，那么每年需要增加170座煤電廠才能滿足全球容量增長需要。如果每座煤電廠的費(fèi)用大約為10億美金，這就意味著每年電能容量的投資至少為1700億美金(更不要說日常維護(hù)費(fèi)用)。注意，這里為了討論方便，我們簡化了問題，因?yàn)檎嬲?qū)動(dòng)新容量需求的是峰值需量，而不是平均功耗。無論哪種情況，數(shù)據(jù)都說明我們需要穩(wěn)定增加昂貴的電能，以滿足不斷增長的需求。智能電網(wǎng)承諾幫助我們更好地平衡能耗，以降低峰值需量，意味著我們可延遲或節(jié)省大幅的容量投資。
如果一段時(shí)間沒有電，我們依然能夠存活；但水的限制可能更為可怕，因?yàn)榻o水缺口將直接威脅我們的生命。作為一個(gè)星球，我們必定面臨著將水送到任何所需地方的挑戰(zhàn)。但當(dāng)前的給水系統(tǒng)由于泄露的原因加劇了這一挑戰(zhàn)。水從清潔到交付的這段時(shí)間，給水系統(tǒng)及家庭中的損耗非常巨大...在世界欠發(fā)達(dá)地區(qū)超過50%。據(jù)EPA的消息，美國每個(gè)家庭每年平均泄漏10,000加侖的水。消費(fèi)者提高警惕性可很大程度上解決問題，但更為重要的是，需要更好的本地或地區(qū)水計(jì)量技術(shù)來識別原始泄漏源。
我們這里最后討論的一個(gè)關(guān)鍵資源是時(shí)間。時(shí)間當(dāng)然也緊缺，因?yàn)槊總€(gè)人的一天甚至一生中的時(shí)間是有限的。當(dāng)我們開車四處尋找停車位時(shí)，時(shí)間和燃油一直在浪費(fèi)。同時(shí)我們也造成了更大的交通流量，耽誤其它駕駛者的行程，浪費(fèi)更多的能源(和時(shí)間！)。
IoT：幫助拯救世界(一時(shí)間受限的資源)
進(jìn)入IoT。其使命是拯救世界。也許這有點(diǎn)兒夸張，但在ROI定義明確的 領(lǐng)域——寶貴資源具有獲得效率增益的良好機(jī)會(huì)，智能傳感器網(wǎng)絡(luò)可幫助我們理解和應(yīng)對問題。這正是為何我們遲早將看到IoT大規(guī)模部署的理由。
所以我們需要一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，已有的選項(xiàng)有：ZigBee、Wi-Fi、蜂窩、電力線、Bluetooth——大量已有技術(shù)能夠?yàn)镮oT需要的數(shù)以十億的傳感器提供“聲音”。所以，皮球又踢向傳感器。為了更好地監(jiān)測電和水消耗，我們需要高性價(jià)比、小體積的電表和水表。沒錯(cuò)，雖然您可能已經(jīng)見過電表和水表。很少有人注意到它們的高性價(jià)比或體積小巧到足以部署于大量的消費(fèi)點(diǎn)。
IoT和電表
為了監(jiān)測能源消耗，我們不需要更換傳統(tǒng)的電表。相反，我們真正需要的是一種能增加至已有應(yīng)用的現(xiàn)成測量方案。合適精度(1%或更優(yōu))的電能測量已經(jīng)是一門專業(yè)學(xué)科。所以，我們現(xiàn)在真正需要的是使我們能夠檢測能源消耗的看守方案。一種可能的方案是傳感器制造商在通信模塊外部增加一個(gè)電流
變壓器和一個(gè)可編程電能測量IC，例如78M6610_LMU。電流變壓器用于電能測量，盡管效率高，但可能不滿足我們的“高性價(jià)比、小體積”要求。
盡管電流變壓器是最常見的能耗測量方案的傳感器，但體積大、成本高。分流器的成本低、重量輕，但與已有系統(tǒng)集成困難。連接至分流器意味著直接連接至電源的交流電力線。首先要用光耦隔離，然后在測量系統(tǒng)所在的一側(cè)需要附加電源。這一步驟與最初采用分流器節(jié)省成本和空間的初衷相違背。市場上現(xiàn)在具有少數(shù)高精度測量方案，例如MAX78615/78700芯片組，解決了這個(gè)問題，提供隔離且無需構(gòu)建附加電源即可進(jìn)行測量。
IoT和水表
擴(kuò)展水耗傳感器網(wǎng)絡(luò)是一項(xiàng)更大的挑戰(zhàn)。智能插頭，例如上例中介紹的Belkin，能夠快速普及的原因是安裝非常簡單，并且安裝之后難以覺察。但智能水表就刺眼得多。想象一下智能插頭大小的裝置綁在浴缸進(jìn)水口、花灑水管或臉盆水龍頭上的樣子。現(xiàn)在，這種裝置的大小會(huì)使它礙手礙腳。
對智能水表發(fā)展的一個(gè)更大威脅實(shí)際上是市場上普遍使用的機(jī)械式水表。當(dāng)今大多數(shù)水表中有一個(gè)隨水流旋轉(zhuǎn)的渦輪。這種物理裝置笨重且不精確。甚至更糟糕的是，這些機(jī)械式水表不能檢測到與“典型泄露家庭”相關(guān)的流量。許多所謂的“智能”水表僅僅利用一個(gè)小型微控制器計(jì)算渦輪轉(zhuǎn)數(shù)，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。幸運(yùn)的是，有新技術(shù)可消除水表中的機(jī)械部件，允許設(shè)計(jì)較新的高可靠性智能水表，縮小尺寸，提高測量精度(尤其是低漏泄率時(shí))，能夠進(jìn)入更多的潛在家庭。
超聲流量計(jì)量技術(shù)，曾一度專用于給水系統(tǒng)或工業(yè)流量監(jiān)測系統(tǒng)中使用的昂貴水表，現(xiàn)在可用于公共事業(yè)水表或其它流量應(yīng)用。超聲流量檢測使用硅與兩個(gè)壓電元件配合工作：一個(gè)傳感器將一個(gè)脈沖發(fā)送至另一個(gè)傳感器(反之亦然)。脈沖傳輸時(shí)間差表示液體或氣體的流速。利用超聲計(jì)量技術(shù)，我們能檢測到極低的流量，甚至流量小到“典型泄露家庭”都行。但這種測量很復(fù)雜，我們需要特殊的硅傳感器，以便檢測一個(gè)家庭中的平均漏泄水平。
看起來水流量傳感器變得像智能插頭那樣普及還有很長的路要求。盡管如此，即使少數(shù)用戶更換房屋內(nèi)的分戶水表，社會(huì)也會(huì)從中受益。我一定會(huì)有興趣知道洗一次碗要消耗多少水。保持游泳池的水位需要多少水？(也許我該買一個(gè)蒸發(fā)屏？)在給水系統(tǒng)中更大規(guī)模地部署水流量傳感器的好處甚至更為誘人。也許我們能檢測并修復(fù)為給家庭供水而引起的大幅損耗。
IoT和時(shí)間
不幸的是，傳感器網(wǎng)絡(luò)和節(jié)省時(shí)間之間好像沒有明顯的一對一關(guān)系。以上提及的停車問題可能只需接近檢測或重量傳感器網(wǎng)絡(luò)即可解決——現(xiàn)在有汽車在上邊嗎？但試想一下我們許多人都面臨的另一種麻煩情況。當(dāng)“電池電量低”報(bào)警聲在家中響起但又不能指出具體位置時(shí)，我花費(fèi)數(shù)十分鐘的時(shí)間來判斷到底是哪個(gè)煙霧探測器電池?fù)p壞，那是什么樣的情況？當(dāng)然，我通常在凌晨3點(diǎn)查找懷疑有問題的煙霧探測器。本例中，在網(wǎng)絡(luò)中增加一個(gè)簡單的電壓檢測器，即可快速判斷哪個(gè)裝置需要注意。
安全挑戰(zhàn)
傳感器能拯救世界。我認(rèn)為這點(diǎn)值得商酌。但可以確定的是，智能傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠使世界效率更高、浪費(fèi)更少、管理得更好。在有些地區(qū)，水和電網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在部署之中。然而，這些網(wǎng)絡(luò)面臨一項(xiàng)新的挑戰(zhàn)，有一種陰險(xiǎn)、兇惡的力量可將IoT鎮(zhèn)壓和扼殺在襁褓之中。這個(gè)問題就是安全性。
當(dāng)我們部署更多的智能傳感器來收集數(shù)據(jù)，以及允許更多的機(jī)器開始為我們做決策，安全威脅隨之大幅增大。試想一下，如果一個(gè)虛假信號造成數(shù)以千計(jì)的消費(fèi)者(或其智能機(jī)器)增加耗電，如將空調(diào)設(shè)定溫度調(diào)低、打開烘干機(jī)、啟動(dòng)游泳池
水泵，或者僅僅是同時(shí)啟動(dòng)所有電器，將會(huì)是什么情形？如果智能電網(wǎng)在炎熱的夏天已經(jīng)在滿負(fù)荷運(yùn)行，攻擊者的虛假信號引起的額外負(fù)荷將會(huì)造成電網(wǎng)崩潰。
想象一下智能停車應(yīng)用面臨的類似情況。假如攻擊者提示應(yīng)用程序報(bào)告在繁華大都市的黃金地段有大量開放停車位，可能會(huì)造成大量駕駛者駛向一個(gè)位置。如果隨之而來的擁堵使警察難以響應(yīng)當(dāng)?shù)氐你y行搶劫事件，會(huì)發(fā)生什么情況？
這些都是災(zāi)難性情景，但真的離我們很遠(yuǎn)嗎？電、水、時(shí)間——這些寶貴的資源對我們至關(guān)重要，但對黑客又何嘗不是如此呢？黑客也許是愛搞惡作劇的人，也許是試圖破壞這些資源和社會(huì)的冷血恐怖分子。歸根結(jié)底，IoT的最大價(jià)值(管理寶貴資源)也可能是其本身的掘墓人(不能保護(hù)這些寶貴資源)。現(xiàn)在有嵌入式技術(shù)可提供對IoT至關(guān)重要的安全性，保護(hù)智能電網(wǎng)及組成IoT的傳感器網(wǎng)絡(luò)。但是，有安全技術(shù)可用并不意味著它能自動(dòng)部署。服務(wù)供應(yīng)商有責(zé)任要求其IoT中的傳感器提供最高水平的安全性。
總結(jié)
IoT描繪了一幅美好圖畫——全球大量智能傳感器網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測著我們星球上最寶貴的資源。水和電可能是廣泛部署傳感器網(wǎng)絡(luò)的首選也是最佳選擇，因?yàn)榈厍蛏系拿總€(gè)人都需要水和電。如果擁有高效、安全的水和電網(wǎng)，我們將發(fā)現(xiàn)我們能夠節(jié)省時(shí)間、精力、金錢，以及資源本身。改善我們的時(shí)間利用率，將持續(xù)提供創(chuàng)新的土壤和開發(fā)附加傳感器技術(shù)的動(dòng)力，以提供數(shù)據(jù)幫助我們節(jié)約時(shí)間。
遺憾的時(shí)，由于內(nèi)在價(jià)值的原因，這些IoT網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)攻擊者尤其具有吸引力。我們必須保證IoT數(shù)據(jù)和運(yùn)行安全，否則IoT中傳感器網(wǎng)絡(luò)帶來的眾多利益將灰飛煙滅。
參考
1 關(guān)于IoT的基本說明，可參考：http://en.wikipedia.org/wiki/Internet_of_Things。
2 關(guān)于NEST的信息，請參考：https://nest.com/。
3 關(guān)于Belkin的信息，請參考：http://www.belkin.com
