物联网带给我们的挑战

 智能手机、无人驾驶飞机、温度或动作传感器等等，至2020年将有500亿个对象会链接成大型的物联网。但科学家仍有许多挑战要面对，例如传感器的能源自主、安全问题，如此庞大的数量必会带来复杂的挑战。如何维护交换巨量数据时的安全?如何确保对象间的兼容性?

从无线网络冰箱到最荒谬的构想，连网对象名单不断加长。应用程序持续出现，目的是改善感测网络的质量、未来工厂的安全，或是研发农用无人驾驶飞机大队、蓝牙打印机。这些巨大的设备网形成了物联网。尽管传统的互联网触及各地，但物联网将持续快速扩大，颠覆研究界和日常生活。估计到了2020年，流通中的连网对象数量将达到500亿个。

如此庞大的数量必会带来复杂的挑战。如何维护交换巨量数据时的安全?如何确保对象间的兼容性?如何防止物联网造成的能源浪费?许多实验室都在研究这些议题，例如已经成立10年的法国里耳先进信息通讯软硬件研究所(Ircica)。

身为该所所长的里耳一大教授Natalie Rolland热切表示：“物联网需要探索性的跨学科合作。我们甚至与社会学家合作，观察哪些人能接受这些技术。”他的实验室准备要为一个备有敏锐自动传感器的智能建筑图腾揭幕，可研究建物因温度、物理限制、湿度等因素而造成的改变。再也没有什么能逃过传感器。

设计更灵活的自动调节设备

但此一数据密度会拖慢网络速度，造成能源耗损。里耳先进资通讯软硬件研究所的研究员致力从网络结构来解决这些问题，例如直接在集线器(hub，用来集中信息的网络点)上分类与处理数据，而非与不一定位在同地区的数据中心进行交换。里耳电信学院的教授Laurent Clavier表示：“如果我们不用在几毫秒内将信息送出去，就比较容易做到节能和可靠性。如果是自动驾驶或工厂的紧急关闭系统，就会变得很复杂，因为目前的网络尚无法兼顾。”他是里耳微电子暨纳米科技研究所(IEMN)的研究员，也是里耳先进通讯软硬件研究所“电路系统暨多科技应用”小组的成员。

为了获取利润、不被局限在过小的市场内，各团队都在寻找更灵活、更具适应性的解决方案。Clavier的传感器计划以犀牛为对象，若盗猎者要猎杀犀牛，传感器就会发出警报。这需要坚固的自动化装置，而非每六个月就在大草原上替犀牛更换身上的电池。

“有效节能无线系统自动调节算法暨结构”研究小组(Granit)负责人Olivier Berder教授致力改善连网对象的能源效率，他强调：“会消耗太多能量的不是传感器，而是无线电通讯。通讯距离越远，越需要扩大器，问题也就越糟。”

经济型唤醒无线电

即使通讯无须持续运作，但连网对象无论在“等候”或传输信息，都会消耗能源。因此Berder的团队尝试研发可收听的超低功耗系统“唤醒无线电”(wake-up radio)，只有有用信息能被发送出去，且能唤醒传感器的主微控制装置，其传播范围比传统无线电小。Berder解释：“唤醒无线电可以与一般收音机或移动式接收器相连结。但它们无须同步，特别适用于自动系统，因为能源回收系统具有不可预测性。”

有鉴于无线电的异步行为和能源回收的变幻莫测，我们必须发展能自动调节的控制算法，衍生自人工智能、强化学习和模糊逻辑的方式都能运用。事实上，就算智能手机显示电池还剩一点电量，却仍会自动关机，这就表示电池储量并没有做到实时测定。能源的回收也不是线性的，因为它主要取决于多种非人为因素，例如阳光、摆动、风、热能梯度等等。

提供远程照护

这些创新的累积扩展了物联网的应用领域。信息通讯科学科技与知识实验室(LAB-STICC)研究主任Jean-Philippe Diguet与其团队“电路系统工具方法学”小组(Mocs)研究芯片系统和各种嵌入式系统，并与Berder设计出BoWI(Body World Interactions人体与世界互动)传感器网络。BoWI结合了3D建模使用的动作传感器，根据传感器的方向来推断使用者的姿势与动作，无需使用外部设备。

Diguet预测：“我们不可能精准捕捉动作，因此目标是功能性复建之类的应用。物理治疗师能建议日间要执行的动作，并透过屏幕远距离同时看护多位患者。这套系统将增加诊疗数量、降低运输成本，特别有助于行动不便者。”

与安全有关的高性能演算

研究员表示，自今年夏天起，BoWI可用来建立有关艰困任务的信息。雇主必须计算旗下员工执行危险动作或姿势的次数，因此轻便的自动化传感器便可提供每一工作日的可靠数据。

Diguet还研究目前最流行的连网对象“无人驾驶飞机”：与澳洲团队合作的“国际无人驾驶侦查机群设计控制计划”(Swarms)将高效能计算装到无人飞机上，让飞机能透过摄影机来分析并适应环境。

就像通讯，图像处理和人工智能也会消耗电力。我们必须拾回以网络架构为基础的微妙平衡，选择适切的地点与时间，进行最节能的操作。Diguet表示：“我们也研究硬件安全问题。连网对象通常是取得私人信息的媒介。没有人希望自己身上的传感器会向保险公司提报健康问题。唤醒无线电的优势就是节点越少、暴露的机会越小。”

改善传感器的蓄电力

从犀牛到无人飞机，研究员致力改善传感器的蓄电力。这也是最困难的部份。这些工作当然与人体有关，例如“用于嵌入式系统架构的信息暨微电子科技实验室”(Tima)研究心律调节器的能源回收问题，实验室副主任暨格勒诺博-阿尔卑斯地区大学(UGA)教授Skandar Basrour是研究传感器直接回收能源的专家，他表示：“心脏跳动会产生振动形式的机械能量，我们可利用压电系统将其转换成电能，无线心律调整器就不用为了充电而每八年动一次手术。”

当压电材料遭受机械应力，就会产生电极化，气体引燃器和石英表即为此一原理的应用。传感器和网络的物理应力则可能来自任何载体的震动，例如行驶中的汽车、摇晃的桥、活动中的人。Basrour表示：“这些振动通常低于200赫兹，非常微弱。提高压电产生器的尺寸，可以改善效益，但可能会不符合传感器的规格。因此，我们研究电性聚合物、静电回收、热能、磁力等等，它们有时会产生超低的奈瓦(nanowatt)电力，这些电力在移动式装置世界中都不会被忽略。”

这些研究都是跨学科、跨领域的，毕竟要研究连网对象，就必须结合不同知识的网络。