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「世大智科/天才家居」-我們創業囉
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作者:徐業良(2016-07-08);推薦:徐業良(2016-07-08)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2016年八月號,史丹福專欄。

從物聯網到車聯網

汽車科技潮流的走向變遷快速,從電動車、新能源車到這幾年的自動駕駛,幾年就轉換一次,計畫總趕不上變化。不過您一定要知道當前汽車科技最火紅的詞彙是,「車聯網」-Internet of Vehicles (IoV)。各大車廠早已積極動員,結合科技大廠投入車聯網相關創新智慧科技發展,2016下半年已經陸續看到如福斯Volkswagen、福特Ford、納智捷LUXGEN等新車發表中,都特別強調車聯網技術應用。

車聯網到底是甚麼?您可以Google「車聯網」這個詞,找到許許多多媒體對「車聯網」的解釋,像是這一段:

「什麼是車聯網?」簡單來說,就是透過行動網際網路、車內電腦監控系統、各式先進感應器與雲端數據運算技術,無縫整合車用影音娛樂系統、導航功能、車載App…等應用,再輔以各車廠龐大的救援和服務體系,讓愛車變得很「智慧」,讓駕駛更有行車安全保障!(NOVA情報誌/「車聯網」智慧起飛!)

Mmm,好像有個模糊的概念。史丹福專欄是汽車科技專欄,可不能只談些似是而非概念,一定要從技術觀點向讀友們解釋實務技術上是如何實現的。要討論車聯網技術之前,這裡先從更基本的「物聯網」技術談起。

物聯網-Internet of Things (IoT)這個詞是1999年提出來的,「智慧生活」是IoT最重要的應用領域之一。

想像這個智慧生活情境:清晨手機的鬧鈴響起叫您起床,廚房的咖啡機也自動啟動為您準備早上第一杯咖啡,還貼心地推播一個訊息「早安,咖啡泡好了!」到您的手機;走廊的照明燈感測到您離開臥室走到廚房,便自動開啟沿路照明;您進到廚房電視機已經打開播放晨間新聞等待您,您舒適地坐在餐桌一邊看新聞、一邊享用咖啡

您一定在科幻小說或電影,讀到或看過類似的場景很多次了,可能一點兒也不覺得稀奇。但是在物聯網的時代,這樣的智慧生活場景很快就要在您我的家中實現了!

在通訊技術發展初期,從古早的書信、電報、電話,到網際網路時代的email、即時訊息、視訊會議等等,主要都是在解決人和人之間的訊息溝通,科技一點的說法就是“Peer to Peer communication”P2P通訊。隨著網際網路(特別是行動通訊)的發展,您打開手機或電腦時溝通的對象不一定是另外一個人,而常常是瀏覽如攝影機、感測器、電腦等「機器(machine)」傳送來的畫面或感測訊息,所謂M2P通訊。訊息瀏覽之外,越來越多「機器」也讓使用者可以透過手機或電腦在遠端發送指令遙控,像是透過手機控制冷氣、燈光之類的,反過來就叫做P2M通訊。

IoT物聯網通訊的主角是「物」,主要目的是物和物、機器和機器之間的訊息溝通,所謂M2M通訊。機器之間彼此可以互相聯繫、自動控制,不一定需要人介入做出判斷、發送指令,才能達成真正的「智慧化」。事實上現代人最重要的人機介面-您的手機,基本上也是物聯網中的一個「物」。

OK,物聯網中M2M通訊,「物」和「物」要互相說話,要說些甚麼、如何說呢?

前面敘述的這個簡單的智慧生活情境中,一共提到四個物聯網裝置:手機、咖啡機、照明燈、電視機。一個物聯網裝置基本上都會有「感測器(sensor)」(像是照明燈中裝置人體紅外線感測器)或者「致動器(actuator)」(像是啟動咖啡機泡咖啡)兩個類型的功能,加上一個IoT晶片能夠上網,負責與其他物聯網裝置溝通訊息,並且做出判斷和決策、進而發出控制指令。

物聯網中「物」和「物」說話的方式和語言叫做「通訊協定(protocol)」,大家語言要相通,物聯網中「物」和「物」才能彼此溝通。物聯網技術其實有好幾種不同的架構和通訊協定,其中“MQTT” 很可能成為物聯網最重要的通訊協定,很多雲端大廠的物聯網產品都開始支援MQTT這個通訊協定。MQTTIBMEurotech專門為物聯網M2M通訊所設計的通訊協定,全名為“Message Queuing Telemetry Transport”,這個通訊協定最受歡迎的地方就是非常簡潔輕巧,通訊所需要的網路頻寬和硬體資源都很低,很適合應用在像是前面提到照明燈、咖啡機之類家中的簡單機器。

MQTT通訊協定下,「物」和「物」說話的方式是「主題」-「發表」-「訂閱」(Topic/Publish/Subscribe)。這個機制其實和臉書的即時通(Messenger)群組或Line群組的溝通機制非常像,事實上臉書的即時通就是採用MQTT通訊協定。

再回到前面敘述的這個簡單情境中,四個物聯網裝置手機、咖啡機、照明燈、電視機就像是Messenger群組或Line群組中的四個成員,手機和咖啡機之間並不是直接通訊,而是經由雲端的「經紀人(Broker)」來交換訊息。

假設手機、咖啡機、照明燈、電視機組成的這個群組的「主題(Topic)」叫做「我的家」,這四個成員透過家中WiFi無線網路上網,和雲端的「經紀人(Broker)」連線,並且「訂閱(Subscribe)」了這個主題,因此當有某個成員對此主題「發表(Publish)」新訊息時,所有群組成員都會即時收到此則訊息,然後自行判斷決定接下來要做甚麼事(或者啥事也不必做)。就像Messenger群組或Line群組一樣,物聯網的成員可以隨時加入或退出,一個物聯網裝置也可以同時訂閱好幾個不同的主題。

OK,故事是這樣的。早上手機鬧鈴響起,手機同時對「我的家」這個主題發表訊息「起床了」;咖啡機、照明燈、電視機都同時收到這個訊息,但是只有咖啡機對此訊息做出反應,開始泡咖啡;咖啡泡好後咖啡機對「我的家」這個主題發表訊息「早安,咖啡泡好了!」,所有成員又都同時收到這個訊息,但是只有手機採取行動,在手機螢幕上將訊息顯示出來。

 剩下的故事情節也都差不多,照明燈的人體紅外線感測器感測到人經過走廊,除了開燈之外也同時對「我的家」這個主題發表訊息「要進廚房了」,電視機收到後便啟動電視轉台到新聞頻道。

很容易了解對不對?和您的Messenger群組或Line群組運作方式完全一樣。

了解物聯網運作技術細節之後,再回頭討論車聯網技術。和物聯網比起來,車聯網的情境和技術都更為複雜,所需的資訊環境基礎建設規模也大得多。

物聯網的主角是「物」,車聯網的主角當然是「車(Vehicle)」。前面提到物聯網要建立M2PM2M通訊,車聯網中參與通訊的成員突然多了起來,包括車與人V2P通訊、車與車V2V通訊、以及車與環境V2I通訊等等,其中“V2I”中間的字母I,指的就是資訊環境基礎建設(Infrastructure)。有些學者擔心還有遺漏,就乾脆再創一個新詞彙叫做V2X通訊,車聯網中汽車要通訊的對象一概就叫做“X”了。

車聯網V2X通訊中,短期來看各大車廠首先推出的主要還是車主透過行動裝置與車輛的連結應用,也就是V2P通訊。例如汽車和車主的手機連結早就已經是成熟技術,車主可以透過手機App將汽車開鎖、啟動引擎,有人企圖開鎖的話,車主也可以在手機上收到汽車傳來的防竊警示。另外像是BMW將穿戴裝置連結自動停車技術,車主可透過智慧手表遙控車輛自動停車;甚至如Tesla電動車檢測和保養,都可以用遠端方式直接WiFi無線連接到Tesla的行車電腦進行軟體檢測或更新,不需要把車子開回廠。

有些討論車聯網的文章把V2P解釋成為「車對行人通訊」,甚至「行人碰撞預警」,我覺得,呃,怪怪的。車聯網的主要目的的確在構建一個智慧交通網路,期望能夠減少交通事故、提高道路使用效率,而不只是汽車和車主的手機連結而已。

要達到這個目的,就要談到V2VV2I通訊。有些討論車聯網的文章把V2V通訊解釋成為「透過每部車輛中的行車電腦,將速度、方位傳送給鄰近車輛」,甚至有如下的舉例:

「當甲車10分鐘前開上高速公路,遇到前方事故塞車,乙車就能即時接受訊息,提醒駕駛並自動導航改道,聰明避開路段。」

這樣解釋V2V通訊,您是不是也像我一樣覺得,呃,怪怪的。

交通資訊應該不是靠10分鐘前上路的車子傳給我的車子(如果前車緊急煞車那當然另當別論),而是像前面提到物聯網的M2M通訊,在這個大車聯網下的所有車輛將本身行車資訊傳送到雲端,透過大數據分析處理成有用的交通資訊,再提供給有需要的車主。

事實上Google導航App就是利用類似機制預測即時交通狀況。您有沒有發現Google地圖App的交通資訊非常「即時」,在市區道路開車前方路口亮紅燈停下來,App都會即時顯示一段紅色路段。汽車導航軟體非常多,但是如此細節的即時的交通資訊,全世界也許只有Google這家公司辦得到,因為Google有一類資訊是全世界其他公司所沒有的,他們有無數的Android作業系統智慧型手機隨著車主在道路上行駛,不斷將GPS訊號以匿名方式傳回,隨時回報自己的位置和速度,Google便能蒐集到最完整的即時交通資訊。

除了車輛傳回的資訊外,如果再結合裝置在路邊的各式交通感測器,使用雷達、紅外線、路面感應線圈、甚至雷射等技術,偵測行經車輛的尺寸與速度,然後將資料傳送到雲端伺服器,甚至加上如ETC高速公路電子收費感測的車流資料,或者即時氣象、道路施工、突發事故、交通管制訊息、停車資訊等等,即時提供給車主,就成了車與環境V2I通訊,也是智慧運輸系統(Intelligent Transportation System, ITS)的一部分,不過務實來說,這個資訊環境基礎建設(Infrastructure)的布建,可能還需很長時日。

從汽車硬體的角度來看,車聯網的盛行使得汽車對外的無線通訊成為基本需求。美國對車聯網發展最為積極,已宣布自2017年起,強制要求所有新出廠的小型車輛必須安裝無線通訊設備。如果所有車輛都有無線通訊的能力,車聯網、智慧運輸系統等等汽車相關的應用服務必然商機無限。