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「世大智科/天才家居」-我們創業囉
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第一章     研究背景與目的

1.1    研究背景

根據國際數據資訊(IDC)2014年的預測,台灣的物聯網市場規模將從2013年的1.5億美金增長到2017年的2.9億美金,年複合成長率達19%,並預估2020年全球物聯網市值將達1.7兆美元。物聯網結合各種感知裝置,創造新的服務模式,其中建構智慧生活空間是最重要應用之一,國際大廠GoogleSamsungIBMIntelQualcomm 等,都積極投入相關應用產品開發。

物聯網的基本運行模式是將各種感測器設備(sensors)即時感測環境狀態,即時透過網際網路傳輸至雲端伺服器進行資料處理,以實現智慧化的監控與管理。物聯網技術普遍分為三層架構(圖1-1),感測層為各項環境感測器技術,網路層負責演算法與數據分析,應用層為不同應用情境開發應用軟體[河村雅人,2015]。

1-1. 物聯網三層架構:感測層、網路層、應用層

物聯網的應用包括智慧家庭、智慧運輸、智慧醫療、智慧能源、智慧工業等,其中智慧家庭是目前發展最成熟,許多廠商也陸續推出市售產品。目前國內市售的智慧家庭產品多半以環境感測、安全監測、環境控制等功能為目的,由多個不同功能感測器如即時影像(IP camera)、智慧門鎖、智慧開關、濕度感應器、動作感應器等。

例如「華碩智慧居家」(圖1-2)以安全為需求出發,利用物聯網技術,將家中的即時安全資訊發送至消費者的智慧型裝置。感測器包括智慧門鎖、門窗感應器、智慧警報器、溫濕度感應器、智慧插座,所有的感測器需與智慧閘道器(smart home gateway)ZigBee無線通訊連結,智慧閘道器再透過家中的有線網路或Wi-Fi與雲端伺服器交換資訊,最後以智慧型裝置作為整體的介面顯示。

1-2. 華碩智慧居家

其他如「中華電信智慧家庭」、「費米智慧家庭」與「中磊智慧家庭控制」(圖1-3)皆採用與華碩智慧居家同樣的系統架構,透過ZigBeeZ-Wave無線通訊技術與感測器連接,再整合所有感測器資訊傳送至雲端伺服器,使用者即可以智慧型手機監控家中各類即時資訊與數據。相對於前述整體系統、平台形式產品,「小米智慧生活」(圖1-4)將每個感測器設計成為獨立產品,每個感測器個別以Wi-Fi連接家中無線網路分享器傳送資料至雲端平台。

1-3. 中華電信智慧家庭、中磊智慧家庭控制與費米智慧家庭

1-4. 小米智慧生活

1.2    研究目的

智慧家庭、物聯網儘管技術上已經相當成熟,卻在一般家庭中應用仍然並不普及,環顧生活周遭,更鮮少看到真正的物聯網產品。物聯網發展居家應用尚有兩項使用者經驗的問題:

(1)       智慧家庭產品以單純感測器的形式存在,仍然停留在高端科技產品的形象,並未融入居家生活的一部份,使用者接受度較低;

(2)       目前市售智慧家庭產品大部份採用整體平台式的架構,最大困難是整合各廠牌產品的感測器資訊,不同廠牌的閘道器皆使用自家的通訊協定與規範,造成通訊方式的不統一性,使得各廠商的感測器無法共用。

現行智慧家庭產品多以遠端監測與環境安全為主,如圖1-5所示,產品包括瓦斯感測器、動作感測器、智慧插座、溫濕度感測器、煙霧感測器、磁簧開關、無線網路攝影機,上述智慧家庭產品過於科技感的外觀帶給人的感受是疏遠的而非真正的日常居家產品,這樣高科技感的產品裝設於家庭顯得十分突兀,更是難以融入家庭的擺設與風格,本論文也將會在此議題上作出改革。此外遠端監測與環境安全雖是生活的一部分,但監視屬於被動的觀察生活,並非主動提供生活的幫助與建議,相較於遠端的資訊,近端的互動應用更有效的幫助使用者。真正理想的智慧生活家庭,是將智慧加入日常生活用品、傢俱、家電中,每項智慧家庭產品可以互相溝通與控制,不須經由人的決定與操作。智慧家庭除了監控家庭的一切,更以與環境、家人互動為主要目的。

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1-5. 現行市場各式智慧家庭感測器

2013Qualcomm成立了物聯網促進組織“AllSeen Alliance”,其組織目的為打破製造商之間的藩籬,希望解決物聯網互通的問題,在此組織的廠商包括:LGPanasonicSharp等;2014IntelSamsung成立物聯網聯盟“Open Interconnect Consortium”目的在推動物聯網産業形成統一的産品標準,讓不同廠商的産品能夠互相連接爲消費者提供便利,加入此聯盟的廠商有SamsungIntelDellAtmel。雖然上述組織都是為了解決不同廠商物聯網產品的相容性而成立,但至今尚未普及,市面上還未出現跨廠商的智慧生活物聯網產品。對於使用者而言,若需求只是單一的物聯網產品,卻要另外購買閘道器,反而將成本的提升。

本研究將以使用者角度設計與開發一以居家日常用品、傢俱為產品的物聯網資訊架構,並實現感測層、網路層、應用層技術模組化,建立開發的可能性。目標以此架構導入更多的居家產品,建立後續整體智慧家庭平台。

本研究的主要核心圍繞在”BodyCerebellarBrain(BCB)”物聯網資訊架構,此架構清楚劃分裝置韌體、雲端資料庫伺服器、智慧型裝置App各部分負責之工作,並已經利用此架構開發出「天才家居」系列產品。本論文將以其中一項產品「天才床邊踏墊(WhizMAT)」作為範例,「天才床邊踏墊」應用過去老人福祉科技研究中心與世大化成股份有限公司的產學合作發展成果,以巧拼形式的感知地墊(WhizCARPET)作為感測器[K-W. Chang2013],開發出的一款巧拼形式床邊踏墊,以BCB架構建置物聯網資訊架構,實現離床提醒與即時動作偵測等應用。

本論文以巧拼形式的床邊踏墊WhizMAT為例,分別針對整體系統概念與硬體原型設計、感測器韌體、雲端伺服器與資料庫、智慧型裝置App做更詳細的說明。第二章將介紹“Body-Cerebellar-Brain”物聯網資訊架構,第三章詳述MQTT通訊協議,第四章說明WhizMAT感測器建置與功能模組.,第五章與第六章分別說明WhizMAT智慧型裝置App與雲端伺服器建置與功能模組開發,第七章詳述整體開發成果與未來規劃。