智能手機、無人駕駛飛機、溫度或動作傳感器等等，至2020年將有500億個對象會鏈接成大型的物聯(lián)網。但科學家仍有許多挑戰(zhàn)要面對，例如傳感器的能源自主、安全問題，如此龐大的數(shù)量必會帶來復雜的挑戰(zhàn)。如何維護交換巨量數(shù)據(jù)時的安全?如何確保對象間的兼容性?

從無線網絡冰箱到最荒謬的構想，連網對象名單不斷加長。應用程序持續(xù)出現(xiàn)，目的是改善感測網絡的質量、未來工廠的安全，或是研發(fā)農用無人駕駛飛機大隊、藍牙打印機。這些巨大的設備網形成了物聯(lián)網。盡管傳統(tǒng)的互聯(lián)網觸及各地，但物聯(lián)網將持續(xù)快速擴大，顛覆研究界和日常生活。估計到了2020年，流通中的連網對象數(shù)量將達到500億個。

如此龐大的數(shù)量必會帶來復雜的挑戰(zhàn)。如何維護交換巨量數(shù)據(jù)時的安全?如何確保對象間的兼容性?如何防止物聯(lián)網造成的能源浪費?許多實驗室都在研究這些議題，例如已經成立10年的法國里耳先進信息通訊軟硬件研究所(Ircica)。

身為該所所長的里耳一大教授Natalie Rolland熱切表示：“物聯(lián)網需要探索性的跨學科合作。我們甚至與社會學家合作，觀察哪些人能接受這些技術。”他的實驗室準備要為一個備有敏銳自動傳感器的智能建筑圖騰揭幕，可研究建物因溫度、物理限制、濕度等因素而造成的改變。再也沒有什么能逃過傳感器。

設計更靈活的自動調節(jié)設備

但此一數(shù)據(jù)密度會拖慢網絡速度，造成能源耗損。里耳先進資通訊軟硬件研究所的研究員致力從網絡結構來解決這些問題，例如直接在集線器(hub，用來集中信息的網絡點)上分類與處理數(shù)據(jù)，而非與不一定位在同地區(qū)的數(shù)據(jù)中心進行交換。里耳電信學院的教授Laurent Clavier表示：“如果我們不用在幾毫秒內將信息送出去，就比較容易做到節(jié)能和可靠性。如果是自動駕駛或工廠的緊急關閉系統(tǒng)，就會變得很復雜，因為目前的網絡尚無法兼顧。”他是里耳微電子暨納米科技研究所(IEMN)的研究員，也是里耳先進通訊軟硬件研究所“電路系統(tǒng)暨多科技應用”小組的成員。

為了獲取利潤、不被局限在過小的市場內，各團隊都在尋找更靈活、更具適應性的解決方案。Clavier的傳感器計劃以犀牛為對象，若盜獵者要獵殺犀牛，傳感器就會發(fā)出警報。這需要堅固的自動化裝置，而非每六個月就在大草原上替犀牛更換身上的電池。

“有效節(jié)能無線系統(tǒng)自動調節(jié)算法暨結構”研究小組(Granit)負責人Olivier Berder教授致力改善連網對象的能源效率，他強調：“會消耗太多能量的不是傳感器，而是無線電通訊。通訊距離越遠，越需要擴大器，問題也就越糟。”

經濟型喚醒無線電

即使通訊無須持續(xù)運作，但連網對象無論在“等候”或傳輸信息，都會消耗能源。因此Berder的團隊嘗試研發(fā)可收聽的超低功耗系統(tǒng)“喚醒無線電”(wake-up radio)，只有有用信息能被發(fā)送出去，且能喚醒傳感器的主微控制裝置，其傳播范圍比傳統(tǒng)無線電小。Berder解釋：“喚醒無線電可以與一般收音機或移動式接收器相連結。但它們無須同步，特別適用于自動系統(tǒng)，因為能源回收系統(tǒng)具有不可預測性。”

有鑒于無線電的異步行為和能源回收的變幻莫測，我們必須發(fā)展能自動調節(jié)的控制算法，衍生自人工智能、強化學習和模糊邏輯的方式都能運用。事實上，就算智能手機顯示電池還剩一點電量，卻仍會自動關機，這就表示電池儲量并沒有做到實時測定。能源的回收也不是線性的，因為它主要取決于多種非人為因素，例如陽光、擺動、風、熱能梯度等等。

提供遠程照護

這些創(chuàng)新的累積擴展了物聯(lián)網的應用領域。信息通訊科學科技與知識實驗室(LAB-STICC)研究主任Jean-Philippe Diguet與其團隊“電路系統(tǒng)工具方法學”小組(Mocs)研究芯片系統(tǒng)和各種嵌入式系統(tǒng)，并與Berder設計出BoWI(Body World Interactions人體與世界互動)傳感器網絡。BoWI結合了3D建模使用的動作傳感器，根據(jù)傳感器的方向來推斷使用者的姿勢與動作，無需使用外部設備。

Diguet預測：“我們不可能精準捕捉動作，因此目標是功能性復建之類的應用。物理治療師能建議日間要執(zhí)行的動作，并透過屏幕遠距離同時看護多位患者。這套系統(tǒng)將增加診療數(shù)量、降低運輸成本，特別有助于行動不便者。”

與安全有關的高性能演算

研究員表示，自今年夏天起，BoWI可用來建立有關艱困任務的信息。雇主必須計算旗下員工執(zhí)行危險動作或姿勢的次數(shù)，因此輕便的自動化傳感器便可提供每一工作日的可靠數(shù)據(jù)。

Diguet還研究目前最流行的連網對象“無人駕駛飛機”：與澳洲團隊合作的“國際無人駕駛偵查機群設計控制計劃”(Swarms)將高效能計算裝到無人飛機上，讓飛機能透過攝影機來分析并適應環(huán)境。

就像通訊，圖像處理和人工智能也會消耗電力。我們必須拾回以網絡架構為基礎的微妙平衡，選擇適切的地點與時間，進行最節(jié)能的操作。Diguet表示：“我們也研究硬件安全問題。連網對象通常是取得私人信息的媒介。沒有人希望自己身上的傳感器會向保險公司提報健康問題。喚醒無線電的優(yōu)勢就是節(jié)點越少、暴露的機會越小。”

改善傳感器的蓄電力

從犀牛到無人飛機，研究員致力改善傳感器的蓄電力。這也是最困難的部份。這些工作當然與人體有關，例如“用于嵌入式系統(tǒng)架構的信息暨微電子科技實驗室”(Tima)研究心律調節(jié)器的能源回收問題，實驗室副主任暨格勒諾博-阿爾卑斯地區(qū)大學(UGA)教授Skandar Basrour是研究傳感器直接回收能源的專家，他表示：“心臟跳動會產生振動形式的機械能量，我們可利用壓電系統(tǒng)將其轉換成電能，無線心律調整器就不用為了充電而每八年動一次手術。”

當壓電材料遭受機械應力，就會產生電極化，氣體引燃器和石英表即為此一原理的應用。傳感器和網絡的物理應力則可能來自任何載體的震動，例如行駛中的汽車、搖晃的橋、活動中的人。Basrour表示：“這些振動通常低于200赫茲，非常微弱。提高壓電產生器的尺寸，可以改善效益，但可能會不符合傳感器的規(guī)格。因此，我們研究電性聚合物、靜電回收、熱能、磁力等等，它們有時會產生超低的奈瓦(nanowatt)電力，這些電力在移動式裝置世界中都不會被忽略。”

這些研究都是跨學科、跨領域的，畢竟要研究連網對象，就必須結合不同知識的網絡。