结合各种感测、定位以及通讯解决方案的IoT应用，已为设计人员开启了新的机会，能够发挥创意，设计出真正关键的装置，让城市能克服日益严峻的高密度发展的挑战。
从交通控制、照明、污染监控、停车、紧急救援、公用事业、以及可让城市持续运作的各种功能都需要更具智能的连网技术，来提升生活质量及妥善地管理像电力、瓦斯等能源资源，并降低拥有与布署这些资源的整体成本。
可被设计人员用来克服城市化挑战的技术主要分为三种类别，以分别响应「什么」、「何时」、以及「何地」三个问题。 这些技术包括实时通讯、低成本、低功耗处理与环境条件感测、以及时间戳、准确的定位与位置感测等。 环境条件包括温度、湿度、空气成分、动作、以及振动。 利用传感器融合技术，设计人员能够对任何事件或情况提供丰富的相关数据。
这些功能需要可靠、低功耗、无线通信技术的支持，包括LTE Cat 0和窄频IoT(NB-IOT)的蜂巢式技术、以及低功耗蓝牙、Wi-Fi及其新兴IoT版本HaLow的短距离无线电技术、还有适用于汽车到基础架构(V2I)和汽车到汽车(V2V)通讯的IEEE 802.11p标准。
过去要使用这些技术时，往往需要重头开始设计，但现在，它们都能够以模块形式供应，方便设计人员搭配运用。
当然，确保IoT连接性是非常关键的，但是装置的可靠性与耐用度也同样重要，因为这些装置需要运作数年之久，而且不允许故障发生。 相较之下，手机通话时断线或导航应用程序错过一个出口，或许能被接受，但是在设计真正关键的装置时，诸如交通号志、无人驾驶车、严重污染监控与紧急服务，每一次通讯的失误或错误信息，都有可能付出昂贵代价。 因此，连网城市的设计人员需承担审慎思考的责任，以确保系统能符合*高的质量与规范要求。
智能城市需求迫在眉睫
根据联合国统计，到2050年，全球的城市人口将增加25亿人，所有城市将承载全球高达66%的人口，此比例在2014年仅为54%(图1)。 这将会为都会区的公共运输、住宅、电力、水源与环境卫生、以及垃圾处理带来极大的压力，更不要提犯罪、火灾防治、医疗保健以及社会服务等需求了。
图1 随着全球人口朝都市集中，设计人员将有机会利用智能连网技术为更多人口提供更好、更有效率的服务。
数据源：联合国统计数据
报告也指出，若与散布各处的乡村人口相比，提供类似等级的服务时，城市化的效率会比较高。 此外，就逻辑观点而言，人口高密度集中的发展也带来许多运用科技提升效率的机会，因此城市化也促使科技的支出快速攀升。
研究机构BI Intelligence预测，全球对于智能连网城市技术的支出将从2015年的360亿美元，在2019年增加至1,330亿美元(图2)。 智能电表是连网技术*无所不在的应用之一，现已部署于许多城市之中，可节省能源与人力成本，实现更佳的电网管理，还能透过电池供电的双向通讯进行预测性维护与停电通知。
图2 智能电表是连网技术*无所不在的应用之一，现已大规模部署，可节省能源、降低成本，并透过双向通讯功能在必要与停电时提升服务质量。
数据源：BI Intelligence
BI Intelligence还估计，透过营收增加以及效率提升，投资于IoT的经济附加价值，在2019年将达到4,210亿美元。
机器交谈系统设计考虑众多
对连网系统的设计人员来说，这类系统的设计考虑要比人机(Machine-to-Human)与机器对机器(M2M)通讯更为复杂而深入(图3)，因为这些通讯通常是在无人为干涉下发生在装置与系统之间，并透过不同的蜂巢式与非蜂巢式网络进行。
图3 智能城市会产生大量真正关键的数据，并透过机器对机器间进行传输，通常无需人为干涉。
数据源：爱立信行动技术报告
这类机器间的持续通讯，或称为机器交谈的范例包括：
． 提供*新状态消息的废弃物处理装置与停车传感器
． 传输水量信息给自来水供应与处理中心的流量计
． 提供*新路况的道路电感式传感器
． 持续通报初期应变人员(first-responder)位置与健康状态的紧急救援服务
． 确保实时监控与保全服务的相机
． 提供空气组成与污染分析的化学传感器
智能城市中的许多数据来源可能是不相关且各自相异，但对设计人员来说，它们都有共通的重要需求，例如，它们必须具备强固、可靠、低功耗特性，并能在较大的湿度与温度范围内运作至少15年。 此外，它们还须坚固耐用、具优异的抗噪特性，并能够在室内及户外以较低的链结预算保持通讯，特别是紧急情况下。
传感器必须能够提供高精密度、高准确度的数据，否则分析就失去价值。 在定位应用，这意味着，传感器必须能准确到公分的程度，才能准确地侦测到以高速穿越灯号或变换车道的急救车辆，或确认哪一个垃圾桶才是空的。
对时序来说，准确度表示时间戳需达微秒的精准度，因此须利用低延迟通讯，亦即通讯延迟需小于150ms或更低。 确保由跳跃点(Hop)到基础设施能保持较低的延迟，以及较低的功耗。
所有这些要求都须同时达成的极端案例是，当初期应变人员进入发生紧急事故的建筑物或山区时，他们的位置与健康状况都必须被快速的追踪，并确保语音通讯的畅通。
当所有的数据被收集、移动、处理以及储存后，**便成为另一个重要的考虑，才能免于****外泄或城市资源受到损害。 由于预算有限，任何一款解决方案都必须是低成本，并能确保较低的整体拥有成本。
硬件须满足多重标准 模块方案化繁为简
要满足智能连网城市的设计需求，须从遵循*佳实务开始。 一开始先符合─或超过─相关的要求和规范。 举例来说，像AEC-Q100汽车标准要求组件的温度容忍度为-40℃到105℃之间，此外，遵循ISO 26262可确保车用系统的功能**性。
满足联邦通讯委员会(FCC)规范的这些需求往往很繁琐，而且会耗费设计人员的宝贵时间。 因此，采用模块化方案来取代自行开发RF方案，以满足通讯需**更好的做法，例如选用已通过政府以及电信业者合格要求的模块产品，设计人员采用之前*好先跟供货商确认。
此外，模块供货商，如果在业界的资历较久，就能快速地协助客户进行设计，因为他们能提供实际的应用支持，像是如何放置天线，才能取得*大效能。
此外，优良的模块供货商可提供多样化的模块选项，包括完备的全球导航卫星系统(GNSS)、蜂巢式、以及短距离无线电接口，再加上定位精密度与耐用性的优化特性，以适应不断改变的环境条件与位置需求。
对许多设计人员来说，如何选择适当的RF接口，常常是充满焦虑的。 以IoT装置设计人员为例，这些装置的通讯范围约为100公尺，而可用的选项包括低功耗蓝牙、IEEE 802.15.4(ZigBee、Wireless Hart、Thread)、以及Z-Wave。 若要求传输范围更广以及更高的数据传输率，Wi-Fi及其各种的衍生版本，都拥有普遍使用与容易连网的优势。 然而，Wi-Fi的基本版本(802.11a/b/g/n/ac)并不适用于低延迟与超低功耗应用。
为了降低延迟，已于2010年通过的IEEE 802.11p标准能在授权的5.9GHz ITS频带上运作，让通讯延迟保持在100ms或更低。 *近，Wi-Fi联盟发布了HaLow，这是基于IEEE 802.11ah的Wi-Fi衍生版。 HaLow在900-MHz范围内运作，能够在给定的传输功率内倍增其传输距离。
也就是说，几乎所有的标准都在持续改进中，所以选择时，不能只是分析其传输距离与功率，还要了解它们是否能持续演进，以支持网状网络(Mesh Network)与原生的因特网协议。 例如，蓝牙SIG已将蓝牙的标准传输距离提升4倍，并在低功耗蓝牙标准中增加了网状网络功能(Mesh Functionality)。
随着短距离无线电标准的演进，广域通讯技术的选择数量也持续增加并扩大应用。 新加入者包括Ingenu、LoRa以及窄频IoT(NB-IoT)。 NB-IoT是由3GPP组织所制定，可运作在授权的GSM和LTE频段，主要锁定需要长电池寿命、深度覆盖范围、以及低成本的室内与户外应用(图4)。
图4 窄频IoT(NB-IoT)是由3GPP所制定，可为GSM与LTE网络提供99.5%或更高的室内与户外IoT覆盖范围。
*近有一个工业用垃圾管理解决方案的使用案例，充分展现出透过结合NB-IoT、低功耗蓝牙以及Wi-Fi技术来收集垃圾桶信息、优化垃圾收集路线，并利用先进的数据分析技术，可取得显著的商业效益，包括降低燃油消耗、减少废气排放量，以及缩短垃圾收集时间等。
NB-IoT正获得强劲的市场采用：传统的GSM与LTE网络只能达成95%∼99%的户外覆盖范围需求，针对一些关键应用与不易到达的位置来说，这会是一个问题。 特别是，室内覆盖范围的比例必须至少达到99.5%或更高。 3GPP正透过采用窄频技术的增强功率频谱密度(PSD)来解决这个问题。 与GSM网络相比，16次的重新传输机制与独立式的保护带(Guardband)频谱规划模式可增加20dB的NB-IoT覆盖增益。
此外，相较于蜂巢式技术，NB-IoT能以更低的功耗与数据传输率来运作，也能支持IoT装置所要求的坚固性与可靠性，因此非常适用于透过一般及少量的数据传输来监控瓦斯与水表装置。 NB-IoT的其他关键领域包括街灯控制、大楼自动化、以及人群追踪等。
多种技巧满足位置与时间戳需求
虽然收集与传输数据很重要，但若在传感器的数据上再增加相关的位置与时间讯息，可提供更完整的环境信息。 苹果(Apple)以蓝牙为基础开发出iBeacons，可提供近接警示，但它的准确度不高，无法解析1公尺以内的位置。 它利用接收讯号强度指示(RSSI)来决定距离，但因为干扰与吸收，RSSI会产生误导，且随着距离增加，错误更为严重。
若要取得公分等级的定位准确度，根据到达角(Angle of arrival, AoA)与出发角(Angle of Departure, AoD)来计算，是更有效的方式(图5)。
图5 为了增加「位置」的讯息，GNSS网关可透过利用到达角、出发角、RF讯号纹定位算法(RF Fingerprinting)与时差测距(ToF)分析等短距离无线技术来进一步增强。
ToF over Wi-Fi─量测一个封包从发射器到达接收器需花多少时间─已展示出能够准确到30公分以下的特性。 针对紧急人员与血液等重要资产的应用，结合动作、追踪温度以及准确的位置信息，将带来生与死之间的重大差异。
进一步的位置精密度可利用实时动态定位(Real-time Kinematic, RTK)技术来实现，它利用发射与接收到的UHF无线电讯号相位差，可将位置准确度提升至公分的等级。
设计人员可将此数据与GPS网关的正确时间戳结合在一起，以提供更高的准确度(图6)。 这些网关不一定是昂贵的专用装置：智能型手机也有提供此讯息的功能，并能利用任何一种无线技术─或甚至有线接口─将数据连接到云端。
图6 欲取得「时间」的信息，基于GNSS的时间戳能被用来取得奈秒范围内的准确度。 其他的技术包括：PTP、NTP以及时差测距(ToF, time-of-flight)。
其他的定位技术包括：讯号纹定位算法(Fingerprinting)，它是对应来自已知Wi-Fi存取点或蜂巢式基地台的RF路径，也能清楚掌握手机的位置。
紧抓五大重点 确保系统**性
随着越来越多的系统链接上网，可提供关键数据或服务的潜在攻击点数量也快速增加，因此更需要落实良好的**保护实务。 我们必须建置从传感器到终端应用的完整信任链(Chain of Trust)(图7)。 **IoT设计的五个重要支柱包括：
图7 由于网络节点数量的扩展，攻击点数量也随之增加。 为了建立信任链来确保**性，u-blox在**设计中增加了五个重要支柱。
． 装置韧体与**开机
． 与服务器间的通讯
． 接口**性
． 强制的API控制
． 包含可处理诈骗/干扰的坚固特性
当然，只有当系统启动并执行时，确保**性才有意义。 因此，为连网城市的远程无线传感器节点供电，包括从街灯控制器、到污染与化学物监控，都需要新的思考模式。
智能城市应用想象空间宽广
智能城市仍继续在演进中，它能提升并提供更有效的都市服务。 不管是由下而上的设计，例如社交导航应用，或是由上而下的基础架构部署，对设计人员、制造商来说都是全新的机会，能够创建更新、更智能的系统。 现在，利用垂手可得的技术、模块、软件与生态系统，将能为他们开启更宽广的想象空间，并推动**应用。
(本文作者任职于u-blox)
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