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物聯網智慧應用與實務

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作　　者╱

廖文華、張志勇、趙志民、劉雲輝著

出版社別╱

五南

出版日期╱

2018/09/28 (1版 1刷)

I S B N ╱

978-957-11-9948-1

書　　號╱

5R25

頁　　數╱

440

開　　數╱

16K

定　　價╱

700 (特價 553)

本書的特色除了物聯網的專業技術外，更著重跨領域的結合，使得不論是資工、資管、電機、機械、管理、設計等領域的學生都可從物聯網產品的設計、網路技術、大數據分析、雲端物聯網的平臺應用、商業模式的探討等，達到跨領域思考和動手實作的實務學習。

※推薦文
推薦序一
我很榮幸受邀，為大同大學資訊經營系兼校務研究辦公室執行長廖文華教授、淡江大學張志勇教授、海洋大學趙志民教授與藍新科技劉雲輝執行副總合寫的《物聯網智慧應用與實務》教科書作序。它名為教科書，但是理論與實務並蓄，深入淺出的說明，讓學界與業界人士皆容易閱讀。本書說明企業身處互聯網+的商場上如何創新轉型，也指出機會與挑戰，是本架構清晰而值得好好鑽研的實用書！
《物聯網智慧應用與實務》一書分成15章，先談物聯網簡介，並點出新商業模式與商機，介紹新通訊技術如何大幅強化互聯網+的應用。作者重點式的解釋幾個主要應用領域，如金融、工業4.0、O2O新電子商務等；而大數據分析是深化其營運效能之主要分析工具。當下對物聯網最大的顧慮是：網路安全、隱私保護、具有深度學習能力的機器人是否會取代人類、物聯網應用之道德規範與法律遵循等等，尚須許多努力去克服。物聯網資料非常龐大，自然需要雲端運算與儲存，更需有良好管理平臺，增進其效率。
臺灣的企業如何從大量標準品代工製造，轉型為創造價值的客製化商品服務，的確是相當挑戰之路，期待本書能為學界與業界人士提供實用的參考與省思。謹以此序代表本人對作者貢獻此書的敬意與謝意！

大同公司　董事長
林郭文艷　謹序

廖文華
大同大學資訊經營系教授兼校務研究辦公室執行長，中華民國資訊管理學會監事，畢業於中央大學資訊工程系取得博士學位。專長為雲端運算、物聯網、大數據、人工智慧和金融科技等。曾獲教育部「特殊優秀人才彈性薪資」和科技部「獎勵特殊優秀人才」的獎勵。

張志勇
淡江大學資訊工程系教授，畢業於中央大學資訊工程系取得博士學位。專長為物聯網、健康照護、人工智慧與數據分析等。出版全臺灣第一本《物聯網概論》的書籍，其物聯網作品多次受各電視、報紙、電台與數位媒體報導，並常受邀於科技類雜誌專稿發表物聯網相關評論。

趙志民
國立臺灣海洋大學資訊工程學系教授，畢業於中央大學資訊工程系取得博士學位。專長為物聯網技術與應用、無線感測網路和大數據應用等。具多年主持科技部及教育部計畫經驗，曾獲科技部優秀年輕學者研究計畫。

劉雲輝
藍新科技共同創辦人暨執行副總，威肯金融董事，曾任藍新金流董事暨總經理、台灣電子支付董事，畢業於紐約大學取得電腦碩士學位。專長為電子支付和電子票券等。

第一章物聯網簡介與應用
1-1 物聯網簡介
1-2 物聯網發展
1-3 物聯網服務
1-4 物聯網應用
1-5 物聯網開發平臺
1-6 習題
第二章物聯網新商機
2-1 互聯網＋之新商機
2-2 消費模式改革的新商機
2-3 物聯網新商機的未來趨勢與挑戰
2-4 習題
第三章物聯網商業模式
3-1 資料分享與串流
3-2 產品即服務
3-3 產品共享
3-4 物聯網的商業模式
3-5 行銷、品牌、策略聯盟
3-6 物聯網產業鏈
3-7 習題
第四章物聯網生態系與共享經濟
4-1 物聯網生態系
4-2 物聯網生態系平臺
4-3 物聯網產品生態系
4-4 物聯網與共享經濟
4-5 習題
第五章物聯網通訊技術
5-1 物聯網低功耗廣域網路應用
5-2 低功耗廣域網路協定
5-3 全球低功耗廣域網路布建與推廣狀況
5-5 習題
第六章物聯網金融
6-1 物聯網金融架構
6-2 金融科技的P2P平臺
6-3 行動支付
6-4 第三方支付
6-5 物聯網保險科技
6-6 機器人理財
6-7 習題
第七章物聯網與工業4.0
7-1 工業的演變
7-2 物聯網帶動工業4.0的崛起
7-3 工業4.0的關鍵技術
7-4 工業4.0之應用
7-5 臺灣生產力4.0及工業4.0的比較
7-6 習題
第八章物聯網與O2O
8-1 O2O的演進
8-2 O2O與共享經濟
8-3 O2O的其他應用
8-4 習題
第九章物聯網大數據分析
9-1 大數據的動機與特點
9-2 大數據之應用方向
9-3 大數據應用於客戶需求與產品研發
9-4 大數據應用於個人喜好與商品推薦
9-5 大數據應用於資源分配
9-6 大數據應用於預防性維護
9-7 大數據應用於智慧辨識
9-8 大數據應用於語音智慧助理
9-9 物聯網與大數據應用於人工智慧
9-10 物聯網與大數據應用於健康照護
9-11 大數據的處理流程
9-12 物聯網、雲端運算及大數據
9-13 習題
第十章物聯網安全與隱私
10-1 物聯網安全與隱私簡介
10-2 資訊安全的實際案例
10-3 物聯網的安全隱私概論
10-4 感知層的安全隱私
10-5 網路層的安全隱私
10-6 應用層的安全隱私
10-7 習題
第十一章物聯網與智慧機器人
11-1 智慧機器人簡介
11-2 智慧機器人的應用
11-3 聊天機器人開發平臺
11-4 聊天機器人開發實務
11-5 習題
第十二章物聯網雲端管理平臺—Microsoft Azure
12-1 Microsoft Azure物聯網雲端平臺
12-2 物聯網雲端實務
12-3 習題
第十三章物聯網雲端管理平臺—Amazon Web Services
13-1 Amazon Web Services簡介
13-2 AWS IoT實作
13-3 習題
第十四章物聯網開源管理平臺—OM2M
14-1 物聯網管理平臺簡介
14-2 oneM2M的起源
14-3 oneM2M標準
14-4 OM2M安裝與實例
14-5 物聯網工具
14-6 習題
第十五章物聯網未來發展與挑戰
15-1 物聯網的創新思維
15-2 物聯網的角色策略
15-3 物聯網與人工智慧
15-4 物聯網面臨的挑戰
15-6 習題


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1-1　物聯網簡介
隨著科技進步，不論食、衣、住、行、育、樂各方面植入嵌入式晶片的電子產品越來越多，提升了人們生活中的便利性與即時性。這些電子產品之間需要溝通與協同合作，因此物聯網（Internet of Thing, IoT）的概念應運而生。在現代社會中，網路早已成為人與人之間重要的溝通管道之一，網路的目的是透過資訊科技將人與人連結在一起，物聯網技術的興起不只將人連結在一起，而且賦予物件智慧並可以與其他物件或人溝通。換言之，未來網路不再只是人與人的溝通管道，更是聯繫全球物與物、人與物的橋梁。
互聯網為人們生活上帶來便利性，傳遞訊息和接收新知不必再像從前處處受到限制，讓資訊的交流更加迅速，也使得人與人之間的互動更為密切。物聯網的出現更是徹底顛覆了大家以往對於互聯網的刻板印象。連上互聯網、交換訊息和分享資訊，不再只侷限在人與人之間或人與物之間，物體也將具有智慧及抉擇的能力。物聯網的發展將使得人與人、人與物或物與物之間，擁有更為緊密的合作，將大大地改變人類的生活型態。目前人們生活中最容易接觸到的智慧物件就是智慧手機，智慧手機內建觸控螢幕、電子羅盤、三軸加速度感測器、影像感測器（CCD）、麥克風和全球定位系統（GPS）等感測硬體及各種應用軟體，另外也配備3G、藍牙（Bluetooth）和WiFi等無線通訊模組，智慧手機非常接近物聯網所要求的智慧物件，如圖1-1所示。智慧手機裝置各種感測器與相關應用程式，透過網路的資料傳輸，即可進行各項智慧服務，例如物流服務、人文藝術服務、智慧學習服務、智慧醫療服務、智慧家居服務、智慧交通服務以及智慧綠能服務等不同層面之應用範圍。
到底物聯網如何改變人們的生活，物聯網下的活動模式與傳統又有什麼不同呢？我們以智慧冰箱為例來說明。智慧冰箱當溫度過高壞掉時，會自動發出維修訊息；厲害一點的冰箱還能和瓦斯及資料庫串聯，向瓦斯行訂購一桶瓦斯；如果冰箱裡喜歡的甜點吃完了，也能連接上電商平臺自動訂購。物聯網的架構有感知層、網路層和應用層三個層級，如圖1-2所示。「感知層」為三層中的最底層，用以感知數據資料。智慧物件透過溫度、濕度、位置和壓力等各種感測器取得周圍的資訊，如同人類的嗅覺、聽覺、觸覺和視覺等感官，得知周遭的資訊。「網路層」為第二層，用以接收感知層的數據資料，並傳送至應用層。感測層的資訊透過4G、WiFi、Zigbee或藍牙等無線通訊技術傳遞給雲端的主機，就像人的神經一樣。「應用層」為最貼近現實生活中使用者的層次，有效地運用接收到的數據資料。雲端主機接收網路層傳來的資訊後，透過大數據分析或人工智慧做出反應服務使用者，如同人類的大腦。
當感測器整合在智慧冰箱中，冰箱可以透過食物上的RFID標籤得知物品的資訊，如食物的種類、產地及製造日期等，並且透過冰箱中的壓力感測器感知物品的重量。在保存的過程中利用門內的陀螺儀判斷冰箱門是否被開啟，並且利用溫度感測器感知溫度。冰箱透過無線通訊的技術將資料回傳到雲端的伺服器，若發現冰箱門開啟時，則開始監測溫度，一段時間後溫度高於正常食物保存的溫度，且冰箱門是開啟狀態，會推論是有人拿取食物後忘記關閉冰箱門，可發送提醒訊息給使用者提醒關門。
物聯網技術的興起，讓物體與物體之間依照事先定義好的規則，自行溝通、運算並自動執行任務。舉例來說，當冰箱感知食物不足時，可以透過串聯生鮮食品商城的API，提供遠端生鮮採買食物，並且透過金流支付應用程式付款，建立物聯網生態中的「電子商務系統」。冰箱中的食物紀錄，根據個人健康狀況資料庫，計算食品營養與熱量提醒，提供物聯網生態系中的「食品營養管理系統」。另外可以依據冰箱的食材，根據食譜資料庫，提供相對應的食譜，形成物聯網生態系中的「烹飪系統」。同時冰箱的監控系統也隨時偵測設備的健康狀態，與電器維護業者串聯，當產生異常時即可自動通知檢修，形成物聯網生態系中的「家電設備系統」。由此可以看到雖然只是一個智慧冰箱，但是結合物聯網的各個部分可以形成一個多元的生態系，彼此合作完成多項任務，如圖1-3所示。
1-2　物聯網發展
網路應用不斷地深化，現有的資訊內容已無法滿足快速變化的商業環境，人們需要實現人與物、物與物之間的順暢溝通，提升資訊透明度，並對外界的變化即時做出正確的回應。當所有的物體都具備連結網路的能力，物體彼此間能相互溝通與互動，物聯網的世界便具體成形了。物聯網包含「網路」與「事物」，事物代表一些實體設備，如智慧設備和感測器。人們透過網路能夠隨時與這些設備通訊，而設備與設備之間也能夠透過網路溝通。Cisco提出的萬物互聯（Internet of Everything, IoE）是指物聯網系統對於適應異質設備，以及不同的自主網路間相容的重要性。隨著物聯網技術應用到工業生產領域，工業物聯網（Industrial IoT, IIoT）也逐漸受到重視，感測設備精確且密集的進行資料收集或是通訊，將所有工業相關的技術、銷售與產品體驗統合起來，建立具有資源效率的智慧工廠，並在商業流程及價值流程中整合客戶以及商業夥伴。
物聯網發展至今，主要的應用是以人為中心，透過互聯網串連不同產業，形成各種的服務模式。人們多數的時間都是與網路連結，透過智慧裝置上網存取資料或分享資料，對大數據進行分析了解過去預測未來，讓決策更加準確與可靠。透過物聯網的感測技術，可收集來自社群、交通、購物和生活等大數據，經過分析後提升產品品質、產品售後服務及電子商務更多樣化和精準的服務。此外，物聯網也帶來全新的消費模式，以消費者為中心，消費者並不需要增加額外的花費，便能取得更好的服務。對生產商而言，不同於傳統的商業模式，透過大數據分析更能針對使用者喜好生產產品，藉以提高銷售額及生產效能。也可藉由數據提供生產商好的策略或建議，從中收取廣告及諮詢費用，此種消費模式達成三贏的局面，也意味著此模式中富含大量的新商機。
現在物聯網的相關應用更加強調智慧判斷，其中智慧種類分為「智慧物件」以及「智慧網路」。與以前的系統架構相比，智慧網路最大的差異在於無論是實體層（感測器或是智慧標籤）或是通訊層（通信協定）都是開放且標準化。同時環境中的智慧物件（有IP位置）是可被搜尋和擴增其應用，例如交通流量監測的節點，可以擴增為環境汙染監測或是交通安全評估。
物聯網結合了各種末端設備和設施，包括嵌有各式感知元件的行動終端設備、工業系統、大樓安全系統、家庭智慧設施或智慧視訊監視系統等。這些嵌有智慧元件的設備或設施透過各種無線或有線，長距離或短距離之通訊網路，實現互聯互通和應用整合，以雲端運算為基礎的SaaS營運模式，在內網（Intranet）、專網（Extranet）和互聯網（Internet）環境下，採用適當的資訊安全保障機制，提供安全可控的即時線上監測、定位追蹤、警報連動、調度指揮、遠端控制、安全防範、遠端維護保全、線上升級、統計報表、決策支援及領導桌面等管理和服務功能。以下是物聯網中使用的關鍵技術，如圖1-4所示：
RFID
無線射頻辨識技術（Radio Frequency Identification, RFID），是物聯網中相當重要的技術。其原理主要是透過無線訊號識別特定目標，並讀寫相關數據，不需識別系統與目標間建立機械或光學接觸。目前RFID已經成為生活上相當常見的應用，例如大賣場中常見到RFID的使用，除了賣場人員能夠掌握庫存狀況之外，也可以達到防盜的效果。
感測器（Sensor）
物聯網環境中的應用是由感測資料開始，因此感測器可說是物聯網的必備要素之一。現在感測器的應用已經十分普遍，除了早期開始運用於火災警報偵測外，農業也大量地使用感測器監控溫度、濕度與日照等影響作物生長的因素，並且建立完整的智慧通報與回應系統。近年來廣泛被討論的工業4.0中，感測器也扮演重要的角色，感測器早已運用在生產的環節中。
NB-IoT
NB-IoT是一種低功耗廣域網路，屬於新興無線通訊技術。不同於傳統的WiFi和藍牙，NB-IoT具有低功耗、低資料量及可支援大量設備連結的特性。與4G一個基地臺超過五百至一千個連結就會發生壅塞的情況不同，NB-IoT可允許五萬至十萬個連結。加上NB-IoT傳輸速度較慢，成本較低，是物聯網應用的關鍵技術。
邊緣運算（Edge Computing）
邊緣運算是相對於雲端運算的概念，也就是雲端運算是將運算放上雲端，邊緣運算是將運算放在靠近用戶端終端設備如手機、監視器、錄影機等。過去發展人工智慧，從終端設備接收訊號，要透過聯網把資料傳回雲端，經運算後將指令送達設備。但聯網常常又貴又慢，因此催生邊緣運算的需求，把一部分的運算能力放進終端設備，例如監視器或汽車上。
現今企業運用物聯網面臨最大的挑戰在於策略，也就是企業想藉由物聯網技術達到什麼樣的策略目標。目前常見的幾個方向包括增進與消費者間的互動、優化企業流程降低營運成本以及創造新的商業營運模式等。但是企業在開始投入物聯網時，對於這些問題大都還沒有很清楚的答案。另一方面，想要進行物聯網投資時，企業必須要涉獵更多的技術，而不再只限於內部的基礎架構。科技的複雜性也成為企業必須克服的挑戰，因此資料銀行的概念逐漸興起，提供儲存、分析與使用巨量且多元的使用者資料的服務，此類公司將成為物聯網發展的骨幹之一。Google、Apple與Amazon都是資料銀行概念的體現者，也已經著手將這些資料賦予價值。在掌握資料的情形下，每個聯網的智慧物件都有發展電子商務的機會，我們的杯子、桌子和冰箱等連網物體，可能成為一個商業行為的管道。但這些可連網的物件可能連螢幕或鍵盤都沒有，因此要有更安全和更方便的支付工具。為了讓這些設備能夠彼此辨識和通訊，開放硬體的概念與推動十分重要。
1-3　物聯網服務
物聯網對日常生活的影響至關重要，它正在改變組織和消費者與實體世界的互動方式。組織透過電子化的方式觀察或管理使用者，將這些數據視為決策的依據，進一步影響人類的生活。透過此過程可優化系統的流程或效能，不論對於使用者或是組織都能節省時間和增加效率。在組織不斷發展創新的過程中，除了了解客戶之外，更重要的是創造滿足客戶需求的產品或服務。目前物聯網設備大多屬於消費電子產品，使用者需要花費大量的金錢在這些設備上，因此如何吸引使用者使用是非常重要的問題。
對於想要利用物聯網增加競爭力的服務提供商而言，需要充分利用物聯網的特性，增強當前與未來產品競爭力，增加產品附加價值或是改善公司的營運狀況。例如家用電器業者Whirlpool，採用物聯網技術推出智慧家電，並且藉由感測器收集的數據，提供特殊狀況警示、預測機器問題與安排維修，以互動方式讓使用者擁有全新的家電體驗，進而強化客戶關係。農業機具供應商John Deere在農業機具上加裝感測器，收集當地偵測到的雨量、溫度與濕度等數據，並且從土壤狀態、氣候的情況和雨水等變數中，分析彼此的影響，藉由物聯網技術找出提高農民收益的方案，如今已成功轉型為農業資訊的服務供應商。
物聯網為傳統的產業或服務帶來了重大的變革，企業需要跳脫依賴硬體販售獲取利潤的舊思維，轉而仰賴資料獲取與交換。也就是說使用者購買產品時不用付錢，相關成本將由第三方廠商吸收，但是消費者所有的交易行為模式數據，均與第三方廠商分享。以企業的觀點而言，在物聯網的環境下，企業的競爭力不僅著重本身的能力，同時還包含了合作共贏的思想和組成的多樣化，透過合作展現出企業的組織能力，因此尋找其他適合的合作企業是一件非常重要的工作。創造或加入一個生態系對硬體的生產者而言，是一個至關重要的選擇。
以一般消費的觀點來看，物聯網已不只是套用或是改進原始的商業模式，而是充分的利用雲端運算，進而取得不同於他人的競爭優勢。物聯網所創造與獲得的價值與傳統企業是大相逕庭。在這股趨動力下，各企業公司搶搭這波風潮，創造出不同於以往的新商機。
在傳統產業中，經營產品的相關活動時，必須能夠增加公司產品及服務的價值，最後提升客戶的購買意願。也就是說想要創造價值就必須辨識客戶的需求，進而根據需求設計出更精良的解決方案，最後創造或衍生出新商機。當近似的產品提供的功能大多已經完備齊全時，各家公司或廠商便開始進行價格戰競爭，最後此產品就因利潤過低而被淘汰。這種商業模式從工業革命後一直維持到現今，甚至每天都還在大型超市或百貨商場中持續進行。在這種消費模式下，創造商機的機會就會愈來愈少。對於物聯網來說，早已不僅侷限於販售實體商品，可利用低廉的價格出售產品擴展客源，衍生後續更大的利益價值。此種物聯網的商業模式是建立在產品出售後，提供良好、完善的售後服務，並探討、分析客戶的其他隱性需求，進而創造出其他意想不到的收入來源。