IoT 技術和通訊協定
開始進入 IoT 的世界以使用各項技術。本指南提供 IoT 通訊協定和技術的紮實基礎，有助您為專案做出正確的選擇。
IoT 技術生態系統
IoT 技術生態系統由 裝置、資料、連線能力和技術使用者這幾層所組成。
裝置層
由感應器、傳動器、硬體、軟體、連線能力和閘道組成，來構成與網路連接及互動的裝置。
資料層
在商務環境中收集、處理、傳送、儲存、分析、呈現和使用的資料。
商務層
IoT 技術的商務功能，包括帳單和資料市集的管理。
使用者層
與 IoT 裝置和技術互動的人員。
深入了解如何在使用 Azure IoT 中樞進行建置時，適當地連線裝置。
IoT 技術堆疊第 1 部分：
IoT 裝置
IoT 裝置大不相同，但通常會共用這些常見的概念和詞彙。您也可以在此 IoT 裝置目錄中深入了解利用 IoT 技術的裝置種類。
傳動器
傳動器通常為因應感應器識別到的變更，而在控制中心的指示下執行實際動作。這是一種換能器類型。
內嵌系統
內嵌系統是以微處理器或微控制器為基礎的系統，用來管理較大系統內的特定功能。其中包括硬體和軟體元件，例如 Azure RTOS。
智慧型裝置
具備計算功能的裝置。通常包括微控制器，並可利用 Azure IoT Edge 等服務，在不同的裝置上最有效地部署特定工作負載。
微控制器單元 (MCU)
這些小型電腦內嵌在微晶片上，並包含 CPU、RAM 和 ROM。雖然微控制器含有執行簡單工作所需的元素，但其功率限制比微處理器更多。
微處理器單元 (MPU)
MPU 在單一或多個整合線路上執行 CPU 功能。雖然微處理器需有周邊設備才能完成工作，但因為其只含有 CPU，所以可以大幅降低處理成本。
非運算裝置
只能連接和傳輸資料而沒有計算功能的裝置。
換能器
一般來說，換能器是將某種能量形式轉換成其他能量形式的裝置。在 IoT 裝置中，這包括內部感應器和傳動器，可在裝置與其環境互動時傳輸資料。
感應器
感應器偵測環境中的變更，並建立用於通訊的電子脈衝。感應器通常會偵測環境的轉變 (例如溫度、化學物質和實體位置的變化)，是一種換能器類型。
IoT 技術堆疊第 2 部分：
IoT 通訊協定和連線能力
連接 IoT 裝置
規劃 IoT 技術專案首要判斷裝置的 IoT 通訊協定，也就是裝置的連線和通訊方式。在 IoT 技術堆疊中，裝置會透過閘道或內建功能來連接。
什麼是 IoT 閘道？
閘道是 IoT 技術的一部分，可用來協助將 IoT 裝置連線到雲端。雖然並非所有的 IoT 裝置都需要閘道，但閘道可用來建立裝置對裝置的通訊，或連線不是以 IP 為基礎且無法直接連線到雲端的裝置。從 IoT 裝置收集的資料會透過閘道移動、在邊緣進行前置處理，然後傳送至雲端。
使用 IoT 閘道可以降低延遲並減少傳輸大小。讓閘道成為您 IoT 通訊協定的一部分，也可讓您連線裝置而不需要直接存取網際網路，並透過保護雙向移動的資料，多提供一層安全性。
如何將 IoT 裝置連接到網路？
您用作 IoT 通訊協定一部分的連線類型取決於裝置、其功能和使用者。一般來說，所需的 IoT 連線類型由資料移動距離 (短距離或長距離) 決定。
IoT 網路類型
低功率短距離網路
低功率、短距離的網路非常適合住家、辦公室和其他小型環境。一般只需要小型電池，而且通常營運成本較低。
常見範例：
藍牙
藍牙適用於高速資料傳輸，可同時傳送語音和資料信號，最遠達 10 公尺。
NFC
一組通訊協定，可在相距 4 公分 (1 ⁄2 英吋) 或更短距離的兩部電子裝置之間進行通訊。NFC 提供設定簡單的低速連線，可用於啟動載入功能更強大的的無線連線。
Wi-Fi/802.11
低運作成本的 Wi-Fi，住家和辦公室的標準選項。不過不見得適合所有案例，原因是其範圍有限，而且全天候持續耗電。
Z-Wave
一種網狀網路，使用低能量的無線電波在設備間進行通訊。
ZigBee
一組高階通訊協定的 IEEE 802.15.4 規格，可用來建立具有小型低功率數位無線電波的個人區域網路。
低功率廣域網路 (LPWAN)
LPWAN 的通訊距離可達 500 公尺以上，僅需最低功率，並可用於大部分的 IoT 裝置。LPWAN 的常見範例包括：
4G LTE IoT
這些網路提供高容量和低延遲，最適合需要即時資訊或更新的 IoT 案例。
5G IoT
雖然 5G IoT 網路目前尚無法使用，但預期可為指定區域中更多裝置提供更快的下載速度和連線能力，從而帶來進一步的 IoT 創新。
Cat-0
這類以 LTE 為基礎的網路是成本最低的選項。這類網路是 Cat-M 的基礎，而該技術將會取代 2G。
Cat-1
這種行動數據 IoT 標準最終會取代 3G。Cat-1 網路很容易設定，並為需要語音或瀏覽器介面的應用程式提供絕佳解決方案。
LoRaWAN
長距離廣域網路 (LoRaWAN) 可連線電池式雙向安全行動裝置。
LTE Cat-M1
這類網路與 LTE 網路完全相容。這類網路可將專為 IoT 應用設計的第二代 LTE 晶片成本和功率最佳化。
NB-IoT (窄頻物聯網)/Cat-M2
NB-IoT/Cat-M2 使用直接序列展頻 (DSSS) 調變，將資料直接傳送到伺服器，而不需要經過閘道。雖然 NB-IoT 網路的設定成本較高，但不需要閘道，因此執行成本較低。
Sigfox
這家全球 IoT 網路提供者可提供無線網路，以連線持續發出資料的低功率物件。
IoT 通訊協定：IoT 裝置與網路通訊的方式
IoT 裝置會使用 IoT 通訊協定進行通訊。網際網路通訊協定 (IP) 是一組規則，可指定將資料傳送到網際網路的方式。IoT 通訊協定可確保其他裝置、閘道或服務能讀取及了解來自某個裝置或感應器的資訊。我們已針對不同的案例和使用方式設計不同的 IoT 通訊協定，並進行最佳化。考量到可用的 IoT 裝置種類各異，在適當環境中使用適合的通訊協定至關重要。
應該選擇哪種 IoT 通訊協定？
您所需的 IoT 通訊協定類型，會視資料在哪個系統架構層中移動而定。 開放式系統互聯 (OSI) 模型 提供傳送和接收資料的各層對應。IoT 系統架構中的每個 IoT 通訊協定都可確保裝置對裝置、裝置對閘道、閘道對資料中心或閘道對雲端通訊，以及資料中心間的通訊。
應用程式層
應用程式層為指定 IoT 通訊協定內使用者與裝置之間的介面。
進階訊息佇列通訊協定 (AMQP)
在傳訊中介軟體之間建立互通性的軟體層。這個軟體層可協助各種系統和應用程式一起運作，建立產業規模的標準化傳訊機制。
限制應用程式通訊協定 (CoAP)
有限頻寬和有限網路通訊協定，專為在機器對機器通訊中連接能力有限的裝置而設計。CoAP 也是透過使用者資料包通訊協定 (UDP) 執行的文件傳輸通訊協定。
資料散發服務 (DDS)
一種多功能的點對點通訊協定，從執行小型裝置到連接高效能網路等所有工作均可執行。DDS 可簡化部署、提高可靠性，並降低複雜度。
訊息佇列遙測傳輸 (MQTT)
針對輕量型機器對機器通訊而設計的傳訊通訊協定，主要用於遠端位置的低頻寬連接。MQTT 使用發行者與訂閱者模式，適用於需要高效使用頻寬和電池的小型裝置。
傳輸層
在任何 IoT 通訊協定中，當資料在各層之間傳輸時，傳輸層可確保資料通訊並保障通訊安全。
傳輸控制通訊協定 (TCP)
大部分網際網路連線使用的主要通訊協定。其提供主機對主機通訊，將大量資料分成個別的封包，並視需要重新傳送及重組封包。
使用者資料包通訊協定 (UDP)
一種在 IP 上執行的通訊協定，可確保處理序對處理序的通訊。UDP 可改進透過 TCP 傳輸資料的速率，最適合需要無失真資料傳輸的應用程式。
網路層
IoT 通訊協定的網路層可協助個別裝置與路由器通訊。
IP
許多 IoT 通訊協定利用 IPv4，而較新的執行則使用 IPv6。這項最新的 IP 更新可路由網際網路的流量、識別網路上的裝置並加以定位。
6LoWPAN
此 IoT 通訊協定最適合處理功能有限的低功率裝置。
資料連結層
資料層是 IoT 通訊協定的一部分，會在系統架構內傳輸資料，找出並修正實體層中的錯誤。
IEEE 802.15.4
適用於低功率無線連接的無線電標準。其可搭配 Zigbee、6LoWPAN 和其他標準使用，以建置無線內嵌網路。
LPWAN
低功率廣域網路 (LPWAN) 網路的通訊距離可達 500 公尺，在某些地方甚至超過 10 公里。LoRaWAN 是 LPWAN 針對低耗電量最佳化的一個代表。
實體層
實體層是在特定環境內裝置之間的通訊通道。
低功耗藍牙 (BLE)
BLE 大幅降低耗電量和成本，並維持類似傳統藍牙的連線範圍。BLE 可在行動作業系統上原生運作，而且因為其成本低廉，電池使用時間又長，很快就成為消費性電子產品最愛使用的技術。
乙太網路
這個有線連接是費用較低的選項，可提供快速的資料連接和低延遲。
長期演進技術 (LTE)
適用於行動裝置和資料終端機的無線寬頻通訊標準。LTE 可增加無線網路的容量和速度，並支援多點傳送和廣播串流。
近距離無線通訊 (NFC)
一組使用電磁場的通訊協定，其可讓距離 4 公分以內的兩個裝置通訊。啟用 NFC 的裝置可作為身分識別門卡，而且常用於非接觸式行動支付、票證和智慧卡。
電源線通訊 (PLC)
一種通訊技術，可讓您透過現有的電源線傳送和接收資料。這可讓您透過相同的纜線，為 IoT 裝置提供電源及控制裝置。
無線射頻識別 (RFID)
RFID 使用電磁場，追蹤不具電源的電子標籤。相容的硬體可提供電源並與這些標籤通訊，同時讀取其資訊以進行識別和驗證。
Wi-Fi/802.11
Wi-Fi/802.11 是住家和辦公室的標準選項。雖然這是經濟實惠的選項，但不見得適合所有案例，原因是其範圍有限，而且全天候持續耗電。
Z-Wave
一種網狀網路，使用低能量的無線電波在設備間進行通訊。
ZigBee
一組高階通訊協定的 IEEE 802.15.4 規格，可用來建立具有小型低功率數位無線電波的個人區域網路。
IoT 技術堆疊第 3 部分：
IoT 平台
IoT 平台提供單一服務來管理您的部署、裝置和資料，讓您輕鬆建立及啟動 IoT 專案。IoT 平台可管理硬體和軟體通訊協定、保障安全性和驗證，並提供使用者介面。
IoT 平台的確切定義不一，原因是目前有 400 多家服務提供者提供軟體、硬體、SDK 和 API 等功能。不過，大部分的 IoT 平台包括：
- IoT 雲端閘道
- 驗證、裝置管理和 API
- 雲端基礎結構
- 協力廠商應用程式整合
受控服務
IoT 受控服務可協助企業主動經營和維護其 IoT 生態系統。您可以使用各種 IoT 受控服務 (例如 Azure IoT 中樞 )，協助簡化及支援建立、部署、管理和監視 IoT 專案的流程。
目前技術的 IoT 應用
AI 和 IoT
IoT 系統會收集大量資料，這些資料通常需要使用 AI 和機器學習來排序和分析，以供您偵測模式並依據見解採取相應的行動。例如，AI 可以分析從製造設備收集而來的資料，並預測維護需求，降低非預期故障導致的成本和停機時間。
區塊鏈和 IoT
目前，並無法確認來自 IoT 的資料在銷售或共用之前未受到操弄。區塊鏈和 IoT 結合可破除資料孤島並確保可信度，讓資料能夠獲得驗證、追蹤並信賴。
Kube 和 IoT
Kube 具有零停機部署模型，可協助確保 IoT 專案即時更新，而不會影響使用者。Kube 可使用雲端資源輕鬆且有效率地進行調整，提供用來部署至邊緣的常見平台。
開放原始碼和 IoT
開放原始碼技術加快了 IoT 的發展速度，讓開發人員能夠在應用 IoT 技術時使用他們自選的工具。
量子運算和 IoT
IoT 產生的大量資料順水推舟助長了量子運算加快大量計算的能力。此外，目前大部分 IoT 裝置固有的低運算功能難以保障必要的安全性，量子加密有助於使必要的安全性多一層保障。
無伺服器和 IoT
無伺服器運算讓開發人員無需管理基礎結構，且能更快速地建置應用程式。雲端服務提供者可以使用無伺服器應用程式，自動佈建、調整和管理執行程式碼所需的基礎結構。針對 IoT 專案的變動流量，無伺服器功能可讓您以符合成本效益的方式進行動態調整。
虛擬實境和 IoT
搭配使用虛擬實境和 IoT 有助您以視覺化方式呈現複雜的系統，並做出即時決策。例如，您可以使用一種稱為擴增實境 (也稱為 混合實境) 的虛擬實境，將重要的 IoT 資料顯示為真實世界物件 (例如您的 IoT 裝置) 或工作區上的圖形。虛擬實境和 IoT 的這項組合，啟發了醫療保健、現場服務、運輸和製造等產業的技術進步。
數位對應項和 IoT
在系統執行之前進行測試，有助於大幅節省成本與時間。數位對應項從多部 IoT 裝置取得資料，並將其與其他來源的資料整合，以提供一個視覺效果，說明系統如何與裝置、人員和空間互動。
IoT 資料與分析
IoT 技術會產生非常大量的資料，您需要特殊的處理序和工具，才能將這些資料轉換成可據以採取行動的見解。常見的 IoT 技術應用和挑戰：
IoT 資安、安全性和隱私權
IoT 安全性和隱私權是所有 IoT 專案的重要考量。雖然 IoT 的技術可為企業營運帶來轉型，但未妥善保護 IoT 裝置可能會造成安全威脅。網路攻擊可能會危害資料、損毀設備，甚至會造成傷亡。
嚴密的 IoT 網路安全性 (例如 Azure Sphere) 應超越標準機密性措施，以納入威脅模型化。防止攻擊的首要步驟是了解攻擊者可能會危害系統的不同方式。
規劃和開發 IoT 安全性系統時，請務必為您平台和系統的每個步驟 (從 OT 到 IT) 選擇適合的解決方案。 Azure Defender 等軟體解決方案可在指定的系統中提供您所需的保護。