Intelligent System Based on Cloud and Internet Of Things: 基於雲端物聯網之智慧型系統

By Jian Ming-Shen and 簡銘伸

本書為一技術報告。主要介紹開源雲端運算平台的建立與物聯網系統整合。透過雲端運算資源在遠端建立虛擬機器，並基於虛擬機器與網際網路，結合位於在地端的物聯網感測元件及組件，經過智慧演算法的計算後，提供不同系統使用者客製化、差異化的服務。本技術報告主題內容分為：1. 前端物聯網IOT元件之設計與改良；2. 開源雲端運算平台建置；以及3. 整合物聯網與雲端之智慧型系統與服務開發。

透過電子產品編碼特性區分並辨識出各個物聯網感測元件及組件；本技術報告並提供安裝、設定等雲端服務套件之教學步驟，讀者可利用本技術報告內容自行建立雲端叢集服務，包含資訊或演算法服務之虛擬機器、Hadoop或雲端資料庫；而結合雲端運算智慧系統與在地端的物聯網設備，將可以更有效、更方便的提供使用者優質的服務模式。<

• Language: 中文
• Publisher: EHGBooks
• Release date: Mar 1, 2019
• ISBN: 9781625037657

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摘要

本技術報告主題內容分為1.前端物聯網IOT元件之設計與改良；2. 開源雲端運算平台建置；以及3.整合物聯網與雲端之智慧型系統與服務開發。其中前端物聯網IOT元件之設計與改良，隨著IOT(Internet of Thing)物聯網的推廣與普及，目前有相當多的應用出現在生活周遭。在整個物聯網的應用裡，配合可攜式、嵌入式的感測元件所建構的環境，相當需要重視的課題即為電力的供應。如何讓遠端的物聯網感測元件獲得電力，以便取得環境資訊，在本技術報告中，提出以多樣性綠色能源作為電力來源，經過蓄電後使感測元件可以蒐集、傳遞資訊。而利用EPC RFID的唯一電子產品編碼特性(Unique ID)以及USB設備描述的方法，可以將相同廠牌、種類的感測元件，區分並辨識出各個感測器。

當前端資訊取得之物聯網技術取得電力、並能夠被區分辨識之後，即可將感測得到之資訊與數據傳送到後端的雲端平台上。本技術報告透過開源雲端運算平台建置，以Windows及Linux型態之雲端組態，針對區域與廣域環境進行服務。為了能夠發揮雲端運算的優勢：一次規格化虛擬環境設定、大量頻繁性與重複性建立相同運算環境之虛擬機器，本技術報告提供建構完整Ubuntu Enterprise Cloud雲端運算平台之方式，並透過安裝、設定等雲端服務套件之教學步驟，搭配雲端運算所需要的實體硬體特定條件，利用網際網路為基礎架構，使非IT資深工程人員也能夠利用虛擬化技術之教學步驟，建立雲端叢集服務。爺能夠讓雲端學習者，在遠端的使用者於儲存空間有限、運算資源不足的情況下，透過網路取得伺服器上包含遠端虛擬機Virtual Machine、以及數據運算如 Big Data的Hadoop/MapReduce服務，相關資訊與數據亦能儲存於雲端空間如HBase之NoSQL資料庫；透過虛擬化技術與Hypervisor如Openstack與Cloudstack，可以將資源池內的硬體運算資源轉化為虛擬資源並整合為虛擬機以提供服務；基於網路多樣性服務API，並結合Genetic Algorithm演算法，提供智慧型的系統。因此，透過本技術報告所提供之安裝步驟，可以輕易規格化並建構出雲端虛擬機器、並建構所需要之雲端資訊應用服務；舉凡整合物聯網與雲端之智慧型系統與服務開發，包含1.雲端教育學習環境(雲端虛擬技術應用、物聯網技術)，讓教學環境可以透過雲端大量佈建，並且能夠迅速地重新利用運算資源；2.雲端演算法運算之最佳化問題搜尋(雲端虛擬技術、演算法)，加快最佳化問題之收斂，找出問題之最佳解答；3.雲端智慧電網之電力調配(雲端虛擬技術、演算法、物聯網技術)，利用自體發電物聯網設備加入電力網路，可以預估、調配可用的電力；以及4.雲端智慧家庭與智慧家電(雲端虛擬技術、演算法、物聯網技術)，客製化、差異化的資訊服務；都能夠獲得實踐。

研究成果方面，利用結合Internet of Things (IOT)物聯網技術與Cloud雲端運算環境，可以使智慧型系統與智慧型服務可以更為容易取得。本技術報告的研究成果，除了於2016獲得宏碁(Acer)公司的產學合作計畫1件(金額 新台幣五十萬元)；亦於Facebook社群平台或私有雲設備上建構資料蒐集與資訊服務3件，獲得相關技術授權金(金額 新台幣十九萬五千元)，雲端教育學習之資訊志工服務獲得教育部通過3次(金額合計 新台幣五十二萬元)、以及雲端作業系統課程發展計畫課程教材開發補助(金額 新台幣十萬元)；並獲得物聯網新型專利2項(其中1項已於2017核准尚未領證)，參與競賽獲烏克蘭國際發明展獲得金牌獎1面、銀牌獎1面、特別獎獎盃1座，台北國際發明暨交易展銅牌獎1面，國內競賽獲得第三名1次、2次佳作、1次特優，並入圍多次決賽；相關學術成就，既有授權出版專書1本、專書之專門章節1篇，本技術報告成果與應用，亦衍伸有論文多篇刊登發表，雲端教育學習環境、物聯網技術相關研究論文於SCI/SCIE等級期刊論文共計1篇，與EI等級之期刊2篇，具審查機制之期刊論文合計篇，與國際研討會論文13篇(其中EI等級9篇)，其中雲端智慧電網之電力調配相關研究論文內容還獲得IEEE ICASI 2016最佳論文獎1篇、雲端智慧家庭暨智慧服務相關研究論文獲得IEEE ICACT 2017 傑出論文獎1篇。

目錄

摘要

目錄

序、研究說明

1. 研發理念

1.1 研究動機

1.2 技術研發理念

1.3技術內容大綱

2. 學理基礎

2.1現階段物聯網概況

2.2雲端運算的學理基礎

2.3 現階段雲端運算的組成架構

2.4 現階段雲端運算的服務型態

2.5 數位學習的服務型態

3. 主題內容

3.1 物聯網與雲端操作環境配置說明

3.2本研究的主題內容

4.方法與技巧

4.1. 物聯網IOT元件之設計與改良

4.2. 開源雲端運算平台建置

4.3. 開源雲端運算平台建置 – 硬體資源虛擬化技術的應用

4.4智慧型系統與服務開發

5. 成果貢獻

近七年所有專利

序、研究說明

以下就本技術報告在研發理念、學理基礎、主題內容、方法技巧、以及成果貢獻作一簡要說明

研發理念

Internet Of Things (IOT)物聯網技術，其目的為萬物皆可連上網際網路；但是且考量實際應用環境需求，相同感測元件於不同應用環境將會有不同的供電距離；利用參考著作中所列之2016年取得發明專利，IOT感測元件將可以獲得電力供應，則透過無線供電使IOT物件回傳感測資訊便成為可能。換言之，物聯網感測元件前端的資訊數據將可以回傳到後端進續處理。

而現今的網際網路應用，除了來自物聯網前端的資訊與數據，如何處理資訊與數據，並提供相對應的智慧型服務予處於遠端的使用者，亦相當重要。考量現實產業界對於大數據分析與處理、雲端智慧型服務等人才欠缺，而不同產業、不同公司之數據具有相異性與機密性，要針對數據做智慧型加值服務、分析並預測產業趨勢，都相當的困難；本技術理念透過開源作業系統，提供一般IT人員建構私有雲，無論是區域網路或廣域網路，依照使用者需求自行調整雲端資源與服務內容，透過整合物聯網技術與雲端運算，提供智慧型加值服務，並藉此降低數據分析應用服務的門檻，達到萬物皆可聯網、智慧型服務與系統普及的目的。

而雲端運算蓬勃發展無論是微軟Amazon、Google等跨國企業皆已投入相當多的人力與財力做開發，包含Amazon Elastic Compute Cloud（EC2）或Amazon Simple Storage Service（S3）雲端服務、Windows Azure的Windows Live Services雲端服務等，此類型的雲端環境建構多半具有大型資料中心（Data Center），如Amazon Web Services （AWS）、Google App Engine （GAE），且可能需要付費才能取得服務。考量產業的資訊機密性、安全性與管理方式，將公司區域網路內部資訊環境與運算皆於遠端的公有雲雲端平台做處理，變得並不可靠；再者，並非所有服務都能夠直接的於雲端運算平台上取的，部分的資訊分析與智慧型服務仍存在有客製化的需求；而考慮到實體運算資源、雲端環境、實際應用服務方式，要能一次規格化虛擬環境設定、大量頻繁性與重複性建立相同運算環境之虛擬機器，降低維護與管理成本，於企業是相當有吸引力的。而就現實產業環境中，要能夠自行建構雲端運算環境的資訊工程人員相當缺乏，利用虛擬化技術達到產業的資訊化與工業4.0環境，尚需更多的實際驗證與協助。

學理基礎

而物聯網IOT感測元件，其運作除了本身的感測元件，仍然需要有一中介硬體，負責將感測元件所察知的環境參數數值，回傳給後端應用服務。因此為了能夠讓遠端物聯網IOT的所有硬體與電子元件正常工作，設計與改良供電充電方式是必然需要的；現實中已經有許多能夠自體發電供電的模式或是設備，例如：太陽能板、風力發電等，利用樞合多樣性綠色能源，適性化因地制宜，動態的調整供電方式，讓遠端物聯網IOT感測元件穩定運作；此外，依循EPC Global組織之標準，電子產品編碼EPC所使用之無線射頻辨識標籤RFID Tag，具備唯一編碼的特性(Unique ID)，任何RFID標籤編碼都不會有所重複，因此能夠透過EPC編碼方式，區分各個物聯網IOT感測元件；而利用既有的USB溝通模式，於物聯網IOT感測元件上提供設備描述Device Description，則當感測元件連結上系統網路，便能夠主動提供元件之操作、設定、控制方式。

雲端運算技術，包含了傳統的分散式系統Distributed System以及平行處理Parallel Processing，透過將異質性的實體機器群組之後(Cluster)，利用切割運算工作與適度的排程，將大量計算任務予以切割成多個子任務，交由多部計算主機執行的分散式計算（Distributed Computing）便順應而生，而多個子任務的運算結果最後統一合併（merge）成單一結果，也就是將集合個別獨立電腦的分散式系統以單一電腦型態提供給系統使用者的方式。而雲端運算更是基於網際網路，將系統中的軟體與硬體元件位於網際網路上，透過此方式所分享的運算資源、軟體與資訊將會透過預先安排或設定的網路，且彼此行為的溝通與協調僅透過訊息傳遞的方式，提供給使用者端的電腦或行動裝置，使運算不再局限於單一或特定機器，也不再局限於特定位置或區域，只要能夠連結上網路，任何時間地點都可以享受具有高效能的運算服務，即是雲端運算應用之學理定義。

除此之外，利用虛擬化技術，可以將運算資源如CPU、Memory、硬碟儲存空間等，皆予以整合為單一的運算資源池(resource pool)，因此可以基於使用者的需求，自資源池中建構一虛擬化機器(虛擬機)，提供如一實體電腦一樣的操作環境與方式，且能夠將所使用的環境紀錄，成為一特定虛擬機之運算資源環境標準，未來使用者可以直接使用預先規劃好運算資源的虛擬機。因此透過預先規劃，可以將虛擬機予以規格化，在大量相同運算資源規格、相同資訊應用服務之需求產生時，可以利用一次建立規格化虛擬機，大量開啟以提供頻繁且類似(或重複)之使用者需求或應用，也就是達到「一次規格化布建、大量頻繁性與重複性建立」的服務。

主題內容

本技術報告主題內容分為1.前端物聯網IOT元件之設計與改良；2. 開源雲端運算平台建置；以及3.整合物聯網與雲端之智慧型系統與服務開發。其中前端物聯網IOT元件之設計與改良，除了考慮物聯網IOT感測元件之電力供應來源的改良，還包含了新型專利的智慧電源開關，協助傳統開關控制之感測元件，能夠智能化，並且透過軟硬體的改良設計，將傳統家電、新型態智慧家電，可以透過網路做元件(或家電)辨識，提供資訊資料以便後續應用服務使用；而開源雲端運算平台建置，包含建構設定與安裝手冊，使技術人員可以依循步驟建立開源作業系統之叢集電腦環境用以擴增運算資源池之空間與容量，並且實際將虛擬化技術應用過程手冊化，利用不同的雲端虛擬層技術與套件，建構所需運算資源之對應虛擬機器；最後改良既有之演算法，在處理來自前端之物聯網元件資訊後，能夠相對應的提出智慧型系統與服務，針對不同服務需求與目的，於雲端上做資訊應用開發。在實際環境應用上，本技術報告屬於實際應用階段，在實際建置時仍淤要考慮硬體資源、網際網路環境等因素，以建立適合的應用服務。

方法與技巧

物聯網研究的技術核心在基於建立適當的傳輸與供電模組之後，利用充足的電力與網際網路的連線，將物聯網設備的資訊回傳給後堆雲端運算平台，使雲端運算平台可以透過建立其上的智慧型系統與服務開發，針對物聯網訊息做分析與服務的回應。

換言之，透過參考著作中相關發明專利(Antenna Structure、具有樞合天線模組之無線充電裝置、以及無線傳輸綠能系統及其組合方法)之電能供應、傳輸、蓄積，物聯網之感測設備將可以取得電力，成為智慧型應用服務的前端設備；相反的，多數的運作模式或服務方式都是把運算的需求改由後端雲端執行。本技術報告中，雲端技術分為三個部分：開源雲端運算平台建置、虛擬化技術應用、智慧型系統與服務開發。並且依照實際硬體環境與服務需求，建立不同假設或需求前提下之雲端智慧型應用服務。

我們在第一部分開源雲端運算平台建置中，利用開源作業系統Linux型態的Ubuntu環境與一般的微軟作業系統，並建構了不同假設環境與需求的雲端平台與服務，同時考量產業內部資訊管理需求，無硬碟環境也一併的建置。Linux型態的Ubuntu雲端伺服器安裝畫面如下圖。

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而在上述的雲端作業系統環境建構之後，便需要透過Hypervisor或是Virtual Machine Management (VMM)來建立虛擬化技術應用，由於雲端運算環境之運算資源來自於叢集後的大量實體機器，因此如何建立管理機制便是相當重要；在一般管理機制裡，須包含有雲端控制者Controller、網路端點管理Network Node、以及運算節點Computing Node；而這些端點與管理機制通常也都是由相同之作業系統所建立，因此如何設定與網路連結便相當重要。為了能夠建立虛擬化技術之環境，本技術報告提及了Openstack與Cloudstack兩種機制。下圖為使用Cloudstack所建構之雲端遠端使用者登入介面。

而透過虛擬化技術，將可以達到客製化的巨量資料分析以及多虛擬機環境佈建，因此本技術報告的第三部分，基於雲端運算平台建置、虛擬化技術應用，進而達到智慧型系統與服務開發。此部分包含後端的資料分析演算法、以及前端的物聯網，利用物聯網取得遠端資訊與數據，透過網際網路傳送到後端交由演算法進行資料分析與處理。下圖為利用API與演算法整合所建構之雲端大數據分析結果畫面。

運算評價

成果貢獻

在創新性方面，本技術報告相關研究利用於2016年取得之中華民國發明專利3項，新型專利5項，1項美國發明專利，使得前端物聯網IOT感測元件能夠透過自體電力供應的方式獨立運作，並且供電感測元件作環境資訊蒐集；本技術報告之前端物聯網IOT元件之設計與改良主題成果，並獲得2016第十二屆烏克蘭國際發明展金牌獎、特別獎、銀牌獎各一項，2016台北國際發明暨交易展銅牌獎一項，獲得國際創新發明展覽對本研究創新性的肯定。而整合物聯網與雲端之智慧型系統與服務開發，研究成果之雲端綠能智慧電力規劃與調配服務，獲得IEEE ICASI 2016最佳論文獎，研究成果之雲端智慧家庭暨智慧服務，獲得IEEE ICACT 2017國際研討會之傑出論文獎。雲端運算研究部分研究內容亦已包含於中華民國雲端應用服務管理師(乙級證照)考試內容中。

在可行性方面，本技術報告研究搭配感測器，可以依照感測器應用環境調整樞合天線尺寸，搭配輪胎胎壓感測器，經調整天線尺寸與供電模組，可以符合歐盟、美國、台灣、中國等關於輪胎胎壓感測之法規，可於汽車啟動6秒內立即供電胎壓感測器並完成胎壓值回報，使後端行車中控電腦或是雲端監測設備可以即時查知目前行車安全狀態。可行性無虞。透過整合物聯網感測器與雲端虛擬化服務，本技術報告已具有商用雛形，可以提供使用依照應用環境調整服務內容，確保透過網際網路的遠端使用者可以正確操作物聯網上的物件與設備；實際可行性測試案例上，搭配延長線電源開關、家用電器，可以符合雲端物聯網之智慧化與客製化服務；利用使用者給訂關鍵字詞，可以利用雲端演算法直接搜尋並取的相關差異化、個人化所需資訊，並將資訊做大數據分析。可行性傑出。

而就大數據分析、演算法與客製化服務建構上，透過本技術報告所提之多虛擬機與服務容器方式，可以大幅降低產業資訊人員的使用門檻，本研究可以以物理性替換方式，即可達到相關網際網路的安全性，並利用使用者瀏覽器登入方式，即可建立所需的演算法服務，無須花費時間、人力等重新建構，大幅降低成本，重要性可由此證明。

本技術報告中所提之研究成果已經透過宏碁Acer股份有限公司產學合作計畫(總金額500,000元)進行研究與使用，作為其雲端的服務之一。且利用雲端運算與物聯網整額，此類技術亦可以布建於智慧型家庭與智慧型服務，本技術報告中，雲端運算與虛擬化技術，所提供之智慧型系統與服務，已經建構出智慧型家電家庭環境以及數位教育應用(教育部資訊志工計畫、教育部雲端作業系統課程發展計畫，合計總金額新台幣420,000)，在非商業應用測試環境中，智慧型家電家庭環境已經可以提供遠端使用者透過雲端差異化服務虛擬機，對於所需要使用的物聯網家電做設定與操作；而數位教育應用方面，也已經於國立科學工藝博物館做出展示，並且於偏鄉地區國民小學提供部分小朋友做學習，小學生回饋意見皆為相當有興趣，家長也主動的尋求希望能持續提供雲端服務。因此本研究具有高度的實務應用價值。而企業資訊服務應用，也透過的技術授權，讓業界可以使用到本技術報告的成果，可行性顯而易見。

而利用雲端技術結合物聯網，對產業的具體貢獻方面，由於一般中小型產業界並無法額外聘用資訊之專任人員，因此普遍無法在資訊服務與資訊安全上做管理，透過本技術報告內的雲端建構方式與虛擬化技術應用，可以直接建構各企業單位的私有雲，資訊安全管理上可以更有效率，本研究可以以目前的網路架構，透過物理性的抽換，即可達到管理的效果。而透過利用本技術報告之雲端物聯網整合，可以使遠端監控感測器與雲端運算資源結合，針對大數據內容作分析與處理，無論是數位學習中學習者的學習狀態，或是網際網路資訊蒐集與數據分析，都已達商用應用雛形，大幅降低一般中小型企業資訊管理的困難度，並且足以提供相對應數據分析之服務，可媲美歐洲數據分析公司的應用。

成果摘要