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AIoT的智慧應用

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AIoT的智慧應用
  • 作者

    楊朝棟
  • 簡介

    楊朝棟終身特聘教授目前服務於東海大學資訊工程學系並兼任圖書館館長,亦為國家實驗研究院國家高速網路與計算中心兼任研究員。楊教授研究領域包括雲端計算、大數據、平行處理,近年的研究主題以雲端及大數據的系統架構與服務、智慧物聯應用、機器與深度學習應用等為主。其研究成果豐碩且榮獲多項國家或部級獎項,曾獲2018年資訊月傑出資訊人才獎、科技部產學傑出獎與優良獎與教育部優良課程獎等。

  • 單位

    東海大學
  • 文章來源

    Endah Kristiani; Chao-Tung Yang; Chin-Yin Huang; Po-Cheng Ko; Halim Fathoni, On Construction of Sensors, Edge, and Cloud (iSEC) Framework for Smart System Integration and Applications, IEEE Internet of Things Journal, 2020. https://ieeexplore.ieee.org/document/9122603
    2. Chen-Kun Tsung; Chao-Tung Yang; Shun-Wen Yang, Visualizing Potential Transportation Demand from ETC Log Analysis Using ELK Stack, IEEE Internet of Things Journal, 2020. https://ieeexplore.ieee.org/document/9001068
    3. Endah Kristiani; Chao-Tung Yang; Chin-Yin Huang, iSEC: An Optimized Deep Learning Model for Image Classification on Edge Computing, IEEE Access, Vol. 8, 2020. https://ieeexplore.ieee.org/document/8981999
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  隨著大數據(Big Data)、人工智慧(AI)和物聯網(IoT)的興起,智慧系統與應用影響到日常生活的許多層面,也為智慧計算基礎架構創造了機會。最近,第四次工業革命揭開了智慧製造的時代,它藉助新興技術來收集和分析數據,並透過智慧物聯網(AIoT)應用程式從數據中獲取知識和效率。因此,我們提出了一個iSEC框架,該框架可用於感測器、邊緣和雲端計算基礎架構。該項目部署了智慧雲邊緣計算架構,以在雲端或邊緣環境中提供機器學習和深度學習功能。邊緣運算是一種分散式運算的架構,將應用程式、數據資料與服務的運算,由網路中心節點,移往網路邏輯上的邊緣節點來處理。由於邊緣節點更接近於用戶終端裝置,可以加快資料的處理與傳送速度,減少延遲。在這種架構下,資料的分析與知識的產生,更接近於數據資料的來源,因此更適合處理大數據。以工廠為例,各項物聯網相關設備裝置所產生的數據,將會透過邊緣機器學習的相關演算法進行運算,再回饋到物聯網相關設備,使工廠變得更具智慧,進而優化生產、節能、設備監診、預防性維護等。應用範圍與發展方向涵蓋智慧家庭、智慧醫療、智慧工廠、智慧農漁業、與智慧城市等。


  眾所周知,人工智慧(AI)與物聯網(IoT)技術的價值是相輔相成。根據Gartner的預測,到2022年,80%的企業物聯網項目將包括AI解決方案。到2025年,全球將有超過500億個互聯設備,產生180 ZB——相當於1800億個1TB的海量數據輸出。《全球人工智慧研究報告》指出,到2030年,人工智慧將使全球GDP增長14%,貢獻15.7萬億美元。根據麥肯錫的研究,到2025年,全球物聯網的應用產值將高達11.1萬億美元;到2030年,人工智慧預計將帶來13萬億美元產值。智慧物聯網(AIoT)藉助新興技術來收集和分析數據,並通過人工智慧和物聯網應用程序從數據中獲取知識和效率。該調查亦指出:亞馬遜、微軟、英特爾、ARM和其他索引公司正在積極部署邊緣計算以擴展AIoT生態系統。AIoT正在改變世界!

  AIoT推動了全球技術產業鏈上、中下游製造業的巨大需求。例如,在工廠中,將使用特定的雲機器學習算法來測量由各種與IoT相關的設備所產生的數據,然後反饋到與IoT相關的機器,使工廠變得更智慧,以實現自動化製造、節省電力、跟蹤和診斷機械、進行預防性維護等作業。應用和開發方向的範圍包括智慧家居、智慧醫療保健、智慧工廠、自駕車、交通管理、商業服務以及金融技術等。

  人工智慧技術使機器能夠從外部數據中學習,進行預測分析或在分析後協助決策。因此,IoT通訊數據的傳輸速度對於AI自主推理系統的計算至關重要。這三項核心技術包括嵌入式系統和傳感器、雲數據和分析、人工智能和邊緣計算應用程序。

  1. 嵌入式系統和感測器:嵌入式系統通常是為特定目的而定制,並由整合性軟、硬體開發的封閉系統。傳統的物聯網控制操作由配備嵌入式系統的感測器執行,並透過感測器收集數據。
  2. 雲數據和分析:雲端計算服務可以分為三種模型——基礎架構、平台和軟體(IPS)。提供雲端計算服務的技術公司也已開始積極整合數據資源並增強AI產品,這表明AIoT行業正在蓬勃發展。
  3. AI和邊緣計算應用程序:邊緣計算是一種分散的計算體系結構,可將應用程序、數據和服務從網路中心節點移至網路邏輯邊緣節點進行處理。由於邊緣節點距離用戶終端設備更近,因此它可以加快數據的處理和傳輸速度並減少延遲。在這種結構下,數據分析和知識的生成更接近於數據源,因此它們更適合處理大數據。

  邊緣計算是工業和製造業中最有前途的技術之一,是智慧製造和工業4.0加速橋。但是,邊緣計算不僅限於此。我們提出了一個iSEC框架,該框架可用於感測器、邊緣和雲端計算基礎架構。首先,我們需要開發或使用智慧感測器、邊緣和雲端(iSEC)框架的相關技術。為了構建智慧邊緣計算環境,該框架使用Raspberry Pi 4和Jetson Nano作為邊緣設備。

圖一:iSEC框架組織圖
圖一:iSEC框架組織圖

  另外,它使用訊息序列遙測傳輸(MQTT)協議,透過具有低距離、低功率傳輸特性的遠程廣域網(LoRaWAN)傳輸數據。為了提供智慧系統,該項目應用了機器學習算法來構建模型並將其推斷到邊緣設備。圖2描述了我們系統的框架和MQTT通信方案,我們使用兩個應用以評估iSEC框架,分別是空氣品質監測系統和物件辨識的項目。將來,這項研究將進一步加強邊緣計算,例如擴大邊緣節點的數量,以用於更多智慧服務與應用。

圖二:MQTT傳輸協議架構圖
圖二:MQTT傳輸協議架構圖

 

 延伸閱讀-科技部(科技大觀園) 

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