物聯網（IoT）是什麼？物品連上網路的原理與注意事項
物聯網（IoT）是在身邊的設備裡，放進感測器、小電腦和通訊功能的機制。它能經由網路收集資料，也能從遠處操作設備。它的運作可以分成「物品、通訊、雲端、應用程式」4個部分。雖然方便，但也發生過沿用預設密碼的設備被入侵的事件。
這篇文章可以了解
- 構成物聯網的4個部分，以及在家庭、工廠中的用法
- Wi-Fi、BLE、LPWA、行動網路的使用區分
- 資料要在設備附近處理，還是在雲端處理
- 物聯網設備被入侵的手法，以及日本與其他地區的對策
先備知識：不需要。先讀過「微控制器（MCU）是什麼？」或「Wi-Fi是怎麼運作的？」，會比較容易理解。
生活中的例子
人在外面，用手機確認家裡大門有沒有鎖好。用攝影機看看獨自在家的寵物。能做到這些事的設備越來越多了。這些設備本身都連上了網際網路。
電腦、手機這類一看就是電腦的機器以外，其他物品也連上網路。這就稱為物聯網（IoT，Internet of Things）。
家裡的電表也是其中之一。「智慧電表」會透過通訊，把用了多少電傳送給電力公司。以日本為例，東京電力Power Grid公司到2021年3月底，已裝設約2,840萬台。範圍涵蓋供電區域內幾乎所有的住宅和事業單位。抄表員不必挨家挨戶查看，也能知道用電量。
在工廠，物聯網用來監看機器的狀況；在物流，則用來掌握貨物的位置和溫度。
物聯網由4個部分組成
物聯網設備的種類很多，但把內部拆開來看，多半由同樣的4個部分組成。這裡為了簡化說明，分成4個部分。實際的分法依書籍或公司而有些不同。
- 物品：具有感測溫度、亮度、動作等，並轉換成電訊號的零件。這個零件就是「感測器」。讀取感測器的數值並做判斷的，是裝在裡面的小電腦（微控制器）。
- 通訊：把讀到的數值，用電波或線路傳到外部。
- 雲端：網路另一端的電腦，收集並記錄大量設備的資料，依照規則做判斷。
- 應用程式：人用手機或電腦查看結果，或對設備下指示。
資料從①流向④，操作的指示則反方向，從④送到①。微控制器的內部請看「微控制器（MCU）是什麼？」，雲端請看「雲端運算是什麼？」。
從設備把簡短資料傳到雲端時，常使用一種叫MQTT的規則。它的特色是在傳送端和接收端之間，放一台居中轉交的伺服器。接收端會先告訴這台伺服器，自己想要哪一類資料。傳送端即使不知道接收的是誰，只要交給這台伺服器，資料就會送達。
家庭的例子：智慧門鎖
用大門的鎖來看看這4個部分。裝在現有門鎖上、讓人能用手機開關鎖的產品，稱為「智慧門鎖」。每個產品的機制不同，這裡簡化成典型的形式。
①物品：本體裡有轉動門鎖旋鈕的馬達，以及感測門是否關上的感測器。例如，感測器可以偵測裝在門框上的磁鐵是否在附近。裡面的微控制器會執行「門關上一會兒後就上鎖」這類規則。
②通訊：在家裡時，手機和本體以藍牙中省電的方式，也就是低功耗藍牙（BLE）直接連線。要在外面使用，一般會放一台連上家中Wi-Fi的中繼器。用電池運作的本體以BLE和中繼器溝通，中繼器再透過Wi-Fi連上網路。像這樣在不同的通訊方式之間搭橋的設備，稱為閘道器。
③雲端與④應用程式：開關鎖的紀錄會留在廠商的雲端，可以在應用程式中查看。在外面按下「上鎖」，指示會依序送到雲端、中繼器、本體。
工廠的例子：在機器故障前察覺
在工廠，只要1台馬達停下來，有時整條產線都會停擺。因此，物聯網被用來監看機器的狀況。
①物品：在馬達上安裝測量搖晃（振動）的感測器。因為支撐旋轉的零件開始損耗時，搖晃的大小和細密程度有時會慢慢改變。微控制器從短時間內反覆測得的數值中，只算出搖晃大小等重點。
②通訊與③雲端：把重點透過工廠的網路或無線傳到雲端，記錄好幾個月。如果持續出現和平常不同的變化，就通知負責人員的④應用程式。
收到通知的人，可以在故障前規劃更換零件。從資料中找出故障的前兆，提前修理的做法，稱為「預測性維護」。和每隔固定期間更換的方法相比，不必丟掉還能用的零件，也能減少突然停機。不過，有些故障不太會出現前兆，並不是所有故障都能預測。
通訊的選法：距離、資料量、電力
物聯網使用的通訊方式有很多種。選擇時的參考有3個：要傳多遠、傳多少資料、能多省電。沒有一種方式能同時滿足這3點，所以要放棄其中一點來選。
- Wi-Fi：在家裡或公司內，可以傳送攝影機影像這類大量資料。耗電較多，適合接電源的設備。
- 藍牙（BLE）：在數公尺到數十公尺的近距離內，以省電的方式傳送少量資料。會和手機或中繼器搭配使用（「藍牙是什麼？」）。
- LPWA：大幅降低速度，換來以很少的電力傳到數公里以上。下面會詳細介紹。
- 行動網路（4G、5G）：範圍廣，也能傳大量資料。適合行駛中的汽車，以及有電源的遠處設備（「5G是什麼？」）。
低功耗廣域網路（LPWA）有4種代表性的方式。
- LoRaWAN：使用免執照的電波，是業界團體LoRa Alliance的規格。接收電波的基地台也可以自己設置。
- Sigfox：使用特定業者的網路，傳送極短的資料。設備1次最多只能傳12位元組（相當於12個半形英數字）。
- LTE-M：把行動電話4G（LTE）的技術，改成適合物聯網的省電方式。移動中也能使用。
- NB-IoT：同樣以行動電話的技術為基礎，把使用的電波頻寬變得更窄。適合電表這類固定不動的設備。
LTE-M和NB-IoT的規格，是在2016年由制定行動電話規格的團體3GPP完成的。兩者都要和電信業者簽約使用。距離和速度的參考值，整理在「Wi-Fi、藍牙與LPWA的差異」的表格中。
讓電池用上好幾年的方法
LPWA或BLE的設備中，有些能靠電池運作好幾年。秘訣是幾乎所有時間都在睡覺。
例如，想像一個1小時只傳送1次溫度的設備。它醒來測量，在短時間內傳完後，又回去睡。睡覺時會停掉大部分的電路，只用極少的電。
這種休息的狀態，稱為睡眠模式。鈕扣電池能撐幾年的計算，在「微控制器（MCU）是什麼？」中介紹過。相反地，一直傳送影像的攝影機，就必須接電源或充電。
在哪裡處理？邊緣與雲端
收集到的資料，不一定全部送到雲端處理。也可能在設備內部，或工廠裡的電腦處理。因為是在網路的邊緣（edge）處理，所以稱為「邊緣運算」。
在本地端處理的理由，主要有3個。
- 反應速度：往返雲端一趟，就要多花一段時間。像緊急停止機器這種判斷，要在本地端做。
- 通訊量：如果把影像或細微振動的紀錄全部送出，線路和費用都會不夠。先在本地端整理成重點再送。
- 隱私：家中的影像和聲音不送出去，只送「有人來了」這個結果，就能降低外洩的疑慮。
另一方面，比較數千台設備的紀錄，或調查長期的變化，是雲端擅長的工作。實際上會兩者搭配使用。在本地端設備上執行AI的話題，請看「NPU是什麼？」。
跨越廠商的差異：Matter
智慧家庭的設備長期以來，各家廠商的應用程式和連線方式都不一樣。例如，無法用某家公司的智慧音箱，操作另一家公司的燈泡，十分不便。
於是業界團體CSA制定了共通規格「Matter」。CSA的正式名稱是Connectivity Standards Alliance。Amazon、Apple、Google也有加入。CSA在2022年10月發表了第一個版本Matter 1.0。目標是只要是支援的設備，即使廠商不同，也能用同樣的方式連線。
Matter 1.0在Wi-Fi、有線區域網路（乙太網路）、Thread這3種通訊上運作。Thread是省電的無線通訊，由接電源的設備擔任中繼，像網子一樣把電波串起來。初次設定使用BLE。1.0的對象是照明、空調操作、門鎖，以及電視等影音設備等。
小設備也會被入侵
物聯網設備雖小，內部卻是一台不折不扣的電腦。所以也會像電腦一樣被入侵、被控制。它沒有螢幕，擁有者很難察覺異常，這一點對攻擊者也很有利。
有名的例子，是2016年擴散的惡意程式「Mirai」。它會尋找連上網路的監視攝影機、錄影機等設備，並從遠端操作用的入口嘗試登入。它使用一份數十組帳號與密碼的清單。這些組合常常一直維持出廠時的預設值，沒有被改掉。
把大量被入侵的設備，變成能從遠處統一操控的群體，稱為「殭屍網路」。根據2017年在美國學術會議發表的研究，被Mirai及其變種入侵的設備，在2016年11月最多約有60萬台。
殭屍網路會被用來同時送出大量資料，讓對方的服務停擺。這種攻擊稱為DDoS攻擊（分散式阻斷服務攻擊）。2016年10月21日，美國的Dyn公司成為攻擊目標。這家公司為許多企業提供把網站名稱轉換成IP位址的服務（DNS）。受此影響，以美國為中心，Twitter、Netflix等網站變得難以連線。Dyn公司承認，Mirai的殭屍網路參與了這次攻擊（DNS請看「DNS是什麼？」）。
美國政府的US-CERT（現在的CISA）在2016年10月發出警告。Mirai只在設備的記憶體中運作，所以重新開機就會消失。不過，它也指出：如果不改密碼，很快就可能再次感染。
日本與其他地區的對策
以日本為例，日本總務省與情報通信研究機構（NICT）等單位，在2019年2月20日開始了名為「NOTICE」的計畫。NICT會對能從網路連線的日本國內設備，試著用容易猜到的帳號和密碼登入。能登入的設備，會透過網路服務供應商通知使用者，請對方重新檢查設定。
根據總務省和NICT的說明，測試只到確認能否登入為止。不會進入設備內部更改設定或查看資料。從2024年度起，仍留有軟體弱點的設備，以及已經被感染的設備，也加入了調查對象。這類弱點稱為「漏洞」。
日本也有讓購買者能選擇安全產品的標示。日本的資訊處理推進機構（IPA）在2025年3月，開始了為物聯網產品貼上標籤的制度「JC-STAR」。第一階段的★1，是由廠商自行確認產品符合所有產品都應具備的最低限度對策，並加以宣告。更高的★2～★4，則依產品種類訂定標準。
在歐盟，要求連網產品具備安全對策的法律「網路韌性法案」，已在2024年12月生效。回報已發現漏洞的義務從2026年9月起適用，大部分規定則從2027年12月起適用。兩者的差別在於：JC-STAR由廠商選擇是否申請，歐盟的法律則有遵守的義務。
使用者能做的事
- 第一次設定時，把密碼改成不容易被猜到的（「密碼為什麼會被破解？」）
- 安裝設備軟體的更新。透過通訊送來的更新稱為韌體空中更新（OTA），如果有自動更新的設定就開啟
- 關掉不用的功能，尤其是從外部操作用的入口
- 購買時，確認更新會提供到什麼時候。更新已經停止的設備，也要考慮換新
常見的誤解
誤解：物聯網設備很小，所以不必擔心被駭
實際上，就像前面看到的Mirai，曾有數十萬台攝影機和錄影機被入侵。小設備只要連上網路，內部就是電腦。1台的力量雖小，聚集很多台就能用在大規模的攻擊。因為外觀像家電，不像電腦那樣受到注意，才產生這個誤解。
誤解：物聯網一定需要5G
實際上，很多物聯網設備是用Wi-Fi或藍牙連線。根據調查公司IoT Analytics的2025年推估，32%是Wi-Fi，24%是藍牙。行動網路是22%，5G只是其中一部分。LTE-M和NB-IoT也是以4G的技術為基礎。因為5G有同時連接大量設備的目標，所以常被報導成「物聯網＝5G」。
誤解：物聯網設備的資料全部都會送到雲端
實際上，有些設備在本地端處理後只送出重點。也有不經過網路、直接和手機交換資料的用法。不過，送到雲端的產品也很多，會送出哪些資料，請看產品說明確認。因為容易以為「連上網路＝全部送出去」，才產生這個誤解。
從數字來看
| 項目 | 數字 |
|---|---|
| 全球連網的物聯網設備（IoT Analytics，2025年底的預估） | 約211億台 |
| 同一調查對2030年的預測 | 約390億台 |
| 物聯網設備通訊方式的比例（同上，2025年） | Wi-Fi 32%、藍牙 24%、行動網路 22% |
| 被Mirai及其變種入侵的設備（2016年11月的高峰） | 約60萬台 |
| 日本東京電力Power Grid公司的智慧電表（2021年3月底前裝設） | 約2,840萬台 |
IoT Analytics的數字不包含手機、電腦、平板。例如把串接感測器的中繼器算成1台，各調查公司的算法不同，台數都是推估值。
進一步學習
- 用表格看差異：Wi-Fi、藍牙與LPWA的差異、MCU與MPU的差異（物聯網設備「大腦」的選法）、TCP與UDP的差異（MQTT在TCP上運作）
- 下一步的用語：TLS（通訊加密）、防火牆（限縮來自外部的入口）、軟體物料清單（SBOM）（內部軟體的清單）
- 用數字試試看：dBm換算工具（電波強度的單位）、密碼暴力破解時間計算工具
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