Die 7 Hauptkomponenten des IoT-Ökosystems

Internet of Thigs (IoT) bezeichnet eine Sammlung miteinander verbundener Dinge, die in der Lage sind, mit oder ohne direktes menschliches Eingreifen in einem großen Netz zu erkennen, zu steuern und zu kommunizieren. Sie sind auch in der Lage, selbständig auf Veränderungen in der Umgebung zu reagieren, indem sie Prozesse auslösen und diese Informationen im Netz austauschen, um wertvolle Informationen über ihre Umgebung zu verarbeiten und zu generieren. Es handelt sich hierbei um eine etablierte, schnell wachsende Technologie, und bis 2025 werden mehr als 20 Milliarden Geräte als IoT-Geräte identifiziert.

Kernkonzepte des IoT sind "intelligente Objekte" und "intelligente Umgebungen". Ein intelligentes Objekt ist ein physisches Objekt, das mit einem Prozessor, einem Datenspeichersystem, einem Sensorsystem und einer Netzwerktechnologie für die Ko1TP14Kommunikation ausgestattet ist. Einige dieser Objekte können ihre Umgebung mit Hilfe von Aktoren beeinflussen. In Anlehnung an dieselbe Definition bezieht sich eine intelligente Umgebung auf den physischen Bereich, in dem intelligente Objekte eingesetzt werden und interagieren. Nachdem wir nun ein kurzes Verständnis des IoT-Rahmens erlangt haben, wollen wir uns nun mit den wichtigsten Komponenten des IoT befassen.

Ding oder Gerät

Dinge und Geräte im Internet der Dinge (IoT) werden als Komponenten wie Sensoren, Aktoren und manchmal auch als Wearables bezeichnet, die mit Sensoren und Aktoren ausgestattet sind. Diese werden in der physischen Schicht einer IoT-Architektur eingesetzt, die als Rückgrat des IoT-Rahmens fungiert. Die Hauptfunktionen dieser Dinge und Geräte sind das Erfassen und Sammeln von Daten aus der Umgebung und die Implementierung aller erforderlichen Kontrollmechanismen zur Steuerung der erforderlichen Variablen in der Umgebung.

1. Sensoren

Dies sind die Komponenten, die für die Erkennung und Erfassung von Umweltveränderungen und -werten verantwortlich sind. Heutzutage können Sensoren fast alles erfassen, von der Temperatur bis zum menschlichen Blutdruck, und fortgeschrittene Sensoren sind in der Lage, andere komplexe Dinge zu messen. Dank moderner Technologien wie der Very Large-Scale Integration (VLSI) können alle diese Funktionen auf kleinstem Raum untergebracht werden. VLSI hat eine neue Reihe von fortschrittlichen Sensoren hervorgebracht, die als mikroelektromechanische Systeme (MEMS) bekannt sind und heute in den meisten IoT-Anwendungen sehr häufig zum Einsatz kommen. Im Folgenden sind einige der am häufigsten verwendeten Sensorkategorien aufgeführt:

• Temperatursensoren: Diese Sensoren messen Temperaturschwankungen in der Erfassungsumgebung. Es gibt verschiedene Arten von Temperatursensoren, je nach Technologie der Temperaturerfassung, wie Thermoelemente, Thermistoren, IR-Sensoren und Widerstandstemperaturdetektoren (RTD)
• Näherungssensoren: Diese Sensoren erkennen die An- oder Abwesenheit eines nahe gelegenen Objekts oder dessen Eigenschaften. Es gibt verschiedene Arten von Näherungssensoren wie induktive Sensoren, kapazitive Sensoren, Ultraschallsensoren und fotoelektrische Sensoren.
• Sensoren zur Bewegungserkennung: Diese Sensoren erkennen jede physische Bewegung in einem bestimmten Bereich. Ultraschallsensoren, Passiv-IR-Sensoren (PIR) und Mikrowellensensoren sind einige der commonly eingesetzten Sensoren.
• Optische Sensoren: Diese Sensoren sind in der Lage, Lichtphotonen zu erfassen und sie in Signale umzuwandeln, um wichtige Informationen über die Umgebung zu interpretieren.
• Drucksensoren: Diese Sensoren erkennen jede Druckveränderung in der Umgebung des Sensors.
• Gyroskope und Beschleunigungsmesser: Diese Sensoren sind in der Lage, jede Drehbewegung und Beschleunigung zu messen.
• Chemikalien- und Gassensoren: Diese Sensoren erkennen das Vorhandensein bestimmter Chemikalien und Gase in der Umgebung. Es gibt verschiedene Arten und Familien dieser Sensoren, je nach Anforderung.
• Luftfeuchtigkeitssensoren: Sie messen die Luftfeuchtigkeit in der Umgebung.

2. Stellantriebe

Sie sind das Gegenteil von Sensoren. Sie reagieren auf die Umgebung in Abhängigkeit von bestimmten Anweisungen oder Sensordaten. Betrachten wir dies anhand eines Beispiels. Nehmen wir eine IoT-Anwendung in der Landwirtschaft zur Steuerung des Wasserflusses zur Vegetation. Zu diesem Zweck können wir Wasserstandssensoren und Bodenfeuchtesensoren verwenden, um den Wasserstand im Boden zu ermitteln. Nun können wir mit Hilfe von Pumpen durch die Steuerung eines Ventils Wasser bereitstellen. Dabei fungiert das Ventil als Stellglied. Wenn die Sensoren eine überschüssige Wassermenge erkennen, senden sie ein Signal an die Ventile, die als Aktoren die Pumpe schließen.

Die Art des eingesetzten Aktuators hängt von der Vertikalen und dem Anwendungsfall ab. Möglicherweise müssen sie einen Schalter ein- oder ausschalten oder ein Ventil steuern, wie in unserem vorherigen Beispiel, oder sie können erweiterte Aktionen wie Greifen, Drehen und Rotieren erfordern.

Konnektivität und Vernetzung

IoT-Anwendungen umfassen Geräte, Sensoren, Aktoren und eine Cloud, die miteinander kommunizieren, um Entscheidungen zu treffen und gesammelte Daten zu verarbeiten. Zu diesem Zweck ist es unerlässlich, Mittel zur Verbindung dieser Komponenten in einem IoT-Ökosystem zu schaffen. Daher ist die Konnektivität eine weitere wesentliche Komponente bei der Realisierung von IoT-Anwendungen. Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Communications-Methoden zur Herstellung von Konnektivität, nämlich: drahtlose Communication und kabelgebundene Communication. Die Wahl zwischen diesen beiden Methoden hängt ganz vom Anwendungsfall und der Branche ab.

Co1TP14Kommunikationsprotokolle

Sobald die Daten gesammelt und die erforderlichen Steuerdaten abgerufen sind, müssen diese Daten je nach Bedarf an die Cloud-Plattform oder an den Rand des Systems übermittelt werden. Um diese IoT-Anwendungen zu realisieren, werden verschiedene Arten von Kommunikationsprotokollen verwendet.

Wenn die Randknoten (einschließlich Sensoren und Aktoren) im Nahbereich eingerichtet sind, werden sie als Personal Area Networks (PANs) bezeichnet. PANs verwenden in der Regel Nicht-Internet-Protokolle für die Ko1TP14Kommunikation. Es gibt jedoch auch IP-basierte Protokolle. Diese Protokolle für PANs sind in den IEEE 802.15 Wireless Personal Area Network Definitionen festgelegt. Einige der Protokolle sind Bluetooth 5, ZigBee und Z-Wave-Protokolle. Auch Protokolle wie 6LoWPAN werden ins Licht gerückt, um IP-basierte Protokolle auch in PANs zu haben.

Sind die Edge-Knoten über ein großes Gebiet verteilt, werden sie als Wide Area Networks (WANs) oder Local Area Networks (LANs) bezeichnet. Diese beiden Begriffe werden manchmal synonym verwendet. Diese LANs verwenden IP-basierte Kommunikationsprotokolle, um zwischen den Knotengeräten und der Cloud zu kommunizieren. Da diese Protokolle eine große Reichweite benötigen, sind sie mit einem beträchtlichen Energieaufwand verbunden. Einige der bekannten Protokolle sind LoRaWAN, MQTT, HTTP, zelluläre (4G/3G) und Wi-Fi sind einige der am weitesten verbreiteten Kommunikationsprotokolle.

Wolke

Die IoT-Cloud kann als der Ort betrachtet werden, an dem die "Intelligenz" liegt. Die Cloud sammelt alle Daten, die über das entsprechende Kommunikationsprotokoll erfasst werden, und führt die notwendige Verarbeitung durch. Die IoT-Cloud kann nicht nur Daten sammeln und verarbeiten, sondern auch Daten in Echtzeit speichern und verwalten. Ein wichtiger Faktor bei der Entscheidung für einen geeigneten Cloud-Dienst ist daher die Latenzzeit, die mit Cloud-Diensten verbunden ist. Cloud-Anbieter unterstützen eine Reihe von Everything-as-a-Service-Produkten (XaaS). Dazu gehören Networking as a Service (NaaS), Software as a Service (SaaS), Platform as a Service (PaaS) und Infrastructure as a Service (IaaS). Der Benutzer kann je nach IoT-Anwendungsfall und -Vertikalität entscheiden, welchen Dienst er nutzen möchte.

Vereinfacht ausgedrückt, würde die IoT-Cloud aus einem Netzwerk von Diensten bestehen, die für die oben genannten Dienste und die Verwaltung großer Datenmengen in Echtzeit optimiert sind. Dies beinhaltet auch ein verteiltes Management-Datenbanksystem.

Trotz der Einfachheit und der geringeren Betriebskosten hat sich ein neuer Trend herausgebildet, relevante Daten am Rand selbst zu verarbeiten und zu verwalten, was zu neuen Konzepten wie Edge Computing und Fog Computing führt. Die Präferenz zwischen Cloud- und Edge-Computing hängt von der Anwendung ab, wobei Edge-Computing bevorzugt wird, wenn große Datenmengen vor Ort verarbeitet werden müssen.

IoT-Analytik

Die von den Sensoren erfassten physischen Daten werden an der Schnittstelle in digitale Signale umgewandelt, und diese digitalen Signale können verwertbare Folgen haben. Wir müssen zum Beispiel die Vitalwerte von Patienten als schwer oder gesund einstufen. Zu diesem Zweck könnten wir mit Hilfe von Sensoren Daten vom Patienten sammeln, diese als Zeitreihen erfassen und mit einer regelbasierten Engine verarbeiten, um unsere Vorhersage zu treffen. Bei einem Notfall spielen die Genauigkeit und Geschwindigkeit dieser regelbasierten Maschine eine entscheidende Rolle. Außerdem ist es wichtig, eine i1TP14Sofortmaßnahme für die Vorhersage durchzuführen.

Um diese Funktionen zu realisieren, können wir Deep-Learning-Modelle für die prädiktive Analyse und verschiedene Techniken des maschinellen Lernens einsetzen, um Trends vorherzusagen, Regressionsprobleme zu lösen, Prognosen für Ereignisse zu erstellen und sogar nützliche Entscheidungen zu treffen.

Die Analyse erfordert eine beträchtliche Speicherkapazität und Rechenleistung, um diese Vorgänge durchzuführen und intelligente Entscheidungen zu treffen. Daher werden sie idealerweise in der IoT-Cloud gehostet. Aufstrebende Konzepte wie TinyML öffnen jedoch die Türen, um Entscheidungen direkt am Rand zu treffen.

Benutzeroberfläche

Dies ist die Komponente, bei der der Endbenutzer aktiv mit unserem IoT-Ökosystem interagiert. Der Benutzer kann das gesamte System steuern und alle Änderungen und Einstellungen am System vornehmen. Daher wird die Benutzeroberfläche als High-Level-Abstraktion des gesamten Systems fungieren.

Die Benutzeroberfläche kann in das Gerät selbst eingebettet sein oder in Wearables, Smartphones, Tablets oder in Form einer Webanwendung installiert werden. IoT-Dashboards sind eine weitere beliebte Plattform, die jedoch manchmal einige technische Kenntnisse erfordert, um mit ihnen zu interagieren. Sollten Sie jemals die Gelegenheit haben, eine Benutzeroberfläche zu entwerfen, denken Sie daran, dass das Design eine wichtige Rolle spielt. Fügen Sie coole Schriftarten, Sprachunterstützung und Touch-Schnittstellen hinzu, um das Produkt wettbewerbsfähiger zu machen.

Betrachten wir nun weitere zusätzliche Komponenten in einem IoT-Ökosystem.

Sicherheit

Dies ist eine Komponente, die von Designern und IoT-Architekten bei der Entwicklung von IoT-Anwendungen meist übersehen wird, was dazu geführt hat, dass Tag für Tag mehr Geräte für Angriffe anfällig sind. Ein sicheres System sollte eine Widerstandsstrategie und eine Wiederherstellungsstrategie beinhalten und in der Lage sein, bösartige Angriffe auf das System zu erkennen.

Im Idealfall können diese Sicherheitssysteme in der Cloud bereitgestellt und in Netzwerkkomponenten integriert werden.

IoT-Gateway

IoT-Gateways sind mit der zunehmenden Anzahl von Sensoren und Knotengeräten, die ein bestimmtes IoT-System verbinden, zu einer beliebten Komponente geworden. Dies erleichtert die Verwaltung des Datenverkehrs und sie können zusätzlich Datensicherheitsmaßnahmen zusammen mit der Vorverarbeitung von Daten bieten, um unerwünschte oder beschädigte Daten zu entfernen. Außerdem sind fortschrittlichere IoT-Gateways mit der Fähigkeit ausgestattet, Daten zu analysieren und intelligente Entscheidungen zu treffen, was wiederum die Belastung des Cloud-Dienstes verringert.

Schlussfolgerung 

Das Internet der Dinge, das bereits eine ausgereifte Technologie ist, hat mit der Entwicklung neuer Technologien und neuer Protokolle, die in diesen Bereich einfließen, ein schnelles Wachstum erlebt. Mit dem Aufkommen neuer Kommunikationstechnologien wie 5G wird es wahrscheinlich eine neue Dimension annehmen und eine vielversprechende Zukunft haben.