7 głównych elementów ekosystemu IoT

Internet of Thigs (IoT) odnosi się do zbioru połączonych ze sobą rzeczy, które są zdolne do wykrywania, uruchamiania i współdziałania w rozległej sieci z bezpośrednią interwencją człowieka lub bez niej. Są one również zdolne do autonomicznego działania w zależności od zmian w środowisku poprzez uruchamianie procesów i udostępnianie tych informacji w sieci w celu przetwarzania i generowania cennych informacji dotyczących ich otoczenia. Jest to obecnie dobrze ugruntowana, szybko rozwijająca się technologia, z ponad 20 miliardami urządzeń zidentyfikowanych jako urządzenia IoT do 2025 roku.

Podstawowe koncepcje stojące za IoT to "inteligentne obiekty" i "inteligentne środowiska". Inteligentny obiekt to obiekt fizyczny wyposażony w procesor, system przechowywania danych, system czujników i technologię sieciową do komunikacji. Niektóre z tych obiektów mogą wpływać na swoje otoczenie za pomocą siłowników. Zgodnie z tą samą definicją, inteligentne środowisko odnosi się do fizycznego zakresu, w którym inteligentne obiekty są rozmieszczone i wchodzą w interakcje. Teraz, po krótkim zrozumieniu ram IoT, przyjrzyjmy się teraz głównym komponentom IoT.

Rzecz lub urządzenie

Rzeczy i urządzenia w IoT określane jako komponenty, takie jak czujniki, siłowniki, a czasami mogą obejmować urządzenia do noszenia, które są osadzone z czujnikami i siłownikami. Są one wdrażane w warstwie fizycznej architektury IoT, która działa jako szkielet struktury IoT. Głównymi funkcjami tych rzeczy i urządzeń jest wykrywanie i zbieranie danych ze środowiska oraz wdrażanie wszelkich wymaganych mechanizmów kontrolnych w celu kontrolowania wymaganych zmiennych w środowisku.

1. Czujniki

Są to komponenty, które są odpowiedzialne za wykrywanie i wykrywanie wszelkich zmian środowiskowych i odczytów. Obecnie czujniki mogą wykrywać niemal wszystko, od temperatury po ciśnienie krwi, a zaawansowane czujniki są w stanie mierzyć inne złożone parametry. Wszystkie te funkcje są nadal możliwe dzięki zajmowaniu bardzo małej przestrzeni dzięki nowoczesnej technologii, takiej jak bardzo duża integracja (VLSI). VLSI dało początek nowemu zestawowi zaawansowanych czujników znanych jako systemy mikroelektromechaniczne (MEMS), które są obecnie bardzo popularne w większości aplikacji IoT. Poniżej przedstawiono niektóre z szeroko stosowanych kategorii czujników:

• Czujniki temperatury: Czujniki te mierzą zmiany temperatury w środowisku pomiarowym. Istnieją różne typy czujników temperatury w zależności od technologii wykrywania temperatury, takie jak termopary, termistory, czujniki podczerwieni i rezystorowe czujniki temperatury (RTD).
• Czujniki zbliżeniowe: Czujniki te wykrywają obecność lub brak pobliskiego obiektu lub jego właściwości. Istnieją różne rodzaje czujników zbliżeniowych, takie jak czujniki indukcyjne, czujniki pojemnościowe, czujniki ultradźwiękowe i czujniki fotoelektryczne.
• Czujniki wykrywające ruch: Czujniki te wykrywają każdy fizyczny ruch w danym obszarze. Czujniki ultradźwiękowe, pasywne czujniki podczerwieni (PIR) i czujniki mikrofalowe to tylko niektóre z nich.
• Czujniki optyczne: Czujniki te są zdolne do przechwytywania fotonów światła i przekształcania ich w sygnały w celu interpretacji ważnych informacji o środowisku.
• Czujniki ciśnienia: Czujniki te wykrywają wszelkie zmiany ciśnienia w środowisku wykrywania.
• Żyroskopy i akcelerometry: Czujniki te są w stanie mierzyć dowolny ruch obrotowy i przyspieszenie.
• Czujniki chemiczne i gazowe: Czujniki te wykrywają obecność określonych substancji chemicznych i gazów w środowisku. Istnieją różne typy i rodziny tych czujników w zależności od wymagań.
• Czujniki wilgotności: Mierzą one wilgotność w otoczeniu.

2. Siłowniki

Są one przeciwieństwem czujników. Działają one na środowisko w zależności od określonych instrukcji lub danych z czujników. Przyjrzyjmy się temu na przykładzie. Rozważmy wdrożoną aplikację IoT w aplikacji rolniczej do kontrolowania przepływu wody do roślinności. W tym celu możemy użyć czujników poziomu wody i czujników wilgotności gleby, aby wykryć poziom wody w glebie. Teraz możemy dostarczać wodę za pomocą pomp, sterując zaworem. W tym przypadku zawór działa jak siłownik. Gdy czujniki wykryją nadmiar wody, wyślą sygnał do zaworów, które są siłownikami zamykającymi pompę.

Rodzaj zastosowanego siłownika będzie zależał od pionu i przypadku użycia. Mogą one być wymagane do włączania lub wyłączania przełącznika lub mogą sterować zaworem, jak w naszym poprzednim przykładzie, lub mogą wymagać zaawansowanych działań, takich jak chwytanie, obracanie i obracanie.

Łączność i sieć

Aplikacje IoT obejmują urządzenia, czujniki, siłowniki i chmurę, które komunikują się ze sobą w celu podejmowania decyzji i przetwarzania zebranych danych. W tym celu konieczne jest ustanowienie środków łączących te komponenty w ekosystemie IoT. Dlatego też łączność jest kolejnym istotnym elementem w realizacji aplikacji IoT. Ogólnie rzecz biorąc, istnieją dwa rodzaje metodologii communications w celu ustanowienia łączności, a mianowicie: bezprzewodowa communication i przewodowa communication. Wybór między nimi jest całkowicie zależny od przypadku użycia i branży.

Protokoły komunikacyjne Co1TP8

Teraz, po zebraniu danych i pobraniu niezbędnych danych kontrolnych, wymagane jest communicate tych danych do platformy w chmurze lub do urządzenia brzegowego, zgodnie z wymaganiami. Aby to zrealizować, aplikacje IoT wykorzystują różne typy protokołów komunikacyjnych co1TP8.

Gdy węzły brzegowe (w tym czujniki i siłowniki) są ustanowione w bliskim zasięgu, są one wspólnie nazywane sieciami osobistymi (PAN). Sieci PAN zazwyczaj wykorzystują do komunikacji protokoły nieinternetowe. Istnieją jednak również protokoły oparte na protokole IP. Te protokoły dla PAN są zdefiniowane w ramach definicji bezprzewodowej sieci osobistej IEEE 802.15. Niektóre z tych protokołów to Bluetooth 5, ZigBee i protokoły Z-Wave. Ponadto, protokoły takie jak 6LoWPAN są ujawniane, aby mieć protokoły oparte na protokole IP również w PAN.

W przypadku, gdy węzły brzegowe są rozproszone na dużym obszarze, są one wspólnie znane jako sieci rozległe (WAN) lub sieci lokalne (LAN). Te dwa terminy są czasami używane zamiennie. Te sieci LAN wykorzystują protokoły komunikacyjne oparte na protokole IP do komunikacji między urządzeniami węzłowymi a chmurą. Ponieważ wymagają one protokołów komunikacyjnych dalekiego zasięgu ze znaczną ilością energii do podróży. Niektóre z najbardziej znanych protokołów to LoRaWAN, MQTT, HTTP, komórkowy (4G/3G) i Wi-Fi to jedne z najczęściej używanych protokołów komunikacyjnych co1TP8.

Chmura

Chmurę IoT można uznać za miejsce, w którym znajduje się "inteligencja". Chmura gromadzi wszystkie dane zebrane za pośrednictwem odpowiedniego protokołu komunikacyjnego co1TP8 i przeprowadza niezbędne przetwarzanie. Chmura IoT oprócz gromadzenia i przetwarzania danych może przechowywać dane i zarządzać nimi w czasie rzeczywistym. Dlatego głównym czynnikiem przy wyborze odpowiedniej usługi w chmurze jest uwzględnienie opóźnień związanych z usługami w chmurze. Dostawcy usług w chmurze obsługują szereg produktów Everything as a Service (XaaS). Usługi obejmują Networking as a Service (NaaS), Software as a Service (SaaS), Platform as a Service (PaaS) i Infrastructure as a Service (IaaS). Użytkownik może zdecydować, której usługi użyć w zależności od przypadku użycia IoT i branży.

Mówiąc prościej, chmura IoT składałaby się z sieci usług zoptymalizowanych pod kątem powyższych usług i zarządzania ogromną ilością danych w czasie rzeczywistym. Zawiera również rozproszony system zarządzania bazą danych.

Pomimo łatwości i niższych kosztów operacyjnych, pojawił się nowy trend polegający na przetwarzaniu i zarządzaniu odpowiednimi danymi na samym brzegu sieci, co doprowadziło do powstania nowych koncepcji, takich jak Edge computing i Fog computing. Preferencje między chmurą a przetwarzaniem brzegowym zależą od zastosowania, przy czym przetwarzanie brzegowe jest preferowane, gdy wymagane jest przetwarzanie dużych ilości danych w siedzibie firmy.

Analityka IoT

Fizyczne dane pozyskiwane przez czujniki są konwertowane na sygnały cyfrowe na brzegu sieci, a te sygnały cyfrowe mogą mieć praktyczne konsekwencje. Na przykład, możemy potrzebować sklasyfikować parametry życiowe pacjentów jako poważne lub zdrowe. W tym celu możemy zbierać dane od pacjenta za pomocą czujników i gromadzić je jako dane szeregów czasowych i przetwarzać je za pomocą silnika opartego na regułach, aby dokonać prognozy. W nagłych przypadkach dokładność i szybkość tego silnika opartego na regułach odgrywa kluczową rolę. Co więcej, ważne jest, aby wykonać immediate działanie dla prognozy.

Aby zrealizować te funkcje, możemy wdrożyć modele głębokiego uczenia się do analizy predykcyjnej i różne techniki uczenia maszynowego w celu przewidywania trendów, rozwiązywania problemów regresji, opracowywania prognoz zdarzeń, a nawet podejmowania użytecznych decyzji.

Analityka wymaga znacznych możliwości przechowywania danych i mocy obliczeniowej do przeprowadzania tych operacji w celu podejmowania inteligentnych decyzji. Dlatego też są one idealnie hostowane w chmurze IoT. Jednak pojawiające się koncepcje, takie jak TinyML, otwierają drzwi do podejmowania decyzji na samym brzegu sieci.

Interfejs użytkownika

Jest to komponent, w którym użytkownik końcowy będzie aktywnie współdziałał z naszym ekosystemem IoT. Użytkownik może kontrolować cały system i ustawiać wszelkie zmiany i preferencje w systemie. Dlatego interfejs użytkownika będzie działał jako abstrakcja wysokiego poziomu całego systemu.

Interfejs użytkownika może być wbudowany w samo urządzenie lub może być zainstalowany w urządzeniach do noszenia, smartfonach, tabletach lub może mieć postać aplikacji internetowej. Pulpity nawigacyjne IoT są kolejną popularną platformą, ale czasami wymagają pewnych umiejętności technicznych do interakcji z nimi. Wreszcie, jeśli kiedykolwiek miałeś okazję zaprojektować interfejs użytkownika, pamiętaj, że projekt jest najważniejszy. Dodaj kilka fajnych czcionek, obsługę głosową i interfejsy dotykowe, aby produkt był bardziej konkurencyjny na rynku.

Przyjrzyjmy się teraz dodatkowym komponentom w ekosystemie IoT.

Bezpieczeństwo

Jest to element, który jest najczęściej pomijany przez projektantów i architektów IoT podczas projektowania aplikacji IoT, co doprowadziło do tego, że z dnia na dzień coraz więcej urządzeń jest podatnych na ataki. Bezpieczny system powinien stanowić kompromis dla strategii sprzeciwu, strategii odzyskiwania i powinien być w stanie rozpoznać wszelkie złośliwe ataki na system.

Idealnie byłoby, gdyby te systemy bezpieczeństwa można było wdrożyć w chmurze i włączyć do komponentów sieciowych.

Bramka IoT

Bramy IoT stały się popularnym komponentem wraz ze wzrostem liczby czujników i urządzeń węzłowych łączących dany system IoT. Ułatwia to zarządzanie ruchem danych, a także może dodatkowo zapewnić środki bezpieczeństwa danych wraz ze wstępnym przetwarzaniem danych w celu usunięcia niechcianych lub uszkodzonych danych. Co więcej, bardziej zaawansowane bramy IoT są wyposażone w możliwość analizowania danych i podejmowania inteligentnych decyzji, co z drugiej strony zmniejsza obciążenie usługi w chmurze.

Wnioski 

Internet Rzeczy, który jest już dojrzałą technologią, był świadkiem szybkiego wzrostu wraz z rozwojem nowych technologii i nowych protokołów dołączających do domeny. Prawdopodobnie nabierze nowego wymiaru wraz z pojawieniem się nowych technologii komunikacyjnych, takich jak 5G, i będzie miał obiecującą przyszłość.