Jste zde

Základní úvod do oblasti internetu věcí (IoT)

Zkratka IoT se již téměř objevuje ve všech časopisech a médiích, hlavně ve spojení s tzv. inteligentní domácností. V bližší době by však mělo být nejvýraznější v automatizaci budov i v průmyslu. Dříve, než se detailněji zaměříme na IoT v oblasti automatizace, je dobré si připomenout základní informace.

Slovo úvodem...

Internet věcí, též známý pod zkratkou IoT (Internet of Things), je dnes všeobecně stále více uváděný termín nejen v odborné technické literatuře, ale i téměř ve všech sdělovacích prostředcích od televize, přes různé časopisy různého žánru a samozřejmě internetem konče. Prostě IoT se stalo již téměř módní záležitostí, a skoro každý, do chce být moderní a tzv. IN, se o ní musí alespoň zmínit a spojovat s ní zářivou plně elektronickou budoucnost, kdy všechno bude ještě více jednodušší, protože vše se obstará jakoby samo bez nás lidí plně automaticky. Tato propagace samozřejmě patří hlavně do oblasti cíleného marketingu, který má zajistit, aby na tuto novou technologii, co nejrychleji zaměřil tolik potřebný zájem veřejnosti a tím získaly potřebné prostředky pro rozvoj, bez kterých to samozřejmě nejde.  

Pak je tu ovšem stránka čistě technická, která však v případě internetu věcí má ve výsledku až možná nečekaně mnoho aspektů. Nejde zde čistě jen o základní komunikaci a přenos dat, ale i nakonec jejich následné smysluplné zpracování, skladování, vyhodnocení a použití. Nelze ani podceňovat ochranu takto získaných dat proti zneužití. Zabývat se všemi těmito aspekty již není tak jednoduché, jak by se na první pohled mohlo zdát. Na serveru automatizace.hw.cz se tak postupně pokusíme různými články IoT mozaiku skládat v co nejširší, ale co nejlépe srozumitelné formě.

Co je internet věcí?

IoT je zjednodušeně řečeno cokoliv, co je připojeno k síti (včetně internetu), nebo k jiným strojům a pracuje samostatně bez nutnosti lidského zásahu. Všechny ostatní termíny jen popisují věci, které jsou prostřednictvím internetu věcí možné. Takže připojený dům, auto atd. prostě znamená, že jsou nějakým způsobem připojeny k síti. Totéž platí pro průmysl. Toto propojení, umožněné řadou moderních komponent a převážně bezdrátových komunikačních systémů a protokolů. Jednoduše umožňuje návrhářům, aby vytvářeli "inteligentní" (sofistikovanější) vybavení a stroje tak, aby svou činnost samy měřily, zaznamenávaly, zobrazovaly, sledovaly a podle tohoto se automaticky nastavovaly.

Architektura IoT

Pro první základní zpřehledňující rozlišení je dobré si vymezit, jak si IoT vlastně v základních blocích představit. Existují tři základní prvky, které patří do architektury internetu věcí:

  • Věci = zařízení pro kabelové nebo bezdrátové připojení do širší sítě.
  • Síť =  komunikační prostředek v podobě komunikační sítě nebo brány spojující několik věcí do cloudu.
  • Cloud = vzdálené servery v datových centrech bezpečně konsolidující a ukládající získaná / přenesená data.

Ideální blokové schéma architektury technologie IoT.

Data v IoT

Věci generují data - malé množství bajtů jednoduchých dat reprezentujících snímané informace, jako je teplota, vlhkost nebo poloha. To je často popisováno jako "malá data", jelikož jsou malá co do velikosti. Jakmile vícečetná zařízení pošlou tato malá data přes síť do cloudu, jsou konsolidována a v průběhu času sledována. Často pak v průběhu času narostou. Posléze jsou často popisována jako "velká data" - toto je místo, kde se internet věcí opravdu stane chytrým. Velká data umožňují zpracování velkých objemů datových bodů za účelem naučení se, porozumění, nebo lepší kontrole něčeho.

Toto by mohla být analýza ze snímačů, jako umožnění spojení událostí s výsledky nebo akcemi. Například získání informace o tom, že se na konci jara později stmívá za pomoci snímačů okolního světla na pouličním osvětlení a jejich pozdější rozsvícení  zapříčiní úsporu elektrické energie. Anebo povšimnutí si, že stroj vibruje více, než je obvyklé, což může být znamením pro případné selhání, umožní objednání náhradních dílů a naplánování prediktivní údržby.

Přenosové systémy (protokoly) internetu věcí

Naměřená, načtená nebo i uživatelem zadá data je v první řadě nutné nějakým efektivním způsobem přenášet. Existuje spousta komunikačních technologií hodících se pro internet věcí. Mezi již tzv. tradiční systémy a protokoly patří bezdrátová WiFi nebo Bluetooth komunikace (zvláště nově vyvinutá BLE verze = Bluetooth Low-Energy), které již umožnily, byť na poměrně krátké vzdálenosti několika metrů nebo desítek metrů, bezdrátově připojit počítače k internetu, sluchátka a mikrofony k počítači, tabletu či mobilu nebo v průmyslu připojit PC k řídící jednotce (PLC) výrobní linky pro získání provozních dat nebo základní nastavení a ovládání. Dnes je již bereme prakticky jako samozřejmost a s IoT se někdy ani nespojují, i když právě ony vlastně "IoT revoluci" do jisté míry již dávno zahájili, i když se to tak dříve nazývalo. Do jisté míry by nakonec šlo do IoT zařadit i klasický drátový Ethernet, protože i ten fakticky slouží k přenosu dat a získávání informací, byť se trošku vymyká oné idei flexibilní bezdrátové volnosti nevyžadující žádné velké instalační a montážní náklady.

V posledních dvou letech, právě společně s rozšířením označení IoT, se pak s potřebou jednoduché, energeticky nenáročné a hlavně daleko dosahové bezdrátové komunikace, která by se však dala velmi miniaturizovat do velikosti čipů, vznikly a vyvinuly technologie nové kategorie LPWAN (Low-Power Wide-Area Network). Mezi nimi jsou zatím nejznámější technologie LoRaWAN a Sigfox s přenosovým dosahem až 15 km. Existují však i další systémy jako ZigBee, Z-Wave, 6LoWPAN, Thread, Cellular a dalším, které lze také do "rodiny" IoT zahrnout a obvykle slouží buď lokální několika desítek či stovek metrové vzdálenosti nebo naopak dálkový mnoha kilometrový přenos.

Každý uvedený systém je vhodný pro jiné použití v závislosti na několika klíčových faktorech:

  • Přenosová rychlost - kolik informací je posíláno?
  • Spotřeba energie - například nositelná zařízení mají pouze krátkou životnost baterie.
  • Dosah - musí být předány na vzdálenost jen několika metrů nebo kilometrů?
  • Frekvence - Jaké frekvence jsou k dispozici v této oblasti?

Volba komunikačního systému podle potřebného přenosového dosahu.

Vyšší komunikační protokoly pro internet věcí

Dost často se stává, že v článcích o IoT se z pohledu komunikace stále jen uvádějí tzv. základní komunikační systémy / protokoly typu např. právě zmíněných LoRaWAN nebo SIGFOX nebo WiFi, což však jsou jen komunikační protokoly na nižších úrovních tzv. OSI modelu (fyzické, linkové, síťové). Ty sice jsou zodpovědné za samotné fyzické přenesení dat od zařízení k zařízení nebo od zařízení do cloudu apod., ale již nijak obvykle nespecifikují, co přenášená data konkrétně reprezentují a jak s nimi nakládat. To obvykle definují protokoly příslušící až nejvyšší aplikační vrstvě OSI modelu. Například v případě WiFi (Ethernet) jsou jimi HTTP, HTML, SNMP, XML nebo v průmyslu různé průmyslové komunikační protokoly vystavěné právě na ethernetu (například EtherNet, Modbus-TCP nebo ProfiNET). Samotné WiFi (TCP/IP standard) "pouze" realizuje přenos paketů dat od jedné stanice k jiné cílové, ale již nijak neurčuje, co s nimi má cílové zařízení dělat, jak je "rozkódovat", jak je použít nebo jak je zobrazit uživateli.

Přenosové systémy jako LoRaWAN nebo SIGFOX definují jen spodní úrovně OSI modelu přenosu dat. Vyšší úrověn tak musí zajistit jiné komunikační protokoly (obrázek vlevo = OSI model ethernetové LAN komunikace, obrázek vpravo = zastoupení LoRaWAN a dalších v OSI modelu.)

V případě IoT se tak vyvinuli a dále postupně vyvíjí a vzniká mnoho různých protokolů, které "spolu na dálku bojují", který se nakonec nejvíce uplatní (viz tabulka vlevo). Mezi nejznámější aktuálně patří MQTT, COAP, XMPP, VSCP a další. Nutnost takových standardizovaných komunikačních protokolů je proto velmi důležitá, aby pro vzájemnou co největší kompatibilitu různých zařízení různých výrobců, tedy aby bylo možné mezi sebou "propojovat" a vzájemně ovládat různá zařízení libovolné značky. Jinak by se mohlo stát, že sice všechna zařízení různých výrobců budou využívat například přenosovou technologii LoRaWAN, ale nebude možné jejich vzájemné snadné propojení, protože každý bude si svým provozním softwarem data jinak zpracovávat a  interpretovat (např. hodnotu o teplotě bude každý přenášet v jiném formátu čísla). 

Každý zmíněný komunikační protokol je vhodný pro jiné použití v závislosti na několika klíčových faktorech:

  • Množství přenášených dat / položek / hodnot.
  • Způsob komunikace (client/server, point-to-point atd.).
  • Zabezpečení proti ztrátě / zkreslení dat při přenosu.
  • Zabezpečení dat proti neoprávněnému přístupu / přečtení.
  • Účelu přenášených dat (přenos hodnot mezi zařízeními, prezentace lidem, přenos řídících příkazů apod.). 

Možnosti vestavby IoT funkce do zařízení

Aby se možnosti praktického použití a nasazení  co nejvíce urychlily, již mnoho výrobců nabízí nejen specializované integrované obvody i kombinované mikročipy s podporou různých IoT komunikačních protokolů, ale také různé testovací nebo vestavné karty a kity ve formě modemů nebo routerů pro různou bezdrátovou IoT komunikaci jako např. LoRaWAN, SIGFOX, 6LoWPAN apod. Ty pak umožňují snadnou zástavbu nejen do malosériových zařízení, kde se vývoj na úrovni součástek se nevyplatí, ale také vestavbu i do již stávajících zařízení.

Kity, které prakticky realizují již funkci kompletních IoT modemů, již běžně obsahují přímo RS232/UART, USB nebo ethernetové rozhraní pro přímé napojení na již existující elektronické jednotky.  Pěkný sortiment takových karet i kitů lze například najít v internetovém obchodě RS-Components.

Závěr

V tomto článku jsem se pokusil nastínit první obecný úvod do aktuálně jedné z nejrychleji a nejvíce hekticky se rozšiřující oblasti moderní elektroniky, určený jako základní stavební kámen pro postupně další vydávané a již detailněji zaměřené články o IoT na serveru automatizace.hw.cz.

Podle toho, jak se u stále většího množství výrobků objevuje lákavá značka "IoT Ready" apod., by tomu tak opravdu je. Na druhou stranu však mnoho výrobců prostě jen takto označí již svoje dlouhodobě prodávaná zařízení a jednotky, které například umožňují dnes již běžný Ethernet, Bluetooth nebo WiFi. V zásadě však mají pravdu, protože i tyto již dlouho využívané technologie v zásadě slouží k vzájemnému propojí a elektronické komunikaci zařízení nebo připojení na internet. Nicméně hlavní hybnou silou pro všeobecné masivní rozšíření IoT systémů se mají stát až nejnovější bezdrátové LPWAN technologie pro dálkovou bezdrátovou nízkopříkonovou komunikaci, které reprezentují zatím nejvíce se prosazující systémy / protokoly LoRaWAN, SIGFOX a 6LoWPAN. Ty mají umožnit prakticky realizovat onu ideu téměř absolutní automatické elektronické komunikace téměř každého elektronického zařízení s každým a tedy tak pomoci maximálně automatizovat domy, domácnosti, výrobní procesy, dopravu, služby a podobně. To jestli to nakonec až takto daleko dojde, záleží jen na skutečných požadavcích nás všech uživatelů. To ukáže až budoucnost.

V dalších článcích o internetu věcí na serveru automatizace.hw.cz se již konkrétněji více zaměříme na možnosti použití v automatizaci, měření a regulaci.

 Odkazy:

Hodnocení článku: