Čo je a o čom je IoT?

Čo je to IoT?

• (slide) Začnem teda rovno otázkou: “Čo je to IoT?”

• Ja sám neviem (a preto to učím).

• Preklad:

  Internet vecí.

• Hľadanie IoT vecí na Alze a Aliexpresse

  • len ťažko nájdem zariadenie, ktoré by bolo rovno označené, že je IoT
  • sú však označené ako chytré zariadenia

Aké je to chytré zariadenie?

• Jedna z definícií môže znieť takto:

  Chytré zariadenie je také elektronické zariadenie, ktoré je schopné komunikovať s ostatnými zariadeniami alebo používateľmi.

• V definícii sa nehovorí o tom, ako má byť komunikácia realizovaná:

  • nehovorí sa o hardvérovom prevedení (káblom? bezdrôtovo? wifi? ble?)
  • nehovorí sa o aplikačnom protokole (HTTP? MQTT?)

• Hovorí sa len o schopnosti komunikovať.

Návrh chytrého vypínača

• Jeden z najjednoduchších akčných členov, resp. senzorov, je vypínač:

  • senzor - viem zistiť stav (rozsvietené/zhasnuté, vypnuté/zapnuté)
  • akčný člen - viem ho zapnúť/vypnúť

• Podľa spôsobu prevedenia, resp. určenia, môžeme hovoriť o:

  • svetelných vypínačoch
  • zásuvkách
  • zámkoch
  • termostatoch - spínač s teplomerom

• Poďme sa pokúsiť navrhnúť jednoduchý chytrý vypínač svetla. Čo všetko by malo takéto zariadenie obsahovať, aby bolo dostatočne chytré?

• overengineering

• Pre zabezpečenie svojej činnosti chytrému vypínaču stačí len:

  • samotný vypínač
  • komunikačný modul
  • batéria (ak sa jedná o bezdrôtové prevedenie)

• Sledujeme tzv. KISS princíp - Keep it Simple Stupid

Definícia IoT?

• Problém je totiž v tom, že aj napriek tomu, že tento termín existuje od roku 1999, dodnes neexistuje obecne uznávaná definícia tohto pojmu, ale len akési opisné charakteristiky. Tie majú častokrát niečo spoločné, ale často si dokonca odporujú.

• (slide) Tak napríklad - jedna z najvoľnejších definícií je:

  Internet of Things (IoT) means any smart device with ability to communicate via Internet. – by iotbuzzer.com

• Túto charakteristiku by sme vedeli voľne preložiť ako:

  Internet vecí predstavuje akékoľvek chytré zariadenie so schopnosťou komunikovať prostredníctvom internetu.

Perfectly Connected

• Keď som sa o tejto téme pred niekoľkými rokmi rozprával so šéfom, tak povedal, že on by IoT charakterizoval slovami

  “Perfectly connected”

• Rozhodne nehovoril o fyzickom prepojení zariadení. Ale o tom, čo to vzájomné prepojenie jednotlivých zariadení v tvojom (jeho) riešení, prináša tebe ako koncovému používateľovi.

Prípady použítia

• šetrenie energie

  • automatické zhasnutie (večierka) alebo rozsvietenie (prevádzkové hodiny) svetiel/zariadení

• zvýšenie bezpečnosti

  • automatické zamknutie / odomknutie domácnosti, keď sa vzdialim/priblížim

• pohodlie a zvýšenie komfortu

  • robím veci na diaľku
  • umiestnenie vypínačov kdekoľvek v priestore (nemusím sekať do steny, ale vypínač proste na stenu nalepím)

• Tá voľnosť spočíva v tom, že na základe tejto definície je zariadením IoT napríklad aj mobilný telefón. Stretnete sa však s množstvom príspevkov a úvah, v ktorých autori hovoria o tom, prečo napríklad mobilný telefón nepovažujú za IoT zariadenie.

• (slide) Pre naše potreby však budeme používať túto definíciu:

  The Internet of Things (IoT) is a system of interrelated computing devices, mechanical and digital machines, objects, animals or people that are provided with unique identifiers and the ability to transfer data over a network without requiring human-to-human or human-to-computer interaction. – by iotagenda

O čom všetkom je IoT?

• (slide) IoT nie je len o hardvéri. A rovnako tak nie je len o softvéri. Je to skôr balík služieb s pridanou hodnotou.

Architektúra IoT riešení

• (slide) Zatiaľ čo každé IoT riešenie je rozdielne, základ ich architektúry ako aj smer toku údajov, je viacmenej rovnaký. Architektúra IoT riešenia pozostáva zo štyroch častí/vrstiev/fáz, ktoré sú znázornené na nasledovnom obrázku:

  

• V prvom rade pozostáva z vecí, resp. objektov, ktoré sú pripojené do internetu. Tie pomocou ich zabudovaných senzorov a akčných členov sledujú svoje okolie a získavajú o ňom informácie.

• Tieto informácie sú následne odosielané do tzv. IoT brán (z angl. IoT gateway). Nasledujúca fáza pozostáva zo systémov na zber údajov a brán, ktoré zbierajú obrovské množstvo nespracovaných údajov, ktoré následne konvertujú do digitálnych tokov dát (z angl. stream), filtrujú ich a predspracúvajú tak, aby boli pripravené pre analýzu.

• Tretia vrstva je reprezentovaná tzv. edge zariadeniami, ktoré sú zodpovedné za ďalšie spracovanie a pokročilú analýzu dát. Na tejto vrstve môže do procesu spracovania údajov vstúpiť strojové učenie a vizualizácia.

• Nakoniec sa údaje dostanú do dátových centier, ktoré môžu byť buď v cloud-e alebo inštalované lokálne. Toto je miesto, kde sú údaje ukladané, spravované, hĺbkovo analyzované, aby z nich bolo možné získať užitočné informácie.

• Poďme sa pozrieť na jednotlivé vrstvy podrobnejšie.

1. vrstva: Veci, senzory a akčné členy

• (slide) Každý IoT systém pozostáva z prepojených zariadení, ktoré produkujú údaje. Podobne je tomu aj v našom prípade služby zabezpečujúcej chytrý vývoz smetí. V tejto vrstve sa nachádzajú zariadenia umiestnené priamo v kontajneroch, ktoré sú pripojené do siete internet.

  

• Obecne však tieto zariadenia nemusia nutne komunikovať len so zariadeniami nachádzajúcimi sa na vyššej vrstve (gateway), ale môžu komunikovať aj so zariadeniami na tejto vrstve. Niektoré zariadenia totiž pre svoju činnosť potrebujú informácie od ďalších zariadení. To môže byť napr. poplašné zariadenie, kde senzor pohybu môže dať vedieť o tom, že zaznamenal pohyb, čo môže byť signál pre svetlá, aby sa rozsvietili a pre reproduktory, aby začali robiť hluk. Nie je nutné, aby pokyn na to došiel až z cloud-u a teda aby dáta prešli cez všetky vrstvy a cez “celý” internet.

2. vrstva: IoT Brány a zber dát

• (slide) Zariadenia na tejto vrstve sa nachádzajú (z geografického pohľadu) veľmi blízko ku zariadeniam z predchádzajúcej vrstvy. Môže to byť zariadenie v inteligentnej domácnosti, zariadenie na pracovisku alebo v budove a pod.

  

• Z pohľadu funkčnosti je však dôležité sa na tieto zariadenia pozerať ako na samostatnú vrstvu v IoT architektúre, pretože je kľúčová pre spracovanie údajov, ich filtrovanie a prenos takto pripravených údajov ďalej do edge infraštruktúry, poprípade rovno do cloud-u.

• Brány hrajú dôležitú úlohu v riešeniach, kde je použité obrovské množstvo vecí, ktoré produkujú obrovské množstvo údajov. Ak by napr. náš projekt s chytrými kontajnermi bol úspešný a bol by nasadený na celom Slovensku, množstvo údajov, ktoré by kontajnery generovali a následne posielali priamo do cloud-u, by bolo obrovské. Výsledkom by mohlo byť zahltenie serveru požiadavkami a tým pádom znefunkčnenie služby. Preto jednou z najdôležitejších úloh brán je tento nápor údajov na vyššie vrstvy znížiť. Okrem toho vykonajú aj prvé predspracovanie a filtrovanie údajov, ktoré následne odošlú vyšším vrstvám v kompaktnom a dohodnutom formáte. Množstvo prenášaných údajov je teda menšie a vyššie vrstvy sa už predspracovaním údajov nemusia zaoberať.

• Použitie brán taktiež zvyšuje bezpečnosť celej infraštruktúry. Keďže brány zabezpečujú tok údajov oboma smermi (aj na vyššie aj na nižšie vrstvy), použitím vhodného šifrovania môžu zabrániť prípadnému úniku dát z vyšších vrstiev. Rovnako tak znižujú riziko útokov na samotné IoT zariadenia, resp. veci pracujúce na nižších vrstvách.

• Na tejto vrstve je možné poskytnúť aj prvé vizualizácie koncovým používateľom.

3. vrstva: Edge analytika

• (slide) Táto vrstva sa zvykne nazývať aj Edge IT alebo Edge Computing alebo skrátene len Edge. Termín Edge Computing je známy už z neskorých 90-tych rokov s príchodom služieb na doručovanie obsahu (napr. video), kedy sa v rámci zníženia záťaže presúvali servery bližšie k používateľovi.

• Definícia podľa Wikipedie znie [@wikipediaEdgeComputing]:

  Edge computing is a distributed computing paradigm which brings computation and data storage closer to the location where it is needed, to improve response times and save bandwidth.

  Voľne by sme túto definíciu mohli preložiť nasledovne:

  Edge computing reprezentuje paradigmu distribuovaného výpočtového systému, kde je snaha dostať výpočtové uzly spolu s úložiskami čo najbližšie k cieľovým zariadeniam s cieľom zvýšiť reakčnú dobu a znížiť množstvo prenášaných dát.

• (slide) Podobný zámer má aj tretia vrstva v IoT architektúre - systémy pracujúce na edge vrstve dokážu poskytnúť rýchlejšie odpovede a zabezpečiť vyššiu flexibilitu v spracovaní a analýze údajov. Ďalej teda analyzuje a spracováva údaje a pripravuje a následne ich synchronizuje s dátovými centrami (štvrtá vrstva).

  

• Zariadenia tejto vrstvy majú výrazne viac systémových prostriedkov ako zariadenia na predchádzajúcej vrstve. Ich umiestnenie môže byť stále pomerne blízko samotným zariadeniam/veciam. Rovnako však môžu byť zariadenia umiestnené aj vo vzdialených kanceláriách, resp. budovách spoločnosti.

• Táto vrstva môže poskytovať vizualizácie pre koncových používateľov.

• Keďže rýchlosť pri poskytovaní dátovej analytiky hrá v istých odvetviach kľúčovú rolu, stáva sa edge vrstva veľmi populárnou hlavne v priemysle. Nie je však nutnou súčasťou každej IoT architektúry.

4. vrstva: Dátové centrá a klaudové platformy

• (slide) Zariadenia tejto vrstvy sú navrhnuté pre uchovávanie, spracovanie a analyzovanie obrovských objemov údajov. Sú vybavené výkonnými systémami zabezpečujúcimi hĺbkovú dátovú analýzu a strojové učenie nad dátami. Zariadenia na edge vrstve nemajú dostatočný výkon na zvládnutie týchto operácií.

  

• Výhodou cloudových riešení je napríklad vysoká dostupnosť, zníženie neplánovaných výpadkov, spotreba energie (netreba riešiť na strane klienta) a iné.

• Na tejto vrstve sa nachádzajú aj koncové aplikácie pre používateľov. Tie tak dokážu poskytovať business intelligence ako aj prezentačnú vrstvu. Vďaka nej môžu používatelia so systémom interagovať, môžu ho ovládať, monitorovať a umožňuje im prijímať ďalšie rozhodnutia vďaka rozličným reportom, dashboardom a informáciám získaným v reálnom čase.

• Zariadenia na tejto vrstve sa môžu nachádzať geograficky vo veľmi veľkej vzdialenosti od samotných vecí (napr. môžu byť umiestnené na rozličných kontinentoch), z ktorých dáta zbierajú, analyzujú a prípadne aj ovládajú.

Štvorvrstvová IoT architektúra

• (slide) Ak to teda zhrnieme, celkový pohľad na IoT architektúru môže vyzerať nasledovne:

  

• Nie každé riešenie však nutne musí obsahovať všetky vrstvy. Pre jednoduchšie riešenia si vystačíte dokonca len s prvou a poslednou vrstvou. Ak samozrejme nechcete, aby údaje opúšťali vašu lokalitu, vystačíte si s prvou a druhou vrstvou, kde gateway bude zabezpečovať aj úlohy poslednej vrstvy.

Záver

• (slide) Internet vecí teda nie je len o elektronike, aj keď je aj o nej. Rovnako tak nie je len o softvéri, aj keď aj o ňom je IoT. Svet IoT je však aj o ďalších veciach, ktoré sme spomínali. Je aj o údajoch, ich interpretácii a vizualizácii. Je aj o aktualizáciách a bezpečnosti, aby sme sa vďaka tomu, že chceme byť in nevystavili riziku a možno aj svojich klientov.

• (slide) O tomto všetkom je IoT. Na začiatku sme si predstavili jednu opisnú charakteristiku IoT, ktorú budeme rešpektovať. Okrem toho všetkého je však IoT hlavne o pridanej hodnote. O niečom navyše.

• Toto všetko pekne zhrnul v definícii Pavel Pohanka, ktorý hovorí, že:

  Internet vecí predstavuje sieť prepojených objektov (vecí), ktoré sú jednoznačne adresovateľné s tým, že táto sieť je založená na štandardizovaných komunikačných protokoloch umožňujúcich výmenu a zdieľanie údajov a informácií, ktorých analýzou bude možné docieliť vyššiu pridanú hodnotu. [@s78]

• Pokúsme sa teda nájsť pridanú hodnotu v službe poskytujúcej chytrý vývoz odpadu, o ktorej sme dnes hovorili celý čas:

  • Základná hodnota služby zostáva nezmenená. Je ňou samotný jej cieľ, a teda - vývoz odpadu, o ktorý sa ja ako spotrebiteľ nestarám.

  • Pridanou hodnotou bude určite znížená a spravodlivá cena, kde sa zohľadní množstvo reálne vyvezených smetí.

  • Vyššia cena služby môže motivovať k zamysleniu sa nad množstvom produkovaného odpadu a snaha o jeho zníženie.

  • Optimalizácia samotného vývozu, takže menej smetiarskych áut v uliciach, nižšie emisie a pre prevádzkovateľa služby sú to rozhodne znížené náklady.

• (slide) Služba chytrého vývozu odpadu nás bude sprevádzať predmetom a budeme všetko konfrontovať práve s ňou. A aby ste si nemysleli, že je to len taká pseudo vymyslená služba, firma, ktorá poskytuje takéto riešenie sa volá SENSONEO a je zo Slovenska. Demo video nájdete na YouTube. Príspevok zástupkyne spoločnosti na podujatí DebaTech 2021 nájdete rovnako na YouTube.