(Inter(net)) of Thing(s)

Čo je to IoT?

Začneme teda rovno otázkou: “Čo je to IoT?”

Z vedeckého pohľadu je najvhodnejšia definícia spomenutá v IoT Strategickej Výskumnej “Roadmap”-e:

“The Internet of Things allows people and things to be connected anytime, anyplace, with anything and anyone, ideally using any path/network and any service.”

Ak o tomto pojme počujete prvý krát, je dosť pravdepodobné že Vám táto definícia absolútne nič nepovedala, keďže je veľmi všeobecná. Jej všeobecnosť vyplýva z povahy tejto technológie - kedy sa snažíme vytvárať z bežných vecí alebo jednoduchých zariadení účastníkov svetovej siete. Týmto členom sa môže stať v podstate čokoľvek, od predmetu každodennej potreby až po priemyselné zariadenie na výrobnej linke.

Zároveň na svete existuje množstvo iných definící tejto paradigmy, ktoré nás môžu len viac zmiasť.

Aby sme správne pochopili IoT, je dôležité zapamätať si kľúčovú informáciu:

Chytré zariadenie(Smart device) nie je samo o sebe IoT riešenie.

Na plné pochopenie si vysvetlíme ako sa z bežného zariadenia alebo predmetu stane IoT prvok.

1. Zariadenie alebo vec

To si môžeme predstaviť ako štandardnú žiarovku, malý plošný spoj ktorý sníma stav otvorenia dverí, počítač, mobil či server v datacentre. Bez pripojenia k internetu fungujú ako majú a neposkytujú nám žiadnu pridanú funkcionalitu - ako by povedal Mirek™ - pridanú hodnotu.

Žiarovka sa zasvieti a zhasne keď sa použije spínač.

2. Chytré zariadenie

Tu už prichádza to zaujímavé - takéto zariadenie totiž je schopné komunikovať s inými zariadeniami alebo používateľmi. Realizácia komunikácie môže byť rôzna - či už z pohľadu média (kábel, bezdrôtová sieť, satelit, …) alebo aplikačnej vrstvy (protokol, šifrovanie, autentifikácia, …). Vo väčšine prípadov tieto zariadenia alebo predmety takto “ochytrené” prichádzajú od výrobcu v predvolenej konfigurácii a vieme vidieť ich stav alebo ich ovládať či už hlasom alebo pomocou iného zariadenia ako je mobilný telefón.

Žiarovka v appke hlási či svieti alebo nie a môžeme ju na diaľku zapnúť/vypnúť/stlmiť.

3. Sieť chytrých zariadení

Najbežnejším príkladom sú takzvané chytré domácnosti. Bez ohľadu na to či používajú komerčné riešenie ako Tuya alebo open-source variant Home Assistant je efekt jasný - viaceré zariadenia komunikujú z jedným bodom v cloude a lokálnej sieti. To umožňuje vytváranie rôznych automatizácií, úloh a monitorovacích riešení. Tu sa už môže vyskytnúť aj celosvetová sieť internet, avšak slúži väčšinou ako médium na komunikáciu s riešením na správu zariadení - to že máme na domácom serveri spustený Home Assistant vytvára rovnaký efekt ako keď je spustený v cloude (pri rovnakých podmienkach).

Ak meteostanica na streche zaznamená zníženie vonkajšieho svetla, tak sa automaticky pri otvorení bránky do dvora aj zasvieti žiarovka.

4. Internet of Things

Ideálna predstava tejto pardigmy tkvie v tom že zariadenia nekomunikujú len s centralizovaným riešením, ale aj vzájomne medzi sebou a stávajú sa súčasťou celosvetovej siete internet. Aj bez hocijakej konkrétnejšej konfigurácie by sme v ideálnom svete len tým že ich zapneme priamo alebo nepriamo benefitovali z ich pripojenia k internetu. Ako by sme povedali - každý s každým. Samozrejme, takáto futuristická predstava vytvára viaceré otázky a problémy, ktorým sa budeme venovať počas semestra na tomto predmete.

Elektromer domácnosti “kričí” že v tomto čase dňa je vyšší tarif za elektrinu. Zariadenia v domácnosti prejdú do úsporného režimu. Nabíjačka elektroauta o ulicu nižšie vidí že kleslo vyťaženie siete a vie že majiteľ pôjde do práce o 10 minút, tak zvýši výkon nabíjania. Iný dom na ulici má batériu nabitú zo solárneho riešenia, tak zazdieľa časť batérie na nabitie auta suseda … … …

Architektúra IoT riešení

Nakoľko je definícií a aj chápaní IoT viacero, tak aj z technického pohľadu je IoT chápané inak. Medzi najbežnejšie zmieňované sú modely, ktoré rozdeľujú jednotlivé súčasti do vrstiev - v tomto prípade sa vyskytuje 3 a 4 vrstvový model. V našom prípade sa zameriame na 4 vrstvový model. V prípade vášho záujmu si môžete pozrieť aj súvisiaci článok, ktorý prezetuje alternatívne modely. Nami spomínaný model si môžeme jednoduchšie predstaviť pomocou priloženého 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.

• Informácie zísskané senzormi v rámci vecí sú následne odosielané do tzv. IoT brán (z angl. IoT gateway). Táto fáza pozostáva zo systémov na zber údajov a brán, ktoré zbierajú a agregujú 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 väčšinou do procesu spracovania údajov vstúpuje komplexnejšie 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.

Samozrejme, niektoré riešenia môžu mať spustené viaceré vrstvy na jednom fyzickom stroji (napr. v prípade použitia docker-u a virtualizácie), prípadne môžu tieto vrstvy spúšťať podľa potreby.

1. vrstva: Veci, senzory a akčné členy

Každý IoT systém pozostáva z prepojených zariadení, ktoré produkujú údaje. V našom prípade ako príklad používame službu umožňujúcu chytrý vývoz smetí, ktorá má rovnakú architektúru. V tejto vrstve sa nachádzajú zariadenia umiestnené priamo v kontajneroch, ktoré sú pripojené do siete internet.

Na základe vyššie uvedenej definície aj popisu vyplýva že tieto zariadenia nemusia nutne komunikovať len so zariadeniami nachádzajúcimi sa na vyššej vrstve (gateway), ale môžu komunikovať aj so zariadeniami na rovnakej 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 cestoval z najnižšej vrstvy na najvyššiu a naspäť kvôli operácii takéhoto charakteru, keďže analýza tejto akcie nepotrebuje komplexné algoritmy. Taktiež sa cloudový server môže nachádzať geograficky ďaleko, čo by pri odoslaní údajov a čakaní na odpoveď mohlo spôsobiť značnú odozvu.

2. vrstva: IoT Brány a zber dát

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. Medzi tieto brány môžu patriť aj bežné domáce “Wi-Fi routery”, dedikované “IoT automatizačné zariadenia” (pekným príkladom je KNOT Embedded LTE4), “koordinátory IoT prevádzky” (SLZB-06xxx) či jednoduché zariadenia vo formáte USB dongle, ktoré sa môžu pripojiť k bežnému počítaču.

• 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

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 Wikipédie znie:

  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.

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, výpočtovú kapacitu na vyhodnocovanie získaných dát a ich spracovanie.

• 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

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 väčšinou nemajú dostatočný výkon, úložisko alebo dostupnú sadu modulov 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

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

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 vďaka tomu, že chceme byť moderní nevystavili riziku seba a možno aj svojich klientov.

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.

• 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.

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.

Prezentácia k prednáške

Prezentáciu si môžete opätovne prejsť na nasledujúcom odkaze.