https://pixabay.com/en/network-iot-internet-of-things-782707/

Какво е IoT и колко трябва да знаем за него?

Това е първата от поредица статии, посветени на изграждането на цялостни IoT архитектури.
Сега и в следващите няколко поста, посветени на темата, ще ви покажем как изглеждат по-голямата част от решенията, включващи смарт устройства – от хардуера, през различните комуникационни протоколи до облачните услуги.
В днешно време информацията, която притежават големите компании, е по-ценна от всичките им останали активи. Тази тенденция тепърва ще се засилва и ние трябва да сме готови за последиците от нея – и добрите и лошите. „Нещата“ вече управляват ежедневието ни и кога ще се наложи да станем специалисти в тази област е въпрос на време, а не на избор.
Затова – ако не се хвърлите смело в началото и не изградите солидни основи, няма как да станете истински IoT архитект и да сте в крак с 4-тата индустриална революция. Ние се надяваме да сме ви полезни и да започнете да използвате IoT във ваша полза.

Идеята на IoT (Internet Of Things, Интернет на Нещата) концепцията е да обедини сферите на електрониката и на IT, или с други думи да размие границата между физическия свят и виртуалния. Както идва и от името свързаните устройства (“неща”) са сърцето на цялата екосистема. Такива устройства могат да следят и управляват поведението на различни други “неща” или обекти от реалния свят – индустриална апаратура, домашни уреди, сгради, коли, стоки и дори хора (с помощта на т.нар. Wearable Devices или Носими Устройства, за които ще стане въпрос по-късно).

Една примерна IoT архитектура обикновено изглежд по следния начин:

Източник: http://forklog.net/

Независимо дали е изпълнена цялостната архитектура, само части от нея или е използван съвсем нов подход в IoT, цялостната система трябва да има следните възможности:

  • Събиране на данни и управление на крайните устройства
  • Съхранение и обработка на информацията
  • Свързаност между всички компоненти
  • Интелигентно управление на енергията

Събиране на данни и управление на крайните устройства

Събирането на данни е процесът, при който физически величини се измерват и преобразуват в цифрови данни през определен времеви интервал (т.нар. период на дискретизация или sample rate). Най-често използваният начин за конвертиране на аналоговите данни в цифрови е чрез аналогово-цифрови преобразуватели (АЦП или ADC), вградени в контролерите или в самите умни устройства. Получените по този начин данни подлежат на допълнителна математическа обработка, за да могат по-лесно да се анализират на по-късен етап.
Сензорите са първичните устройства във всяка система за събиране на данни. Най-широко използваните от тях измерват температура, влажност, съдържание на различни химически вещества във въздуха или водата, налягане, осветеност, поток на въздух или вода, скорост, ускорение, разстояние, GPS координати и още много други. По-простите модели дават на изхода си данни в диапазона между 0-5 V, 0-10 V, 0-1000 Ω, 4-20 mA и други подобни стойности. В този случай АЦП се намира в контролера или концентратора, към който се свързват въпросните сензори и преобразува тези стойности в 10, 12, 16 и повече битови числа. Например даден сензор мери температура от -20 до 100 °C и дава на изхода си напрежение  0-10V. То се преобразува в 12 бита като десетично число от 0 до 1023 а в 16 бита като десетично число от 0 до 65535. Тези числа се мащабират подходящо, за да получим удобни за нас диапазони – в случая когато прочетем от АЦП число 8192, то отговаря на -5 °C, а 32768 отговаря на 40 °C. По-съвременните сензори вече имат вграден АЦП с цел улеснение на интеграцията и премахване на необходимостта от централен контролер за допълнителна обработка. Те изпращат през някои от комуникационните IoT протоколи  вече пресметнати величини.
Но сензорите не измерват само външни стойности от околната среда. Все повече виждаме на пазара и т.нар. проприоцептивни сензори, които служат за мониторинг на вътрешното състояние на устройствата, машините, системите и дори хората. Към този тип сензори спадат GPS, сензори за ускорение, 3D ориентация, посока и имплантите, поставяни в човешкия организъм с цел събиране и обрабока на данни от мускули, нерви и др.

Второто звено на системите за събиране на данни и управление са управляващите устройства. Те ни дават възможност да реагираме или да променяме средата на базата на получените от сензорите данни и решенията, взети от системата за автоматизация. Докато сензорите преобразуват физическите величини в цифрови, управляващите (или изпълнителни) устройства правят точно обратното – преобразуват цифровите данни обратно в ток или напрежение и съответно в светлина, звук, топлина, налягане, преместване и др. Най-често използваните изпълнителни механизми са релетата за включване/изключване на различни консуматори и пневматичните или електрически актуатори, преместващи бутала или хващачи на роботи в индустрията или управляващи термоглавите на радиаторите в домашни условия.

Съхранение и обработка на информацията

Тенденцията е стремглавото увеличаване на броя на свързани интелигентни устройства от последните години да се засилва, а с това да расте и обемът на данните, които четем от тях.

Тук може да видите последните прогнози на BI:

Всички събрани данни от сензорните устройства не носят никаква информация ако не ги обработим и анализираме. Това води до нужата от надежднен начин за съхранение и обработка.
Вече остарелият подход на централизация на записа и анализа на данни не може да се справи с лавинообразно нарастращия брой нови умни системи. Вече споменахме, че по-новите сензори извършват част от предварителната обработка преди да изпратят данните, за да облекчат работата на следващите звена за анализ и съхранение. Такива звена са различни концентратори на данни и контролери (т.нар. edge устройства, намиращи се на “ръба” между физическите устройства и интернет) или облачни (cloud) услуги. Някои от сензорите имат връзка дирекно с cloud услугите, докато други разчитат на наличието на edge устройствата. Вторият начин облекчава значително работата на облачните услуги и позволява оптимизация както на разходи за изграждане на големите центрове за данни (дейта центрове), така и последващите разходи за електрозахранване и охлаждане. Edge устройствата и интелигентните сензори позволяват данните да се обработват почти в реално време и да се вземат решеният за управление локално, а само по-важната информация да се изпраща на по-горните нива. Това значително облекчава и натоварването на комуникационната инфраструктура, свързваща цялата система.

Във всички случаи обаче локалните устройства рядко имат достатъчно голяма памет за съхранение на милиони записи и в крайна сметка най-важните данни стигат до локални, регионални или централни дейта центрове за съхранение, допълнителна обработка и изпращане към други устройства и услуги.

Свързаност между всички компоненти

Свързаността е една от основните черти, по които определяме дадено устройство като “интелигентно” или IoT базирано. Свързаните устройства образуват най-често безжична мрежа на базата на някой или няколко от по-известните протоколи: 802.11 (WiFi), Bluetooth, LowPAN, LoRa и др. Edge устройствата обикновено са стационарни и е възможно да използват и кабелни мрежи на базата на Ethernet, а по-старите модели дори серийни като UART, CAN (използван и в съвременните автомобили) и др.
При всички комуникационни мрежи се постига някоя от следните топологии:

Източник: Wikipedia

Много често в компютърните мрежи разчитаме на топологии тип Звезда (Star) или Дърво (Tree), но те имат много недостатъци – при отпадане на някое от централните устройства цялата мрежа се разпада. Това налага използването на скъпи и сложни централни сървъри и рутери, които често са и обект на кибер атаки.
При IoT се постига т.нар. частично свързана хиперкуб (или Меш от англ. Mesh) мрежа, а в идеалният случай и напълно свързана меш топология, в която отпадането на който и да е елемент или дори група от елементи не влияе на работоспособността на цялата система. Освен това подобни архитектури увеличават и скоростта на пренос на данни заради по-малките разстояние между устройствата. Доказателство за надеждността на Меш мрежите е и наличието на все повече виртуални валути като BitCoin, които я използват като основа.

Интелигентно управление на енергията

Балансът на това каква част от работата по обработката на данните може да се свърши от самото IoT устройство и каква да се прехвърли към централни сървъри и услуги зависи от неговите характеристики – памет, процесорна мощ, консумация на енергия и др. В много случаи умните устройства, захранвани от батерии, “заспиват” и събират данни в локалната си памет, след което се “събуждат” през определен период, изпращат данните си към сървъра “заспиват” отново, спестявайки възможно най-много енергия. За други е критично важно данните да се получат в реално време и се залага на бързодействие и постоянна свързаност за сметка на в пъти по-лоша енергоефективност. Затова често се налагат различни комбинации и компромиси при изграждането на IoT архитектури.
Заради размерите и теглото на захранванията и батериите най-много ограничения на консумираната енергия се налагат при използването на портативни и носими (wearable) устройства като смарт часовници, гривини или дрехи. Все повече от големите производители на спортни стоки например оборудват спортните си обувки за атлети със сензори, за да могат на база на събраната информация да променят дизайна си така, че да помагат за по-добри резултати на спортистите.
Появяват се и все повече законови разпоредби, определящи максималното количество енергия, използвано не само в работен, а и в “спящ” (standby) режим от всички електронни устройства, дори и домашните телевизори и прахосмукачките.

 

След като вече разбирате концепциите, около които се изграждат IoT системите, опитайте да направите малък прототип – дори и само със сензор за температура. Така нагледно ще може да видите колко лесна всъщност е интеграцията на IoT решения и защо толкова бързо тази те набират популярност.
Когато вече имате и събрани данни, можете да преминете и към най-горното ниво на IoT архитектурите – анализ на данните и взимане на решения за оптимизация и управление.
Ако все още не сте наясно с какъв хардуер или софтуер да започнете, очаквайте следващата ни статия в която ще обърнем внимание на най-новите сензори и Edge устройства, а след това и на протоколите за комуникация и софтуерите.

До тогава – ако имате нужда от подкрепа от наша страна, винаги може да посетите Форума, където да зададете въпросите си или да напишете коментар в нашата Фейсбук страница.

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *