TSM - Infrastructura proiectelor IOT

Alexandru Luchiian - Digital Tech Developer Specialist @ Accenture

Foarte mulți care lucrează în domeniul tehnic au în minte idei de implementare a unor soluții IoT ce pot schimbă viața într-un oraș inteligent. Proiectarea și alegerea unei arhitecturi potrivite pentru fiecare idee în parte este primul pas important în dezvoltarea soluției. Mai departe, dorim să vă ghidăm în alegerea unei infrastructuri IoT potrivite în funcție de canalele de comunicare alese, complexitatea proiectului , flexibilitatea și scalabilitatea acestuia.

Scurtă descriere a conceptului de “Internetul lucrurilor” (IoT)

În 1999, Kevin Ashton, un pionier al tehnologiei britanice, a inventat termenul de “Internet of Things”-„Internetul lucrurilor”, pentru a descrie un sistem în care internetul este conectat la lumea fizică prin intermediul senzorilor. Cu toate acestea, tehnologia a luat avânt doar în 2011, după ce un raport Gartner a adăugat-o pe lista noilor tehnologii emergente. De atunci, IoT a câștigat o acoperire globală, unde multe companii au lucrat la dezvoltarea si aplicarea acesteia. Fiecare dispozitiv electronic ce se conectează la internet folosește un identificator unic UID, care îl face să fie recunoscut în mediul online pentru a transmite date. Astăzi, tehnologia IoT este parte din viețile noastre și devine tot mai prezentă în lumea în care trăim. Ceasuri inteligente, televizoare, imprimante, brățări de fitness, termostate, monitoare pentru bebeluși, hrănitoare pentru animale de companie, frigidere, aparate de cafea și, bineînțeles, asistenți vocali de acasă, toate aceste dispozitive transformă casa ta într-o casă inteligentă. În medie, fiecare casă ar avea probabil cel puțin 11 dispozitive inteligente în următorii ani. Există aproximativ 7,62 miliarde de oameni pe planetă noastră și fiecare conectează dispozitive IoT în fiecare zi. Astfel numărului de dispozitive conectate la internet crește de la an la an.

Domenii de aplicare

Tehnologia IoT a devenit tot mai prezentă și vizibilă în domenii precum case inteligente, medicină avansată sau domeniul militar. Totuși, implementarea tehnologiei IoT în anumite domenii cheie a adus o revoluție tehnologică și o creștere a calității vieții și simplificarea proceselor de monitorizare și control.

Controlul și monitorizarea dispozitivelor HVAC, managementul energiei și utilităților, securitatea și monitorizarea prezenței personalului la birou se concretizează prin aplicarea tehnologiei în domeniul Smart Buildings .

Smart Metering reprezintă monitorizarea consumului de gaz, electricitate, contorizarea apei, detectarea defecțiunilor și modificări ale rețelei de furnizare din mers și, de obicei, este implementată într-un oraș Smart.

Interconectarea mai multor sisteme inteligente precum gestionarea traficului, luminilor stradale, smart buildings, monitorizarea deșeurilor sau controlul instalațiilor de irigație se realizează de regulă într-un domeniu precum Smart City.

Smart Home sau Casă Inteligență oferă oricărui utilizator o experiență unică de control și monitorizare a electrocasnicelor, control multimedia sau irigarea gazonului de la distanță.

Tehnologia IoT a revoluționat domeniul agriculturii, prin implementarea de proiecte cu senzori conectați la internet, în aprovizionarea cu apă, fertilizarea cu ajutorul senzorilor, gestionarea bolilor, creșterea randamentului și a producției, monitorizarea animalelor în câmp sau hrănirea acestora de la distanță. Smart Agriculture, un domeniu privilegiat, poate înregistra o revoluție odată cu implementarea tehnologiei IoT, similară în efecte cu cea revoluției industriale din secolul al XIX-lea.

IIOT sau Industrial Internet of Things este un domeniul în care producția este direct conectată cu tehnologia folosită. Prin implementarea tehnologiei IoT, industria a înregistrat a- 4 a revoluție, prin digitalizarea și virtualizarea proceselor tehnologice. Monitorizarea și detectarea defecțiunilor, control de la distanță, unde este permis, sau mentenanță predictivă pe baza măsurătorilor sunt doar câteva din beneficiile IoT.

Procesarea datelor

Potrivit unui studiu al International Data Corporation (IDC), 45% din toate datele create de dispozitivele IoT vor fi stocate, procesate si analizate. Problema acestei creșteri constă în faptul că dispozitivele IoT generează o cantitate colosală de date (se așteaptă să ajungă la 4,4 zebiți pe zi în 2021), dar în același timp posedă în mod normal o putere de calcul foarte mică.

În esență, aceste dispozitive IOT funcționează chiar la marginea lumii fizice și acționează ca simpli culegători de informații care au nevoie de un fel de sistem de asistență extern, centralizat, care să le ofere resursele tehnice și infrastructura necesară. Aici intervine puterea de calcul din cloud.

Cu toate acestea, cloudul este mai mult decât o unitate de stocare. Pentru a înțelege informațiile dispersate, colectate printr-o serie de dispozitive IOT, aceste informații trebuie procesate și analizate în mod eficient.

Infrastructura de comunicare

Comunicarea se face prin intermediul dispozitivelor sau portalurilor. Cel mai des folosită soluție este cea a comunicării prin portaluri. Pot comunica de multe ori prin multiple interfețe. Există o gamă variată de tehnologii pentru comunicarea wireless. Un parametru foarte important într-o astfel de alegere este lățimea de bandă, viteza de transfer a datelor, cerințele de procesare, consumul de energie și securitatea.

Wi-Fi este cel mai comun mod prin care un dispozitiv IoT trimite și furnizează date către Cloud. Este foarte ușor de folosit și foarte răspândit, iar dispozitivele de tipul ESP8266 au devenit o emblemă a conexiunii Wi-Fi. Această tehnologie folosește cel mai frecvent benzile radio UHF de 2,4 gigahertz (120 mm) și 5 gigahertz (60 mm) SHF ISM; aceste benzi sunt împărțite în mai multe canale. Canalele pot fi partajate între rețele, dar un singur transmițător poate transmite local pe un canal în orice moment din timp. Multe obstacole obișnuite, cum ar fi pereții, stâlpii, aparatele electrocasnice etc. pot reduce considerabil autonomia, dar acest lucru ajută la minimizarea interferențelor dintre diferite rețele în medii aglomerate. Un punct de acces (sau hotspot) are, adesea, o rază de acțiune de aproximativ 20 de metri în interior, în timp ce unele puncte de acces moderne pretind până la o rază de 150 de metri în aer liber.

Wi-Fi este potențial mai vulnerabil la atac decât rețelele pe fir, deoarece oricine se află în raza de acțiune a unei rețele cu o interfață de rețea wireless poate încerca accesul. Pentru o conexiune la o rețea Wi-Fi, un utilizator are, de obicei, nevoie de numele rețelei (SSID) și de o parolă. Parola este utilizată pentru a cripta pachetele Wi-Fi și pentru a bloca accesul celor neavizați. Accesul protejat Wi-Fi (WPA) este destinat protejării informațiilor care se deplasează pe rețelele Wi-Fi și include versiuni pentru rețelele personale și cele comerciale.

LoRa (Long Range) este un protocol folosit pentru distanțe lungi, cu un consum redus de energie (LPWAN). Se bazează pe tehnici de modulare a spectrului răspândit, derivate din tehnologia spectrului de răspândire chirp (CSS). LoRa folosește benzi de frecvență radio sub-gigahertz fără licență, cum ar fi 433 MHz, 868 MHz (Europa), 915 MHz (Australia și America de Nord), 865 MHz la 867 MHz (India) și 923 MHz (Asia). Poate atinge rate de date cuprinse între 0,3 kbit / s și 27 kbit / s, în funcție de factorul de răspândire.

LoRaWAN specifică protocolul de comunicare și arhitectura de rețea Low Power Wide Area Network (LPWAN) pentru sistemul IoT. Oferă un sistem de comunicare de tip dispozitiv-portal-server. Portalul comunică cu serverul printr-o conexiune IP standard, iar utilizatorul final folosește o comunicare wireless single-hop cu portalul. Comunicarea cu utilizatorul final este, de obicei, bidirecțională.
Se folosește mai ales arhitectura în stea, deoarece oferă o mai lungă durată de viață bateriei. Extinderea duratei de viață a bateriei și a dispozitivului final, precum și maximizarea capacității totale a rețelei se poate asigura printr-un server de rețea care să gestioneze transferul datelor și un canal RF separat pentru fiecare dispozitiv prin Adaptive Data Rate Scheme (ADR). Pentru transfer folosește o bandă de frecvență de 868MHz, iar viteza datelor variază între 0.25 kb/s și 50 kb/s. Punctul final are atribuit un identificator unic de 64-biți și două chei de 128-biți criptate de AES.

Sigfox este un operator de rețea global francez fondat în 2010 , care construiește infrastructura wireless pentru a conecta obiecte de consum redus (low-power), cum ar fi contoare de energie electrică și apometre inteligente, care trebuie să fie conectate continuu și să emită cantități mici de date. Benzile radio ISM acceptă o comunicare bidirecțională limitată. Standardul existent pentru comunicațiile Sigfox acceptă până la 140 de mesaje uplink pe zi, fiecare dintre acestea putând transporta o sarcină utilă de 12 octeți la o rată de date de până la 100 de biți pe secundă.

Bluetooth Low Energy (BLE) este o tehnologie de rețea personală (home-network) wireless proiectată și comercializată de Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), care vizează aplicații noi în industria de sănătate, fitness, securitate și divertisment la domiciliu. Specificația originală a fost dezvoltată de Nokia în 2006 sub numele de Wibree, care a fost integrat în Bluetooth 4.0 în decembrie 2009 sub denumirea de Bluetooth Low Energy. Are un consum redus de energie și este integrat în toate dispozitivele multimedia sau smart life dar și în producție .

GSM/GPRS sau General Packet Radio Service (GPRS) este un standard de date mobile orientat pe pachete pe sistemul global de comunicații mobile (GSM) al rețelei de comunicații celulare 2G și 3G. GPRS a fost înființat de Institutul European de Standarde în Telecomunicații (ETSI) ca răspuns la tehnologiile celulare mai vechi de tip CDPD și i-mode. Din păcate, comunicațiile 2G mai sunt disponibile la doi operatori (Orange și Vodafone) , dar acestea vor fi închise la începutul anului următor .

GPRS este, frecvent, vândut în funcție de volumul total de date transferate în timpul ciclului de facturare, spre deosebire de datele cu comutare de circuit, care sunt, de obicei, facturate pe minut de timp de conectare, sau uneori cu trepte de o treime de minute. Utilizarea peste limita de date pachet GPRS poate fi taxată pe MB de date, viteză limitată sau interzisă.

GPRS este un serviciu cu cel mai bun efort, care implică debit variabil și latență care depinde de numărul altor utilizatori care partajează serviciul concomitent, spre deosebire de comutarea circuitului, unde o anumită calitate a serviciului (QoS) este garantată în timpul conexiunii. În sistemele 2G, GPRS oferă viteze de date de 56-114 kbit / sec. Tehnologia celulară 2G combinată cu GPRS este uneori descrisă ca fiind 2,5G, adică o tehnologie între a doua (2G) și a treia (3G) generație de telefonie mobilă. Oferă transfer de date cu viteză moderată, prin utilizarea canalelor de acces multiplu (TDMA) de divizare a timpului neutilizate. De exemplu, în sistemul GSM. GPRS este integrat în versiunea GSM 97 și în versiunile mai noi.

LTE-M (LTE-MTC [Machine Type Communication]), care include eMTC (varianta îmbunătățită Machine Type Communication) este un tip de tehnologie radio standard de rețea cu putere redusă (LPWAN) standard dezvoltat de 3GPP pentru a permite o gamă largă de dispozitive celulare și servicii (în special, pentru aplicații de la mașină la mașină(M2M) și pentru IOT).

NB-IoT IoT cu bandă îngustă (NB-IoT) este un standard de tehnologie radio cu rețea redusă de putere redusă (LPWAN), dezvoltat de 3GPP pentru a permite o gamă largă de dispozitive și servicii celulare. NB-IoT se concentrează în mod special pe acoperire la interior, un cost redus, durată lungă de viață a bateriei și densitate ridicată a conexiunii. NB-IoT folosește un subset al standardului LTE, dar limitează lățimea de bandă la o singură bandă îngustă de 200kHz. Aplicațiile IoT care necesită comunicații mai frecvente vor fi mai bine deservite de NB-IoT, care nu are limitări ale ciclului de funcționare care operează pe spectrul autorizat.

Avantajul LTE-M față de NB-IoT este rata de date comparativ mai mare, mobilitatea și vocea prin rețea, dar necesită o lățime de bandă mai mare și este mai costisitoare.

LTE-M este o tehnologie LPWAN adoptată de 5G, care, ca și NB-IoT, se încadrează în categoria mMTC 5G.

3GPP a convenit că atât tehnologiile NB-IoT, cât și tehnologiile LTE-M vor continua să evolueze ca parte a specificațiilor 5G, ceea ce înseamnă că aceste tehnologii pot fi utilizate astăzi și vor continua timp de un deceniu sau mai mult ca parte a evoluției 5G.

Zigbee este o tehnologie bazată pe IEEE 802.15.4 pentru o suită de protocoale de comunicații la nivel înalt utilizate pentru a crea rețele private (private-network), de mică putere, cum ar fi pentru automatizarea casei, colectarea datelor despre dispozitive medicale și alte tipuri de energie redusă (low energy) - necesități o lățime de bandă mare, proiectate pentru proiecte la scară mică, care necesită conexiune wireless. Prin urmare, Zigbee este o rețea wireless ad -hoc cu putere redusă, viteză redusă de date folosită în special pentru controlul și monitorizarea electrocasnicelor , becurilor sau întrerupătoarelor .

Z-WAVE este un protocol de comunicații fără fir, utilizat, în principal, pentru automatizarea casei. Este o rețea care utilizează unde radio cu energie redusă pentru a comunica de la aparat la aparat, permițând controlul wireless al aparatelor rezidențiale și al altor dispozitive, cum ar fi controlul iluminatului, sisteme de securitate, termostate, ferestre, încuietori, monitorizarea aerului din garaj sau apei din piscină. La fel ca alte protocoale și sisteme care vizează piața automatizărilor de acasă și de la birou, un sistem Z-Wave poate fi controlat prin internet de pe un smart phone, tabletă sau computer și local printr-o telecomandă sau un dispozitiv de control central cu rolul de controler hub, dar și cu acela de portal spre exterior.

RFID utilizează câmpuri electromagnetice pentru a identifica și urmări automat etichetele atașate obiectelor. Un sistem RFID constă dintr-un mic transceiver radio, un receptor radio și un emițător. Atunci când este declanșat de un impuls de interogare electromagnetică de la un dispozitiv de citire RFID din apropiere, eticheta transmite datele digitale, de obicei, un număr de inventar de identificare, înapoi către cititor. Acest număr poate fi utilizat pentru a urmări bunurile de inventar.

Pentru ca aceste dispozitive să trimită datele în cloud au nevoie de infrastructură de comunicare solidă, care să deservească această nevoie. Cerințele pentru infrastructurile de comunicații IoT sunt diverse și depind de aplicație. Principalele aspecte pe care trebuie să le luăm în considerare atunci când proiectăm o arhitectură de comunicare sunt :

Infrastructura IoT necesară variază semnificativ în funcție de tipurile de senzori și măsurători, protocoale de comunicații, volumul de date, timpul de răspuns și analizele necesare.

Majoritatea cazurilor în care se folosesc dispozitive IoT utilizează soluțiile bazate pe cloud pentru stocarea datelor. Această abordare simplifică mult proiectarea infrastructurii, permite scalarea ușoară a capacității de stocare și reduce problemele de implementare a securității și analiză a datelor.

Interconectarea dispozitivelor și conexiunea acestora cu rețeaua de internet se realizează printr-un modul de gateway sau de „bridge” către lumea digitală. Acestea pot fi simple routere wireless, prin care dispozitivele se conectează la internet, huburi ZigBee sau Zwave care sunt conectate la rândul lor la routerele cu acces la internet sau comunicatoare LoRa ce pot acoperi zone foarte largi.

În alte cazuri de utilizare, cum ar fi o soluție de întreținere predictivă, care colectează date de la sute de dispozitive la rate de până la 30.000 de ori pe secundă și efectuează analize predictive în timp real, trebuie să proceseze date aproape de viteza de colectare a datelor. Acest tip de proiect IoT necesită o putere de procesare mare, care se realizează prin edge computing.

Un sistem de Smart Parking va exemplifica categoriile și deciziile de care trebuie să ținem cont la proiectarea și dezvoltarea unei infrastructure IoT .

Acest proiect Smart Parking IoT colectează date de la senzori de parcare inteligenți. Datele sunt colectate la fiecare 30 de minute. Dacă starea prezentă se modifică față de starea anterioară între scanări (mașină prezență), sistemul va trimite notificări imediat. Un senzor inteligent facilitează aceste funcții prin procesarea informației și trimiterea în cloud a deciziei.

Având această rată scăzută de citire și transmiterea datelor folosind un protocol low-power, autonomia din punct de vedere al energiei poate fi foarte mare, de până la cinci ani. Datele sunt comunicate folosind o rețea LoRa către un serviciu cloud de broker MQTT și sunt prezentate unei aplicații de conversie a datelor folosind interfața API .

Aplicația de conversie a datelor transformă informațiile într-o bază de date SQL în care softul de analiză extrage necesarul pentru client. Aceste aplicații sunt livrate din infrastructură pentru un furnizor de cloud public.

Un sistem similar ce folosește ca protocol de comunicare Wi-Fi este cel de Monitorizare a calității aerului (www.stropdeaer.ro).

Sistemul ce măsoară calitatea aerului este conectat la priză , iar managementul energiei nu este o prioritate. Din această cauză, procesorul va cere date de la senzorul de particule (SDS011) și de la senzorul de umiditate, presiune și temperatură (BME280) din 2 în 2 minute.

După captarea datelor, procesorul (ESP8266) va trimite datele în cloud, pe trei platforme diferite (pentru un back-up al datelor). Interfațarea cu utilizatorul se va face prin intermediul unui display pe care se pot afișa informațiile necesare.

Astfel, local se pot citi date pe un afișor LCD, conectat la procesor prin interfață I2C. Pentru a vizualiza datele de pe dashboardurile aferente fiecărei platforme, utilizatorul va trebui să conecteze la internet laptopul sau alt dispozitiv pentru a avea acces la informații.

Securitatea infrastructurii IOT

Fie că recunoaștem sau nu, dispozitivele IOT au ajutat la digitalizarea și virtualizarea lumii reale în care trăim. Securitatea trebuie să fie încorporată ca bază a sistemelor IoT, cu verificări riguroase de validitate, autentificare, verificare a datelor și toate datele trebuie criptate. La nivel de aplicație, organizațiile de dezvoltare software trebuie să fie mai bune la scrierea unui cod stabil, rezistent și de încredere, cu standarde performante de dezvoltare a codului, instruire, analiză și testare a amenințărilor. Deoarece sistemele interacționează între ele, este esențial să existe un standard de interoperabilitate convenit, care să fie sigur și valid. Fără o structură solidă, vom crea mai multe amenințări cu fiecare dispozitiv IOT adăugat la internet.

Concluzia

Multe aspecte trebuie avute în vedere atunci când se alege o infrastructură IoT potrivită proiectului . Cazuistica și utilizarea dispozitivelor IoT duc la construirea unei soluții de infrastructură dedicată, în funcție de protocolul de comunicare ales, gateway sau procesarea datelor. Este indicat să se studieze care este soluția potrivită în funcție de puterea de calcul a senzorilor, de acoperirea în funcție de protocolul de comunicare sau de scalabilitate și flexibilitate, pentru un balans perfect între preț și tehnologie.

Proiectarea unui sistem IoT și alegerea unei infrastructuri potrivite, se face astăzi pentru a fi implementat în viitor și pentru a face față provocărilor ulterioare, fie ele de natură tehnică sau non tehnică.

În funcție de proiect, se va avea în vedere pentru un proiect ce implică siguranță unor bunuri, viteză de citire, viteză de răspuns, redundanța senzorilor, poate și o sursă de back-up.

Pentru un proiect de monitorizare a condițiilor meteo, redundanța surselor de alimentare nu este o prioritate, la fel și cu timpul de răspuns sau citirea rapidă a senzorilor. Se va avea însă în vederea sensibilitatea senzorilor sau calitatea datelor citite, cât și momentul exact de timp când se efectuează citirile.

Infrastructura IoT nu este cu siguranță o soluție unică pentru mai multe cazuri.