PREVENT IoT and Communication Theory (UCLan)

IoT και επικοινωνία - Πρόγραμμα PREVENT

Μάριος Ρασπόπουλος

Έναρξη

Ευρετήριο

Στόχοι

6. Συσκευές και εξαρτήματα IoT

1. Εισαγωγή στο IoT

7. Συνδεσιμότητα και επικοινωνίες IoT

2. Ιστορία του IoT

8. Πρωτόκολλα επικοινωνίας δεδομένων IoT

3. Ορισμοί

9. Προκλήσεις του IoT

4. Απαιτήσεις IoT

10. Εφαρμογές IoT

5. Αρχιτεκτονικές IoT

Αξιολόγηση

Στόχοι

Το κεφάλαιο αυτό έχει ως στόχο να παρουσιάσει τις βασικές αρχές και την αρχιτεκτονική του IoT, να συζητήσει, να εξετάσει και να αξιολογήσει τα βασικά τεχνολογικά στοιχεία που υποστηρίζουν το IoT, να διδάξει πώς να σχεδιάζετε, να προγραμματίζετε και να κατασκευάζετε πρακτικά λύσεις IoT και να αναθεωρήσει τις βασικές τεχνολογικές εφαρμογές του IoT.

01

Εισαγωγή στο IoT

«Ό,τι μπορεί να συνδεθεί, θα συνδεθεί.» Kevin Ashton, πατέρας του IoT

Τι είναι το IoT;

Το Διαδίκτυο των Πραγμάτων (IoT) είναι ένα σύστημα αλληλοσυνδεόμενων υπολογιστικών συσκευών, μηχανικών και ψηφιακών μηχανών που διαθέτουν μοναδικούς αναγνωριστικούς κωδικούς (UID) και την ικανότητα μεταφοράς δεδομένων μέσω δικτύου χωρίς να απαιτείται αλληλεπίδραση μεταξύ ανθρώπων ή μεταξύ ανθρώπων και υπολογιστών. («Internet of Things Global Standards Initiative». ITU. Ανακτήθηκε στις 26 Ιουνίου 2015.)

Τι είναι το IoT;

• Το IoT είναι ένα πολύ δημοφιλές θέμα έρευνας και ανάπτυξης, κυρίως λόγω της πανταχού παρούσας μεταμόρφωσης της πληροφορικής.
• Οι φυσικές συσκευές έχουν γίνει «έξυπνες», με δυνατότητα ανίχνευσης, επικοινωνίας με διαδεδομένο τρόπο και αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον τους, προσφέροντας χρήσιμες εφαρμογές και λύσεις στην ανθρωπότητα σε μια σειρά δραστηριοτήτων π.χ. υγεία, μεταφορές, γεωργία κ.λπ.

• Η έκθεση της ITU για το Διαδίκτυο του 2005 [2] προσθέτει μια τρίτη διάσταση στην παραδοσιακή επικοινωνία «ΟΠΟΥΔΗΠΟΤΕ» και «ΟΠΟΤΕΔΗΠΟΤΕ»: την επικοινωνία «ΟΤΙΔΗΠΟΤΕ».

02

Ιστορία του IoT

Kevin Ashton, 1999

Ιστορία του IoT

• 1982: Ένας τροποποιημένος αυτόματος πωλητής Coca-Cola στο Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon γίνεται η πρώτη συσκευή συνδεδεμένη στο Διαδίκτυο, ικανή να αναφέρει το απόθεμά της και αν τα ποτά που έχουν μόλις τοποθετηθεί είναι κρύα ή όχι.
• 1991: Το άρθρο του Mark Weiser για την πανταχού παρούσα πληροφορική, «The Computer of the 21st Century» (Ο υπολογιστής του 21ου αιώνα), καθώς και ακαδημαϊκοί φορείς όπως το UbiComp και το PerCom διαμορφώνουν τη σύγχρονη οπτική για το IoT.
• 1993-1997: αρκετές εταιρείες πρότειναν λύσεις όπως το Microsoft at Work ή το NEST της Novell.

Ιστορία του IoT

• 1999: Ο τομέας αποκτά δυναμική όταν ο Bill Joy οραματίζεται την επικοινωνία μεταξύ συσκευών ως μέρος του πλαισίου «Six Webs» που παρουσίασε στο Παγκόσμιο Οικονομικό Φόρουμ στο Νταβός.

• 1999 : Ο όρος «Διαδίκτυο των πραγμάτων» πιθανότατα επινοήθηκε από τον Kevin Ashton της Procter & Gamble, ο οποίος αργότερα εργάστηκε στο Auto-ID Center του MIT, αν και ο ίδιος προτιμά την έκφραση «Διαδίκτυο για τα πράγματα».

Η παγκόσμια αγορά IoT

03

Χρήσιμοι ορισμοί

Χρήσιμοι ορισμοί

• Συσκευή: Στο πλαίσιο του IoT, πρόκειται για ένα κομμάτι εξοπλισμού που πρέπει να είναι σε θέση να επικοινωνεί και, προαιρετικά, να ανιχνεύει, να ενεργεί, να συλλέγει δεδομένα, να αποθηκεύει δεδομένα ή να επεξεργάζεται δεδομένα. Η μόνη υποχρεωτική ικανότητά του είναι η επικοινωνία.
• Πράγμα: Ένα αντικείμενο εντός του συστήματος IoT το οποίο μπορεί να αναγνωριστεί και να ενσωματωθεί σε σύστημα επικοινωνίας.
• Φυσικό αντικείμενο: Ένα αντικείμενο του φυσικού κόσμου που μπορεί να γίνει αντιληπτό, να ενεργοποιηθεί και να συνδεθεί είναι γνωστό ως φυσικό αντικείμενο (π.χ. βιομηχανικά ρομπότ, ηλεκτρικός εξοπλισμός κ.λπ.)
• Εικονικό πράγμα: Ένα αντικείμενο στον κόσμο της πληροφορίας που μπορεί να αποθηκευτεί, να υποβληθεί σε επεξεργασία και να είναι προσβάσιμο ονομάζεται εικονικό αντικείμενο. Για παράδειγμα, περιεχόμενο πολυμέσων, λογισμικό εφαρμογών κ.λπ.

ITU-T Τεχνική επισκόπηση του IoT

• Διαδίκτυο των πραγμάτων: Μια παγκόσμια υποδομή πληροφοριών που επιτρέπει την παροχή προηγμένων υπηρεσιών μέσω της διασύνδεσης αντικειμένων (φυσικών και/ή εικονικών) με βάση υφιστάμενες και/ή εξελισσόμενες διαλειτουργικές τεχνολογίες. Το IoT περιλαμβάνει λειτουργίες αναγνώρισης, συλλογής δεδομένων, επεξεργασίας και επικοινωνίας, με σκοπό την παροχή διαφόρων ειδών εφαρμογών, διασφαλίζοντας παράλληλα την ασφάλεια και την προστασία της ιδιωτικής ζωής.

ITU-T Τεχνική επισκόπηση του IoT

• Ένα φυσικό αντικείμενο μπορεί να απεικονιστεί (ή να αναπαρασταθεί) από ένα ή περισσότερα εικονικά αντικείμενα στον τομέα της πληροφορίας..
• Οι πληροφορίες συλλέγονται από φυσικές συσκευές (ή αντικείμενα) στον φυσικό κόσμο και μεταδίδονται μέσω δικτύων επικοινωνίας και του τομέα των πληροφοριών για περαιτέρω επεξεργασία.
• Οι συσκευές μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους είτε μέσω του δικτύου επικοινωνίας (με ή χωρίς πύλη) είτε απευθείας χωρίς τη χρήση του δικτύου επικοινωνίας ή συνδυασμών αυτών των συνδέσεων επικοινωνίας.
• Η ανταλλαγή πληροφοριών δεν συμβαίνει μόνο μεταξύ φυσικών αντικειμένων στον φυσικό κόσμο, αλλά και μεταξύ εικονικών αντικειμένων στον κόσμο της πληροφορίας.

ITU-T Technical Overview of the IoT

• Τα δίκτυα επικοινωνίας παρέχουν δυνατότητες για αξιόπιστη και αποτελεσματική μεταφορά δεδομένων..
• Η υποδομή δικτύου μπορεί να υλοποιηθεί ή να πραγματοποιηθεί μέσω υφιστάμενων τεχνολογιών δικτύωσης (π.χ. δίκτυα TCP-IP) ή μέσω δικτύων που εξελίσσονται σύμφωνα με τις τρέχουσες τάσεις στον τομέα των τηλεπικοινωνιών.

Βασικά χαρακτηριστικά του IoT

• Διασυνδεσιμότητα: Οποιαδήποτε συσκευή IoT μπορεί να συνδεθεί με την παγκόσμια υποδομή πληροφοριών και επικοινωνιών.
• Υπηρεσίες σχετικές με αντικείμενα: Το IoT παρέχει υπηρεσίες που αφορούν τα συνδεδεμένα «πράγματα» εντός των περιορισμών τους, όπως η προστασία της ιδιωτικής ζωής και η σημασιολογική συνέπεια μεταξύ των φυσικών πραγμάτων και των σχετικών εικονικών πραγμάτων.
• Ετερογένεια: Ετερογενείς συσκευές IoT με διαφορετικά χαρακτηριστικά υλικού και δικτύωσης συνδέονται και αλληλεπιδρούν με άλλες συσκευές ή πλατφόρμες σε διάφορους τύπους δικτύων.
• Δυναμικές αλλαγές: Κατά την περιαγωγή και την αλληλεπίδραση σε ένα σύστημα IoT, οι συσκευές αλλάζουν δυναμικά την κατάστασή τους.
• Για παράδειγμα, ύπνος και αφύπνιση, σύνδεση ή αποσύνδεση κατά την αλλαγή της θέσης και της ταχύτητας.
• Τεράστια κλίμακα: Συνήθως, ο αριθμός των συσκευών που πρέπει να διαχειριστούν και ο αριθμός των συσκευών που επικοινωνούν μεταξύ τους είναι σημαντικά μεγαλύτερος από τον αριθμό των συσκευών που είναι συνδεδεμένες στο Διαδίκτυο.
• Πρακτικά, αυτό σημαίνει ότι η επικοινωνία που ξεκινά από τις συσκευές είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή που ξεκινά από τους ανθρώπους. Ακόμα πιο σημαντική είναι η διαχείριση και η ανάλυση των δεδομένων που δημιουργούνται.

04

Απαιτήσεις IoT

Απαιτήσεις IoT

• Συνδεσιμότητα βάσει αναγνώρισης: Πρέπει να υπάρχει ένας υποστηρικτής για τα «πράγματα» που θα συνδεθούν στο IoT με βάση τους αναγνωριστικούς κωδικούς τους (ID). Αυτό περιλαμβάνει την ενοποιημένη επεξεργασία των αναγνωριστικών κωδικών, οι οποίοι ενδέχεται να είναι ετερογενείς.
• Διαλειτουργικότητα: Πρέπει να διασφαλιστεί η διαλειτουργικότητα μεταξύ ετερογενών και κατανεμημένων συστημάτων, ώστε να υποστηρίζεται μια ποικιλία πληροφοριών και υπηρεσιών.
• Αυτόματη δικτύωση: Η υποδομή δικτύου IoT θα πρέπει να παρέχει λειτουργίες ελέγχου για την αυτόματη δικτύωση, συμπεριλαμβανομένης της αυτοδιαχείρισης, της αυτοδιαμόρφωσης, της αυτοεπιδιόρθωσης, της αυτοβελτιστοποίησης και της αυτοπροστασίας, ώστε να είναι σε θέση να υποστηρίζει και να διευκολύνει την προσαρμογή σε διαφορετικούς τομείς εφαρμογής, διαφορετικά περιβάλλοντα επικοινωνίας και μεγαλύτερο αριθμό και τύπους συσκευών.
• Παροχή αυτόνομων υπηρεσιών: Οι υπηρεσίες πρέπει να παρέχονται μέσω της αυτόματης συλλογής, επικοινωνίας και επεξεργασίας των δεδομένων των «πραγμάτων» σύμφωνα με τους κανόνες που έχουν καθοριστεί από τους φορείς εκμετάλλευσης και/ή τους συνδρομητές. Αυτή η αυτόνομη παροχή υπηρεσιών πρέπει να βασίζεται σε τεχνικές συγχώνευσης και εξόρυξης δεδομένων.

Απαιτήσεις IoT

• Δυνατότητες βάσει τοποθεσίας: Τα αντικείμενα θα πρέπει να είναι σε θέση να παρακολουθούν τη θέση τους, ώστε να διευκολύνεται η παροχή υπηρεσιών που εξαρτώνται από τη θέση τους.
• Ασφάλεια: Υπάρχει μια σημαντική απαίτηση για την ενσωμάτωση διαφορετικών πολιτικών και μέτρων ασφάλειας που σχετίζονται με τα αντικείμενα και την επικοινωνία τους σε ένα πλαίσιο IoT, προκειμένου να διασφαλιστεί η CIA (εμπιστευτικότητα, ακεραιότητα και αυθεντικότητα) τόσο για τα δεδομένα όσο και για τις υπηρεσίες.
• Προστασία προσωπικών δεδομένων: Τα δεδομένα που συλλέγονται από τα «πράγματα» ενδέχεται να περιέχουν προσωπικές πληροφορίες των ιδιοκτητών τους και/ή των χρηστών τους. Ως εκ τούτου, είναι σημαντικό να διασφαλίζεται η προστασία της ιδιωτικής ζωής κατά τη διαβίβαση, τη συγκέντρωση, την αποθήκευση, την εξόρυξη και την επεξεργασία των δεδομένων αυτών, χωρίς να δημιουργούνται εμπόδια στην πιστοποίηση της πηγής των δεδομένων.

Απαιτήσεις IoT

• Υψηλής ποιότητας και εξαιρετικά ασφαλείς υπηρεσίες σχετικές με το ανθρώπινο σώμα: Οι υπηρεσίες που βασίζονται στη συλλογή, τη διαβίβαση και την επεξεργασία δεδομένων που σχετίζονται με την ανθρώπινη συμπεριφορά (π.χ. άσκηση, υγεία, τοποθεσία κ.λπ.) αυτόματα ή με ανθρώπινη παρέμβαση θα πρέπει να παρέχονται με εγγύηση υψηλής ποιότητας, ακρίβειας και ασφάλειας.
• Σύνδεση και λειτουργία: Είναι σημαντικό τα συστήματα IoT να υποστηρίζουν τη δυνατότητα plug and play, προκειμένου να επιτρέπουν ή να διευκολύνουν την άμεση δημιουργία, σύνθεση και απόκτηση σημασιολογικών διαμορφώσεων, με στόχο την απρόσκοπτη ενσωμάτωση ενός δικτύου αντικειμένων με τις αντίστοιχες εφαρμογές και την αποτελεσματική ανταπόκριση στις απαιτήσεις αυτών των εφαρμογών..
• Διαχειρισιμότητα: Οι εφαρμογές σε συστήματα IoT συνήθως πρέπει να λειτουργούν αυτόματα, χωρίς την παρέμβαση ή τη συμμετοχή ανθρώπων, και ως εκ τούτου, η συνολική διαδικασία λειτουργίας πρέπει να είναι διαχειρίσιμη από τους αρμόδιους φορείς, προκειμένου να διασφαλίζεται η ομαλή λειτουργία του δικτύου..
• Επεκτασιμότητα: Κάθε αρχιτεκτονική IoT πρέπει να είναι εξαιρετικά επεκτάσιμη και να μπορεί να υποστηρίζει έναν πολύ μεγάλο και συνεχώς αυξανόμενο αριθμό συσκευών που στέλνουν, λαμβάνουν και επεξεργάζονται δεδομένα συνεχώς.

05

IoT Architectures

Η σημασία της ύπαρξης μιας αρχιτεκτονικής αναφοράς

• Για να διασφαλιστεί η συνδεσιμότητα και η διαλειτουργικότητα, είναι σημαντικό να υπάρχει μια αρχιτεκτονική IoT αναφοράς στην οποία θα βασίζονται όλες οι εφαρμογές IoT.
• Ωστόσο, δεν υπάρχει συναίνεση σχετικά με μια ενιαία αρχιτεκτονική IoT, που να έχει συμφωνηθεί σε παγκόσμιο επίπεδο.
• Η βιβλιογραφία αναφέρει κυρίως δύο αρχιτεκτονικά μοντέλα για το IoT;
• μια αρχιτεκτονική 3 επιπέδων
• αρχιτεκτονική 5 επιπέδων
• ορισμένες αρχιτεκτονικές για συγκεκριμένους σκοπούς.
• Παράλληλα με τις ερευνητικές προσπάθειες που αναφέρονται στη βιβλιογραφία, η Διεθνής Ένωση Τηλεπικοινωνιών (ITU) ξεκίνησε το 2012 μια προσπάθεια για την τυποποίηση του μοντέλου λειτουργικής αρχιτεκτονικής για το IoT.

Αρχιτεκτονική 3 επιπέδων

• Η πιο βασική αρχιτεκτονική IoT.
• Εισήχθη για πρώτη φορά το 2009.
• Αποτελείται από
• Επίπεδο αντίληψης
• Επίπεδο δικτύου
• Επίπεδο εφαρμογής
• Απλό και καθορίζει την κύρια ιδέα σχετικά με το IoT, αλλά δεν είναι επαρκές για σκοπούς έρευνας και καινοτομίας, καθώς η έρευνα επικεντρώνεται σε λεπτομερέστερες και πιο αναλυτικές πτυχές του IoT.

Αρχιτεκτονική 3 επιπέδων

• Επίπεδο αντίληψης: Παρέχει τους μηχανισμούς (αισθητήρες) μέσω των οποίων τα πράγματα αντιλαμβάνονται το περιβάλλον τους.
• Περιλαμβάνει αισθητήρες που μετρούν διάφορες παραμέτρους ή συνθήκες στο περιβάλλον τους (π.χ. θερμόμετρα, αισθητήρες υγρασίας, αισθητήρες αδρανείας κ.λπ.) και λειτουργίες για την ανίχνευση και αναγνώριση αντικειμένων.
• Επίπεδο δικτύου: Αυτό το επίπεδο είναι υπεύθυνο για τη συνδεσιμότητα των αντικειμένων με άλλα αντικείμενα, με συσκευές δικτύου (π.χ. δρομολογητές, σημεία πρόσβασης κ.λπ.), με διακομιστές και με το Διαδίκτυο.
• Περιλαμβάνει λειτουργίες σύνδεσης, συσχέτισης, πιστοποίησης στον συνδεδεμένο κόμβο, μετάδοσης των συλλεγμένων πληροφοριών και/ή λήψης ενεργειών που πρέπει να εκτελεστούν από το Thing από το συνδεδεμένο δίκτυο. Το επίπεδο δικτύου υλοποιείται χρησιμοποιώντας τις τρέχουσες αλλά και τις εξελισσόμενες τεχνολογίες δικτύου και κινητής τηλεφωνίας (π.χ. πρότυπα IEEE802.11, 4G, 5G, Zigbee, Bluetooth κ.λπ.), αλλά και διαφορετικούς τύπους πρωτοκόλλων δικτύωσης και συλλογής δεδομένων (π.χ. TCP/IP, MQTT κ.λπ.)
• Επίπεδο εφαρμογής: Αυτό το επίπεδο είναι υπεύθυνο για την παροχή των υπηρεσιών εφαρμογών στους χρήστες/συνδρομητές. Είναι υπεύθυνο για την αξιοποίηση του πλαισίου που συλλέγεται από τα κατώτερα επίπεδα, προκειμένου να παρέχει έξυπνες εφαρμογές στους τελικούς χρήστες (π.χ. έξυπνα σπίτια, ηλεκτρονική υγεία, έξυπνες μεταφορές κ.λπ.).
• Είναι ο τελικός στόχος του συστήματος IoT, το οποίο ενοποιεί τις εισροές από τις υποκείμενες τεχνολογίες για να προσφέρει χρήσιμες και φιλικές προς τον χρήστη εφαρμογές στους χρήστες. Ως εκ τούτου, περιλαμβάνει κυρίως λειτουργίες ανάπτυξης έξυπνου λογισμικού.

Αρχιτεκτονική 5 επιπέδων

• Τα επίπεδα αντίληψης και εφαρμογής είναι τα ίδια με αυτά της αρχιτεκτονικής 3 επιπέδων, ενώ το επίπεδο δικτύου μετονομάζεται σε επίπεδο μεταφοράς.
• Προστίθενται δύο νέα επίπεδα:
• το επίπεδο επεξεργασίας
• το επιχειρηματικό επίπεδο

Αρχιτεκτονική 5 επιπέδων

Πρόσθετα επίπεδα σε σύγκριση με την αρχιτεκτονική 3 επιπέδων

• Επιχειρηματικό επίπεδο: Είναι υπεύθυνο για τη διαχείριση ολόκληρου του συστήματος IoT, συμπεριλαμβανομένων των επιχειρηματικών μοντέλων και των μοντέλων κέρδους, της χρέωσης και της ιδιωτικότητας των χρηστών. Αυτό το επίπεδο ασχολείται επίσης με την έρευνα και την ανάπτυξη στον τομέα του IoT.
• Επίπεδο επεξεργασίας: Γνωστή και ως στρώμα μεσαίου λογισμικού, η στρώμα επεξεργασίας είναι υπεύθυνη για την αποθήκευση και την ανάλυση των δεδομένων που συλλέγονται στο στρώμα αντίληψης και μεταδίδονται μέσω του στρώματος μεταφοράς. Περιλαμβάνει βάσεις δεδομένων, αποθήκευση στο cloud και υπολογιστικές δυνατότητες, μονάδες ανάλυσης δεδομένων κ.λπ.

Αρχιτεκτονικές βασισμένες στο cloud

Εννοιολογικό πλαίσιο IoT με το Cloud Computing στο επίκεντρο

• Η επεξεργασία γίνεται κεντρικά σε διακομιστές υπολογιστικού νέφους.
• Πρόκειται για μια προσέγγιση με επίκεντρο το cloud, όπου όλες οι εφαρμογές έχουν δημιουργηθεί με βάση τη χρήση του δικτύου επικοινωνίας για τη μεταφορά δεδομένων από και προς το cloud.
• Αυτός ο τύπος προσέγγισης προσφέρει τα πλεονεκτήματα της ευελιξίας και της επεκτασιμότητας.
• Η ανάπτυξη του IoT μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη χρήση εργαλείων αποθήκευσης, εξόρυξης δεδομένων και μηχανικής μάθησης, εργαλείων οπτικοποίησης και άλλων εργαλείων που είναι διαθέσιμα στο cloud.

J. Gubbi, R. Buyya, S. Marusic and a. M. Palaniswami, “Internet of Things (IoT): A vision, architectural elements, and future directions,” Future Generation Computer Systems, vol. 29, no. 7, pp. 1645-1660, 2013.

Αρχιτεκτονικές βασισμένες σε ομίχλη

• Οι αισθητήρες καθώς και οι πύλες δικτύου αναλαμβάνουν μέρος της επεξεργασίας και της ανάλυσης των δεδομένων.
• Οι δυνατότητες του cloud computing επεκτείνονται στα όρια του δικτύου, όπου, χάρη στην τοπικοποίηση των δεδομένων, η καθυστέρηση μειώνεται σημαντικά, επιτρέποντας την ταχεία παράδοση δεδομένων σε πραγματικό χρόνο και την παροχή εφαρμογών με χαμηλή καθυστέρηση και ευαίσθητων σε καθυστερήσεις (π.χ. ροή δεδομένων σε πραγματικό χρόνο, εφαρμογές ηλεκτρονικής υγείας κ.λπ.).
• Δεδομένου ότι μέρος της προεπεξεργασίας πραγματοποιείται στους αισθητήρες ή στις έξυπνες πύλες πριν φτάσει στο κεντρικό cloud, ενδέχεται να προκύψουν προβλήματα διαλειτουργικότητας και μετακωδικοποίησης που θα πρέπει να επιλυθούν.

Έξυπνη πύλη με Fog Computing/Έξυπνο δίκτυο

M. a. H. E.-N. Aazam, “Fog Computing and Smart Gateway Based Communication for Cloud of Things,” in International Conference on Future Internet of Things and Cloud, Barcelona, 2014.

Αρχιτεκτονικές βασισμένες σε ομίχλη

• Το φυσικό επίπεδο περιλαμβάνει όλα τα φυσικά και εικονικά αντικείμενα, καθώς και τα φυσικά και εικονικά δίκτυα που τα συνδέουν μεταξύ τους.
• Το επίπεδο παρακολούθησης είναι υπεύθυνο για την παρακολούθηση των δραστηριοτήτων των κόμβων και των δικτύων στο φυσικό επίπεδο.
• Το επίπεδο προεπεξεργασίας είναι υπεύθυνος για τα καθήκοντα που σχετίζονται με τη διαχείριση δεδομένων, όπως η ανάλυση των συλλεγόμενων δεδομένων, το φιλτράρισμα, η ανακατασκευή και η περικοπή, προκειμένου να δημιουργηθούν πιο σημαντικά και χρήσιμα δεδομένα για περαιτέρω επεξεργασία (τυπικό παράδειγμα είναι η ανάλυση αδρανειακών δεδομένων από επιταχυνσιόμετρα, μαγνητόμετρα και γυροσκόπια, προκειμένου να εξαχθούν πληροφορίες πλοήγησης, όπως η κατεύθυνση της κίνησης, η ταχύτητα, ο προσανατολισμός, η επιτάχυνση κ.λπ.).
• Το επίπεδο προσωρινής αποθήκευσης αποθηκεύει προσωρινά τα δεδομένα που δημιουργούνται από το επίπεδο προεπεξεργασίας στους πόρους Fog. Αυτά τα δεδομένα διατηρούνται στους Fogs μόνο μέχρι να μεταφορτωθούν στο cloud και στη συνέχεια διαγράφονται.
• Επίπεδο ασφάλειας: Δεδομένου ότι ενδέχεται να δημιουργηθούν ιδιωτικά και ευαίσθητα δεδομένα στα υποκείμενα επίπεδα (π.χ. στον τομέα της υγειονομικής περίθαλψης, της γεωγραφικής θέσης, του στρατιωτικού IoT), θα πρέπει να υπάρχει λειτουργικότητα για την παροχή ασφάλειας. Αυτός είναι ο ρόλος του επιπέδου ασφάλειας, το οποίο περιλαμβάνει μέτρα κρυπτογράφησης/αποκρυπτογράφησης, προστασίας της ιδιωτικής ζωής, αυθεντικοποίησης και ακεραιότητας.
• Το επίπεδο μεταφοράς είναι υπεύθυνο για τη μεταφόρτωση των προ-επεξεργασμένων και ασφαλών δεδομένων στο cloud.

06

Συσκευές και εξαρτήματα IoT

Συσκευές και εξαρτήματα IoT

Εισαγωγή

• Ένα σύστημα IoT περιλαμβάνει συνήθως έναν μεγάλο (και σε ορισμένες περιπτώσεις τεράστιο) αριθμό ετερογενών συσκευών με διαφορετικές δυνατότητες και η διαλειτουργικότητα όλων αυτών των συσκευών αποτελεί μια πρόκληση.
• Οι συσκευές κατηγοριοποιούνται σε συσκευές μεταφοράς δεδομένων, συσκευές καταγραφής δεδομένων, συσκευές ανίχνευσης και συσκευές ενεργοποίησης.
• Η συλλογή και η μεταφορά δεδομένων είναι υπεύθυνες για την ανάγνωση και/ή την εγγραφή πληροφοριών από ή προς φυσικά αντικείμενα (π.χ. αισθητήρες θερμοκρασίας, αισθητήρες IR, αναγνώστες γραμμωτών κωδικών κ.λπ.).
• Μια γενική συσκευή, από την άλλη πλευρά, διαθέτει ενσωματωμένες δυνατότητες επεξεργασίας και επικοινωνίας (π.χ. μικροελεγκτή) για την εκτέλεση πιο σύνθετων λειτουργιών ή τη διευκόλυνση της ανάπτυξης αυτόνομων συστημάτων IoT χωρίς την ανάγκη σύνδεσης με το δίκτυο ευρείας περιοχής.
• Με βάση αυτές τις κατηγοριοποιήσεις, μπορεί κανείς να ταξινομήσει τις συσκευές ανάλογα με την επεξεργαστική τους ισχύ και τις δυνατότητες συνδεσιμότητάς τους.

Τύποι συσκευών

• Συσκευή μεταφοράς δεδομένων: Συσκευή που συνδέεται απευθείας με ένα φυσικό αντικείμενο για να το συνδέσει έμμεσα με το δίκτυο επικοινωνίας.
• Συσκευή καταγραφής δεδομένων: Συσκευή με λειτουργίες ανάγνωσης/εγγραφής ικανή να αλληλεπιδρά με φυσικά αντικείμενα είτε άμεσα μέσω φορέων δεδομένων συνδεδεμένων με το φυσικό αντικείμενο είτε έμμεσα μέσω μιας συσκευής μεταφοράς δεδομένων.
• Συσκευή ανίχνευσης και ενεργοποίησης: Συσκευή ικανή να ανιχνεύει και να μετρά δεδομένα στο περιβάλλον της και να τα ψηφιοποιεί. Αντίστροφα, μπορεί να μετατρέπει ηλεκτρονικά σήματα από το δίκτυο επικοινωνίας σε ενέργειες/λειτουργίες.
• Συνήθως, αυτού του είδους οι συσκευές επικοινωνούν μεταξύ τους είτε ασύρματα είτε μέσω καλωδίων σε ένα τοπικό δίκτυο και χρησιμοποιούν πύλες για τη σύνδεση μεταξύ διαφορετικών δικτύων.

Ταξινόμηση συσκευών IoT

Με βάση την επεξεργαστική ισχύ

• Συσκευές χωρίς δυνατότητα επεξεργασίας: Στο πλαίσιο του IoT, αυτά θεωρούνται παθητικές συσκευές, συνήθως χαμηλού κόστους χωρίς μικροελεγκτές (π.χ. RFID).
• Συσκευές με χαμηλή επεξεργαστική ικανότητα: Οι δυνατότητες επεξεργασίας τους περιορίζονται στην ανάγνωση και εγγραφή δεδομένων από ή προς αισθητήρες και ενεργοποιητές και στην αποστολή αυτών των δεδομένων σε εφαρμογές IoT, αλλά δεν είναι σε θέση να λαμβάνουν αποφάσεις ή να εκτελούν πολύπλοκους αλγόριθμους. Συνήθως έχουν χαμηλό κόστος και ενσωματώνουν έναν μικροελεγκτή πολύ χαμηλής ισχύος και χαμηλού κόστους. (π.χ. ένα έξυπνο φως ή ένας αισθητήρας πόρτας.)
• Συσκευές με υψηλές δυνατότητες επεξεργασίας: Διαθέτουν επαρκή επεξεργαστική ισχύ που τους επιτρέπει να λαμβάνουν αποφάσεις και να εκτελούν πολύπλοκους αλγόριθμους. Συνήθως έχουν υψηλό κόστος, καθώς χρησιμοποιούν έναν ισχυρό μικροελεγκτή. (π.χ. ένα έξυπνο σύστημα ψύξης ή ένας έξυπνος θερμοστάτης)

Ταξινόμηση συσκευών IoT

Με βάση τη συνδεσιμότητα

• Συσκευές με χαμηλή συνδεσιμότητα: Αυτού του είδους οι συσκευές δεν συνδέονται απευθείας στο δίκτυο επικοινωνίας για τη μεταφορά δεδομένων, αλλά βασίζονται σε πρόσθετα στοιχεία (π.χ. πύλη) για την εκτέλεση εργασιών επικοινωνίας (π.χ. μετάφραση πρωτοκόλλου ή σύνδεση στο διαδίκτυο).
• Συσκευές με υψηλή συνδεσιμότητα: Διαθέτουν τον απαραίτητο εξοπλισμό και την ικανότητα να συνδέονται απευθείας στο δίκτυο για τη μεταφορά των δεδομένων.

Ταξινόμηση συσκευών IoT

Βασισμένο στο ITU-T

• Η σύσταση ITU-T Y.4460 ορίζει τα μοντέλα αρχιτεκτονικής συσκευών με διαφορετικές δυνατότητες. Συγκεκριμένα, προτείνει μοντέλα για συσκευές με:
• Χαμηλή επεξεργαστική ισχύς και χαμηλή συνδεσιμότητα (LPLC)
• Χαμηλή επεξεργασία και υψηλή συνδεσιμότητα (LPHC)
• Υψηλή επεξεργαστική ικανότητα και υψηλή συνδεσιμότητα (HPHC)

Τα κύρια συστατικά ενός συστήματος IoT

• Αισθητήρες/ενεργοποιητές και ενσωματωμένη τεχνολογία
• Συνδεσιμότητα
• Διαχείριση δεδομένων και ανάλυση IoT
• Σύννεφο IoT
• Διεπαφή χρήστη

Αισθητήρες/ενεργοποιητές και ενσωματωμένη τεχνολογία

• Θεωρείται το μπροστινό μέρος οποιασδήποτε εφαρμογής ή συστήματος IoT.
• Αισθητήρες διευκόλυνση της έννοιας της ευαισθητοποίησης ως προς το περιβάλλον, έτσι ώστε οι γνώσεις σχετικά με το περιβάλλον να συλλέγονται και να μεταφορτώνονται για περαιτέρω επεξεργασία στο συνδεδεμένο δίκτυο επικοινωνίας.
• Ενεργοποιητές, λαμβάνουν οδηγίες από το δίκτυο επικοινωνίας και εκτελούν ενέργειες στο περιβάλλον στο οποίο βρίσκονται.

Αισθητήρες

Γενικά

• Ένας αισθητήρας είναι μια συσκευή που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση μιας φυσικής ποσότητας μετατρέποντάς την σε ένα σήμα που μπορεί να αναγνωστεί από το σύστημα.
• Στο IoT, οι φυσικές ποσότητες από το περιβάλλον (π.χ. θερμοκρασία, υγρασία, αδράνεια κ.λπ.) μετρώνται και στη συνέχεια μετατρέπονται σε ηλεκτρονικά σήματα, τα οποία ψηφιοποιούνται για να σταλούν στο δίκτυο επικοινωνίας.
• Οι αισθητήρες περιλαμβάνουν συνήθως μετατροπείς που, εξ ορισμού, μπορούν να μετατρέπουν μια μορφή ενέργειας σε άλλη.
• Με βάση την εφαρμογή, υπάρχουν πολλοί πιθανοί αισθητήρες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ένα σύστημα IoT (αισθητήρες θερμοκρασίας, RFID, αισθητήρες φωτός, ηλεκτρομαγνητικοί αισθητήρες κ.λπ.).

Αισθητήρες

Κριτήρια ταξινόμησης

• Απαιτήσεις τροφοδοσίας: Οι παθητικοί αισθητήρες ή αυτοπαραγόμενοι αισθητήρες παράγουν απευθείας ένα ηλεκτρικό σήμα σε απόκριση σε ένα εξωτερικό ερέθισμα χωρίς την ανάγκη εξωτερικής τροφοδοσίας (π.χ. θερμοστοιχεία ή πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες). Οι ενεργοί αισθητήρες απαιτούν εξωτερική τροφοδοσία ή ένα σήμα διέγερσης για τη λειτουργία τους και, σε αυτή την περίπτωση, η ισχύς του σήματος εξόδου προέρχεται από την τροφοδοσία (π.χ. αισθητήρες υπερύθρων ή σόναρ).

• Φύση του σήματος εξόδου: Οι αισθητήρες μπορεί να είναι αναλογικοί ή ψηφιακοί. Οι αναλογικοί αισθητήρες παράγουν σήματα που είναι συνεχή τόσο ως προς το μέγεθος όσο και ως προς το χρονικό ή χωρικό περιεχόμενό τους (π.χ. θερμοκρασία, μετατόπιση, φως κ.λπ.). Οι ψηφιακοί αισθητήρες είναι εκείνοι που παράγουν σήματα που είναι διακριτά ως προς το χρόνο και το πλάτος (π.χ. κωδικοποιητές άξονα, διακόπτες κ.λπ.
• Λειτουργική λειτουργία: Οι αισθητήρες εκτροπής παράγουν μια απόκριση που είναι μια εκτροπή ή μια απόκλιση από την αρχική κατάσταση του οργάνου και αυτή η εκτροπή είναι ανάλογη με τη μετρούμενη ποσότητα (π.χ. αισθητήρας πίεσης). Ένας αισθητήρας μηδενικής εκτροπής ασκεί επίδραση στο μετρούμενο σύστημα έτσι ώστε να αντισταθμίζει την επίδραση της μετρούμενης ποσότητας. Η επίδραση και η μετρούμενη ποσότητα ισορροπούν (συνήθως μέσω ανάδρασης) έως ότου είναι ίσες αλλά αντίθετες σε τιμή, αποδίδοντας μια μηδενική μέτρηση. Οι αισθητήρες μηδενικής λειτουργίας μπορούν να παράγουν πολύ ακριβείς μετρήσεις, αλλά δεν είναι τόσο γρήγοροι όσο τα όργανα εκτροπής. (π.χ. αισθητήρες γέφυρας Wheatstone).

• Μετρούμενο μέγεθος: Αισθητήρες ανάλογα με την ποσότητα που μετρούν (π.χ. μηχανικοί, θερμικοί, μαγνητικοί, ακτινοβολίας κ.λπ.)

• Μεταβλητή φυσικής μέτρησης: Ανάλογα με το αν οι αισθητήρες βασίζονται στη μεταβολή της αντίστασης, της χωρητικότητας ή των επαγωγών, μπορούν να ταξινομηθούν ως αντιστάσεων, χωρητικότητας ή επαγωγών.

Αισθητήρες

Κριτήρια επιλογής

• Σύμφωνα με την εφαρμογή καθώς και τις απαιτήσεις ακρίβειας και précision, οι αισθητήρες πρέπει να επιλέγονται λαμβάνοντας υπόψη τις ακόλουθες πτυχές:
• Ακρίβεια των μετρήσεων εισόδου
• Αξιοπιστία και επαναληψιμότητα των εισροών
• Οι συνθήκες του περιβάλλοντος στο οποίο θα τοποθετηθούν οι αισθητήρες
• Κόστος και κατανάλωση ενέργειας

Ενεργοποιητές

Γενικά

• Οι ενεργοποιητές είναι συσκευές που μπορούν να επηρεάσουν το περιβάλλον στο οποίο ανήκουν μετατρέποντας ηλεκτρικά σήματα σε διαφορετικές ενέργειες ή σε διαφορετικές μορφές ενέργειας.
• Παραδείγματα περιλαμβάνουν φώτα, οθόνες, κινητήρες, ρομποτικούς βραχίονες, στοιχεία θέρμανσης/ψύξης κ.λπ. Οι κινητήρες κίνησης κατηγοριοποιούνται συνήθως σε ηλεκτρικούς, υδραυλικούς ή πνευματικούς κινητήρες.
• Οι ηλεκτρικοί ενεργοποιητές μετατρέπουν τα ηλεκτρικά σήματα σε κάποια μορφή περιστροφής (π.χ. κινητήρας) ή κίνησης, οι υδραυλικοί διευκολύνουν τη μηχανική κίνηση χρησιμοποιώντας υγρά, ενώ οι πνευματικοί ενεργοποιητές χρησιμοποιούν την πίεση του πεπιεσμένου αέρα.
• Στο τυπικό παράδειγμα ενός συστήματος έξυπνης οικιακής αυτοματοποίησης μπορούμε να βρούμε ενεργοποιητές που κλειδώνουν/ξεκλειδώνουν πόρτες, ανάβουν/σβήνουν τα φώτα, θερμαίνουν για να αυξήσουν τη θερμοκρασία κ.λπ.

Μικροελεγκτές και ενσωματωμένα συστήματα

Τι είναι ένας μικροεπεξεργαστής/μικροελεγκτής;

• Ένας αισθητήρας είναι μια συσκευή που μετατρέπει τις λαμβανόμενες φυσικές συνθήκες ή καταστάσεις σε σήματα (αναλογικά ή ψηφιακά).
• Ένας ενεργοποιητής είναι η συσκευή που μετατρέπει τα ψηφιακά σήματα σε κάποιο είδος φυσικού αποτελέσματος,
• Ο μικροεπεξεργαστής θεωρείται το υπολογιστικό σύστημα που βρίσκεται στο κέντρο και επεξεργάζεται ή/και παράγει τα ψηφιακά σήματα.
• Ένας μικροελεγκτής διαθέτει μια κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU), μια σταθερή ποσότητα μνήμης (RAM και ROM), καθώς και άλλες θύρες εισόδου/εξόδου και περιφερειακά, όλα ενσωματωμένα σε ένα μόνο τσιπ.

Χαρακτηριστικά μικροελεγκτή

Επιλογή μικροελεγκτή

• Δεν μπορεί να υιοθετηθεί μια ενιαία προσέγγιση. Κατά την επιλογή του μικροελεγκτή πρέπει να λαμβάνονται υπόψη διάφορα χαρακτηριστικά:
• Κομμάτια: Οι μικροελεγκτές διαθέτουν διαφορετικές δυνατότητες όσον αφορά τον αριθμό των bit που μπορούν να υποστηρίξουν. Αυτό επηρεάζει την ταχύτητα επεξεργασίας τους. Τα τυπικά μεγέθη είναι 8 bit, 16 bit, 32 bit και 64 bit.

• Μνήμη: Η μνήμη τυχαίας προσπέλασης (RAM) είναι μια μνήμη γρήγορης πρόσβασης που δεν διατηρεί τα δεδομένα όταν η συσκευή δεν είναι συνδεδεμένη με το ρεύμα. Οι μικροελεγκτές είναι ενσωματωμένοι με αυτόν τον τύπο μνήμης, προκειμένου να εκτελούν γρήγορα διάφορες ενέργειες. Διατίθενται σε διαφορετικά μεγέθη, αλλά η αύξηση του μεγέθους της μνήμης, αν και βελτιώνει την ικανότητα επεξεργασίας, αυξάνει το κόστος.

• Flash ή η μνήμη ROM: Είναι η μνήμη των μικροελεγκτών που διατηρεί τα δεδομένα που είναι αποθηκευμένα σε αυτήν όταν η τροφοδοσία είναι απενεργοποιημένη. Δεν είναι τόσο μεγάλη όσο η μνήμη RAM, αλλά είναι απαραίτητη για την υποστήριξη της αποθήκευσης εκτός σύνδεσης.

• Ακροδέκτες γενικής χρήσης εισόδου-εξόδου (GPIO): Αυτά είναι τα σημεία σύνδεσης των αισθητήρων και των ενεργοποιητών. Ο αριθμός των ακίδων μπορεί να κυμαίνεται από μερικές δεκάδες έως εκατοντάδες, ανάλογα με το μέγεθος και το κόστος του μικροελεγκτή.
• Συνδεσιμότητα: Η ικανότητα του μικροελεγκτή να δημιουργεί συνδέσεις με το δίκτυο ή το Διαδίκτυο. Αυτό μπορεί να γίνει μέσω Wi-Fi, Bluetooth, ενσύρματου Ethernet ή οποιασδήποτε άλλης τεχνολογίας επικοινωνίας.

• Κατανάλωση ισχύος: Αυτό είναι ένα σημαντικό στοιχείο, καθώς θα καθορίσει τον αριθμό των ενεργών αισθητήρων και ενεργοποιητών που θα μπορεί να τροφοδοτήσει και να ελέγξει ο μικροελεγκτής, ειδικά όταν ο μικροελεγκτής τροφοδοτείται από εναλλακτικές πηγές (π.χ. ηλιακή ενέργεια). Είναι σημαντικό οι συσκευές IoT να είναι ενεργειακά αποδοτικές, ώστε να μπορούν να εκτελούν εργασίες για μεγάλο χρονικό διάστημα χωρίς να χρειάζεται να τροφοδοτούνται τακτικά.

• Εργαλεία ανάπτυξης και κοινότητα: Είναι πολύ χρήσιμο για τους μικροελεγκτές να συνοδεύονται από εργαλεία ανάπτυξης και τη σχετική τεκμηρίωση, ώστε να διευκολύνεται η ενσωμάτωσή τους σε λύσεις IoT. Η ύπαρξη μιας κοινότητας ή φόρουμ που ασχολούνται με διαφορετικούς τύπους μικροελεγκτών διευκολύνει σημαντικά το έργο των ενσωματωτών/προγραμματιστών στην αναζήτηση πληροφοριών σχετικά με την ανάπτυξή τους.

• Μερικοί δημοφιλείς μικροελεγκτές IoT είναι οι Arduino, ARM, Raspberry Pi και πολλοί άλλοι.

07

Συνδεσιμότητα και επικοινωνίες IoT

Συνδεσιμότητα

Ένα από τα θεμέλια του IoT

• Υπάρχει ένας τεράστιος αριθμός επιλογών για συνδεσιμότητα IoT.
• Απαιτήσεις:
• Ασύρματο (απλούστερη εγκατάσταση, δυνατότητα αναδιαμόρφωσης, κινητικότητα κ.λπ.)
• Ανταλλαγή
• Κατανάλωση ισχύος
• Εύρος
• Εύρος ζώνης
• Απαιτήσεις QoS

Συνδεσιμότητα

Προκλήσεις

• Η συνδεσιμότητα είναι βασικό συστατικό ενός συστήματος IoT.
• Να θυμάστε ότι η μόνη υποχρεωτική δυνατότητα μιας συσκευής IoT είναι η επικοινωνία. Κάθε συσκευή που είναι συνδεδεμένη σε μια πλατφόρμα IoT πρέπει να μπορεί να στέλνει ή να λαμβάνει δεδομένα από το συνδεδεμένο δίκτυο.
• Υπάρχουν διάφορες προκλήσεις που πρέπει να ληφθούν υπόψη και να αντιμετωπιστούν σε σχέση με την επικοινωνία IoT:
• Ταυτοποίηση και διεύθυνση: Δεδομένου ότι ενδέχεται να υπάρχει πολύ μεγάλος αριθμός συσκευών IoT συνδεδεμένων στο δίκτυο επικοινωνίας, θα πρέπει να υπάρχουν αποτελεσματικοί μηχανισμοί και πρωτόκολλα για την αναγνώριση αυτών των συσκευών μέσω μοναδικών διευθύνσεων. Λόγω της εξάντλησης των διευθύνσεων στο πρωτόκολλο IPv4, το IPv6 καθίσταται απαραίτητο στο IoT.
• Επικοινωνία χαμηλής ισχύος: Οι συσκευές IoT είναι συνήθως συσκευές χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας με πολλούς περιορισμούς ισχύος. Επομένως, πρέπει να διασφαλιστεί ότι η τεχνολογία επικοινωνίας δεν καταναλώνει μεγάλο μέρος της διαθέσιμης ισχύος σε αυτές τις συσκευές.
• Αποτελεσματικά πρωτόκολλα δρομολόγησης με χαμηλές απαιτήσεις μνήμης
• Υψηλής ταχύτητας επικοινωνία. Ο ρυθμός μεταφοράς δεδομένων και η διακίνηση δεδομένων, καθώς και η καθυστέρηση, γίνονται πολύ σημαντικοί παράμετροι στις επικοινωνίες IoT, καθώς ο όγκος των δεδομένων μπορεί να είναι πολύ μεγάλος και οι χρόνοι παράδοσης μπορεί να πρέπει να είναι πολύ μικροί.
• Κινητικότητα. Ένα βασικό χαρακτηριστικό των σύγχρονων συστημάτων IoT, καθώς πολλές από τις συσκευές πρέπει να μετακινούνται (π.χ. έξυπνες μεταφορές).

Συνδεσιμότητα

Δίκτυα, κινητές τεχνολογίες και πρωτόκολλα

• Στο IoT, η σύνδεση με το Διαδίκτυο επιτυγχάνεται συνήθως και κατά κανόνα μέσω του πρωτοκόλλου IP (Internet Protocol), παρά το γεγονός ότι η στοίβα πρωτοκόλλων IP απαιτεί μεγάλη κατανάλωση ενέργειας και μνήμης από τις συνδεδεμένες συσκευές.
• Για το λόγο αυτό, είναι επίσης δυνατή η σύνδεση συσκευών στο τοπικό δίκτυο χρησιμοποιώντας τεχνολογίες που δεν βασίζονται στο πρωτόκολλο IP, όπως RFID, Bluetooth, NFC κ.λπ. Ωστόσο, αυτές οι τεχνολογίες έχουν περιορισμένη εμβέλεια.
• Αυτές οι τεχνολογίες χαμηλού εύρους χρησιμοποιούνται για προσωπικά δίκτυα (PAN) και είναι αρκετά δημοφιλείς σε εφαρμογές IoT, όπως τα φορητά συσκευές.
• Για τοπικά δίκτυα (LAN) πρέπει να χρησιμοποιούνται τεχνολογίες συμβατές με IP, ωστόσο το πρωτόκολλο IP πρέπει να τροποποιηθεί ώστε να υποστηρίζει επικοινωνίες χαμηλής ισχύος.
• Ένα από αυτά τα πρωτόκολλα είναι το 6LoWPAN, το οποίο ενσωματώνει το IPv6 με χαμηλότερες απαιτήσεις ισχύος. Άλλες τεχνολογίες δικτύωσης που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο IoT περιλαμβάνουν τα πρότυπα IEEE802.15.4, RFID, LTE, 5G, 802.11, Z-wave κ.λπ.

Bluetooth

• Bluetooth είναι μια προδιαγραφή για τη χρήση ραδιοεπικοινωνιών χαμηλής ισχύος για τη σύνδεση τηλεφώνων, υπολογιστών και άλλων δικτυακών συσκευών σε μικρές αποστάσεις χωρίς καλώδια.
• Καθολική διεπαφή ραδιοσυχνοτήτων για ασύρματη συνδεσιμότητα ad-hoc
• Διασύνδεση υπολογιστών και περιφερειακών συσκευών, φορητών συσκευών, PDA, κινητών τηλεφώνων – αντικατάσταση IrDA
• Ενσωματωμένο σε άλλες συσκευές – χαμηλό κόστος (< 1 $)
• Μικρή εμβέλεια (10 m), χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, χωρίς άδεια χρήσης, 2,4 GHz ISM
• Μετάδοση φωνής και δεδομένων

Bluetooth Χαρακτηριστικά

• Καθολική ασύρματη δυνατότητα μικρής εμβέλειας
• Χρησιμοποιεί ζώνη 2,4 GHz
• Διαθέσιμο παγκοσμίως για χρήστες χωρίς άδεια χρήσης
• Οι συσκευές που βρίσκονται σε απόσταση 10 m μπορούν να μοιράζονται έως 2,1 Mbps ή 24 Mbps χωρητικότητας.
• Υποστηρίζει ανοιχτή λίστα εφαρμογών
• Δεδομένα, ήχος, γραφικά, βίντεο
• Ξεκίνησε ως IEEE 802.15.1
• Τα νέα πρότυπα προέρχονται από την Ομάδα Ειδικού Ενδιαφέροντος Bluetooth (Bluetooth SIG)
• Κλαδικός όμιλος
• Bluetooth 2.0, 2.1, 3.0, 4.0 και 5.0

Bluetooth Συσκευές

Τυπικά παραδείγματα Bluetooth

Εύρεση και ειδοποίηση συσκευών

Bluetooth

Piconets and Scatternets

• Το Bluetooth είναι μια τεχνολογία ασύρματου τοπικού δικτύου (LAN) που έχει σχεδιαστεί για τη σύνδεση συσκευών με διαφορετικές λειτουργίες όταν βρίσκονται σε μικρή απόσταση μεταξύ τους.
• Ένα LAN Bluetooth είναι ένα δίκτυο ad hoc.
• Οι συσκευές, που μερικές φορές ονομάζονται gadget, εντοπίζουν η μία την άλλη και δημιουργούν ένα δίκτυο που ονομάζεται piconet.
• Χρησιμοποιεί Frequency Hopping Spread Spectrum για την αποφυγή παρεμβολών και την ενίσχυση της ασφάλειας (FHSS)
• Το Bluetooth ορίζει δύο τύπους δικτύων:
• piconet
• scatternet.

Bluetooth

Piconets

• Ένα piconet μπορεί να έχει έως και οκτώ σταθμούς, ένας από τους οποίους ονομάζεται κύριος, ενώ οι υπόλοιποι ονομάζονται δευτερεύοντες.
• Όλοι οι δευτερεύοντες σταθμοί συγχρονίζουν τα ρολόγια τους και την ακολουθία αναπήδησης με τον κύριο σταθμό.
• Σημειώστε ότι ένα piconet μπορεί να έχει μόνο έναν κύριο σταθμό.
• Η επικοινωνία μεταξύ του κύριου και του δευτερεύοντος σταθμού μπορεί να είναι μία προς μία ή μία προς πολλές.

Bluetooth

Scatternet

• Ένας δευτερεύων σταθμός σε ένα piconet μπορεί να είναι ο κύριος σταθμός σε ένα άλλο piconet.
• Αυτός ο σταθμός μπορεί να λαμβάνει μηνύματα από τον κύριο σταθμό στο πρώτο piconet (ως δευτερεύων) και, λειτουργώντας ως κύριος, να τα παραδίδει στους δευτερεύοντες σταθμούς στο δεύτερο piconet.
• Ένας σταθμός μπορεί να είναι μέλος δύο piconets.

Bluetooth Smart

Βελτιστοποιημένο για χαμηλή κατανάλωση ενέργειας

• Τα μικρά πακέτα μειώνουν την κορυφαία ένταση ρεύματος TX
• Τα μικρά πακέτα μειώνουν το χρόνο λήψης
• Λιγότερα κανάλια RF για βελτίωση του χρόνου ανίχνευσης και σύνδεσης
• Απλή μηχανή κατάστασης
• Σχεδιασμένο για τη μετάδοση μικρών δεδομένων (1 Mbps, αλλά δεν είναι βελτιστοποιημένο για μετάδοση δεδομένων)

Bluetooth Smart

Τεχνικές λεπτομέρειες

Πλέγμα Bluetooth

Σχεδιασμός

• Η λειτουργία του δικτύου mesh έχει σχεδιαστεί για:
• ενεργοποίηση της αποστολής μηνυμάτων από ένα στοιχείο σε ένα ή περισσότερα στοιχεία (επικοινωνίες συσκευών πολλών προς πολλά (m:m)
• επιτρέπουν τη μεταφορά μηνυμάτων μέσω άλλων κόμβων για την επέκταση του εύρους της επικοινωνίας.
• ασφαλή μηνύματα έναντι γνωστών επιθέσεων ασφαλείας, συμπεριλαμβανομένων επιθέσεων υποκλοπής, επιθέσεων man-in-the-middle, επιθέσεων αναπαραγωγής, επιθέσεων trash-can, επιθέσεων brute-force key, …;

• λειτουργεί σε συσκευές που διατίθενται σήμερα στην αγορά
• να παραδίδουν τα μηνύματα εγκαίρως
• συνεχίζουν να λειτουργούν όταν μία ή περισσότερες συσκευές μετακινηθούν ή σταματήσουν να λειτουργούν
• διαθέτουν ενσωματωμένη συμβατότητα με μελλοντικές εκδόσεις για την υποστήριξη μελλοντικών εκδόσεων της προδιαγραφής προφίλ Mesh.

WPAN - Zigbee

Εισαγωγή

• ZigBee είναι ένα πρότυπο ασύρματης επικοινωνίας που σχεδιάστηκε από την ZigBee Alliance.
• Σχεδιασμένο για:
• απλή εφαρμογή
• χαμηλή κατανάλωση ενέργειας
• Στόχοι εφαρμογής:
• Εκείνες που απαιτούν ασφαλείς επικοινωνίες, χαμηλούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων και μεγιστοποίηση της διάρκειας ζωής της μπαταρίας.
• Σχεδιασμένο για βιομηχανικές και οικιακές εφαρμογές
• Αισθητήρες και συσκευές ελέγχου
• Το ZigBee ορίζεται από μια στοίβα πρωτοκόλλων που επιτρέπει την απλή και αποτελεσματική επικοινωνία μεταξύ διαφορετικών συσκευών.
• Χαμηλά επίπεδα: PHY και MAC, ορίζονται από το πρότυπο IEEE 802.15.4, (Χαμηλή ταχύτητα – WPAN).
• Υψηλά επίπεδα: NWK και APS, ορίζονται από τη ZigBee Alliance.
• Το επίπεδο δικτύου (NWK) διαχειρίζεται τις εργασίες δρομολόγησης και τη συντήρηση των κόμβων του δικτύου.
• Το υποεπίπεδο υποστήριξης εφαρμογών (APS) δημιουργεί μια διεπαφή μεταξύ του επιπέδου δικτύου και των αντικειμένων συσκευών ZigBee (που ορίζονται από το πρότυπο ή τους κατασκευαστές).

WPAN - Zigbee

Εφαρμογές

• Ιδιαίτερα κατάλληλο για περιπτώσεις όπου η κατανάλωση ισχύος και/ή το κόστος υλοποίησης είναι κρίσιμα
• Έχει σχεδιαστεί για να είναι χρήσιμο σε μια ευρεία γκάμα εφαρμογών:
• Βιομηχανικός έλεγχος και παρακολούθηση
• Φιλοξενία ενσωματωμένων αισθητήρων
• Συλλογή ιατρικών δεδομένων
• Δημόσια ασφάλεια
• Ανίχνευση και προσδιορισμός θέσης σε περιοχές καταστροφών

WPAN - Zigbee

Εφαρμογές

• Οικιακή αυτοματοποίηση και δικτύωση
• Διασύνδεση δικτύων
• Σύνδεση περιφερειακών συσκευών (ταχύτητα μετάδοσης 115 kbps, καθυστέρηση 15 ms)
• Ασύρματα ποντίκια, πληκτρολόγια, χειριστήρια, PDAS, παιχνίδια
• Έλεγχος ηλεκτρονικών συσκευών ευρείας κατανάλωσης (10 kbps, 100 ms)
• Ραδιόφωνα, τηλεοράσεις, CD, βίντεο, DVD και άλλα παρόμοια
• Πραγματικά καθολικό τηλεχειριστήριο για τον έλεγχο όλων των συσκευών
• Οικιακή αυτοματοποίηση (10 kbps, 100 ms)
• θέρμανση, εξαερισμός και κλιματισμός
• ασφάλεια
• φωτισμός
• έλεγχος αντικειμένων όπως κουρτίνες, παράθυρα, πόρτες και κλειδαριές
• Παρακολούθηση της υγείας (10 kbps, 100 ms)
• ιατρική παρακολούθηση των ηλικιωμένων που ζουν μόνοι
• Διαδραστικά παιχνίδια (115 kbps, 15 ms)

• Γεωργία ακριβείας
• ανίχνευση της υγρασίας του εδάφους, των φυτοφαρμάκων, των ζιζανιοκτόνων ή των επιπέδων pH
• ανίχνευση της υγρασίας του εδάφους (συστήματα στάγδην, χρησιμοποιώντας μόνο την ποσότητα νερού που απαιτείται για να διατηρηθούν τα φυτά πράσινα)
• Έλεγχος στόλου
• Αισθητήρες αυτοκινήτων
• Παρακολούθηση πίεσης ελαστικών
• Επίπεδα λαδιού
• Χιλιόμετρα
• Έξυπνες ετικέτες και ταμπελάκια
• Ανίχνευση καπνού ή εισβολέα

WPAN - Zigbee

Διατάξεις πλέγματος

WLAN - WIFI

Εισαγωγή

• Μαζί με την τεχνολογία κινητής τηλεφωνίας, το Wi-Fi είναι το πιο γνωστό πρωτόκολλο συνδεσιμότητας και υπάρχει σε σχεδόν κάθε σπίτι στον κόσμο.
• Πρώτη περίπτωση: Παροχή συνδεσιμότητας «εν κινήσει» σε αεροδρόμια, ξενοδοχεία, ίντερνετ καφέ και εμπορικά κέντρα
• Ο στόχος ήταν να παρέχεται περιήγηση στο διαδίκτυο, ηλεκτρονικό ταχυδρομείο και, για τους επαγγελματίες χρήστες, πρόσβαση στο δίκτυο του γραφείου μέσω εφαρμογών εικονικού ιδιωτικού δικτύου (VPN).
• Αργότερα, το ασύρματο LAN εισήχθη σταθερά στο περιβάλλον του σπιτιού και του γραφείου.
• Τώρα, διαθέσιμο σε πολλές συσκευές: υπολογιστές, εκτυπωτές, κονσόλες παιχνιδιών, διακομιστές πολυμέσων, σαρωτές
• από συσκευές τόσο μικρές όσο ένα smartphone ή τόσο μεγάλες όσο μια οθόνη σε ένα αμφιθέατρο
• Το Wi-Fi μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εύκολη σύνδεση συσκευών IoT, καθώς και για τη σύνδεσή τους σε ασύρματα σημεία πρόσβασης που με τη σειρά τους συνδέονται με συστήματα που βασίζονται στο cloud.

Wi-Fi

Πρότυπο IEEE 802.11

WLAN - WIFI

802.11 - Αρχιτεκτονική ενός δικτύου υποδομής

• Σταθμός (STA)
• τερματικό με μηχανισμούς πρόσβασης στο ασύρματο μέσο και ραδιοεπικοινωνία με το σημείο πρόσβασης
• Βασικό σύνολο υπηρεσιών (BSS)
• ομάδα σταθμών που χρησιμοποιούν την ίδια ραδιοσυχνότητα
• Σημείο πρόσβασης
• σταθμός ενσωματωμένος στο ασύρματο LAN και στο σύστημα διανομής
• Πύλη
• γέφυρα προς άλλα (ενσύρματα) δίκτυα
• Σύστημα διανομής
• δίκτυο διασύνδεσης για τη δημιουργία ενός λογικού δικτύου (EES: Extended Service Set) με βάση διάφορα BSS

WLAN - WIFI

Το βασικό σύνολο υπηρεσιών (BSS)

• Το AP λειτουργεί ως γέφυρα και σημείο αναμετάδοσης.
• Σε ένα BSS, οι σταθμοί-πελάτες δεν επικοινωνούν απευθείας μεταξύ τους. Αντίθετα, αν ένας σταθμός στο BSS θέλει να επικοινωνήσει με έναν άλλο σταθμό στο ίδιο BSS, το πλαίσιο MAC αποστέλλεται πρώτα από τον σταθμό προέλευσης στο AP και, στη συνέχεια, από το AP στον σταθμό προορισμού.
• Ομοίως, ένα πλαίσιο MAC από έναν σταθμό στο BSS προς έναν απομακρυσμένο σταθμό αποστέλλεται από τον τοπικό σταθμό προς το AP και στη συνέχεια αναμεταδίδεται από το AP μέσω του DS κατά τη διαδρομή του προς τον σταθμό προορισμού.
• Το BSS αντιστοιχεί γενικά σε αυτό που αναφέρεται στη βιβλιογραφία ως «κύτταρο».
• Το DS μπορεί να είναι ένας διακόπτης, ένα ενσύρματο δίκτυο ή ένα ασύρματο δίκτυο.

WLAN - WIFI

Το σύνολο εκτεταμένων υπηρεσιών (ESS)

• Ένα εκτεταμένο σύνολο υπηρεσιών (ESS) αποτελείται από δύο ή περισσότερα βασικά σύνολα υπηρεσιών που συνδέονται μεταξύ τους μέσω ενός συστήματος διανομής.
• Συνήθως, το σύστημα διανομής είναι ένα ενσύρματο δίκτυο LAN, αλλά μπορεί να είναι οποιοδήποτε δίκτυο επικοινωνιών.
• Το εκτεταμένο σύνολο υπηρεσιών εμφανίζεται ως ένα ενιαίο λογικό LAN στο επίπεδο ελέγχου λογικής σύνδεσης (LLC).

WLAN - WIFI

Τύποι δικτύων Wi-Fi

• Δίκτυα υποδομών
• Ad-Hoc δίκτυα

Go

Go

WLAN - WIFI

Δίκτυο υποδομών

• Συνδέσεις μεταξύ ασύρματων συσκευών που πραγματοποιούνται μέσω ενός σημείου πρόσβασης, το οποίο επιτρέπει επίσης στις συσκευές να συνδεθούν σε ένα ενσύρματο δίκτυο.

Infrastructure Networks

Σημεία πρόσβασης

• Ποια είναι η διαφορά μεταξύ ενός ασύρματου δρομολογητή και ενός σημείου πρόσβασης;
• Οι ασύρματοι δρομολογητές περιλαμβάνουν ένα AP, ένα διακόπτη και έναν δρομολογητή ευρείας ζώνης.
• Ένα σημείο πρόσβασης είναι ένας πομπός/δέκτης ραδιοσυχνοτήτων που χρησιμοποιείται ευρέως για τη σύνδεση ασύρματων και ενσύρματων (ethernet) δικτύων. Ένα σημείο πρόσβασης παρέχει μόνο μια διεπαφή/πύλη για την σύνδεση ασύρματων πελατών στο υπάρχον LAN.
• Ένας δρομολογητής έχει επιπλέον λειτουργίες: επιτρέπει σε πολλούς πελάτες να συνδεθούν στο Internet παρέχοντας εσωτερικές διευθύνσεις IP, διαθέτει δυνατότητες NAT και συχνά ενσωματωμένο διακόπτη. «Δρομολογεί» την κίνηση μεταξύ δύο διαφορετικών δικτύων, συνήθως το Internet από την πλευρά WAN και το τοπικό δίκτυο από την πλευρά LAN.

WLAN - WIFI

Ad-hoc Δίκτυο

• Ένας αποκεντρωμένος τύπος ασύρματου δικτύου.
• Ad hoc, επειδή δεν βασίζεται σε προϋπάρχουσα υποδομή, όπως δρομολογητές σε ενσύρματα δίκτυα ή σημεία πρόσβασης.
• Προσωρινές συνδέσεις μεταξύ συσκευών – χωρίς σύνδεση σε ενσύρματο δίκτυο
• Οι χρήσεις περιλαμβάνουν μεταφορά δεδομένων μεταξύ smartphone και φορητού υπολογιστή, παιχνίδια κ.λπ.

WLAN - WIFI

Απαιτήσεις WLAN

WLAN - WIFI

Ρυθμίσεις 802.11

• SSID – (Αναγνωριστικό συνόλου υπηρεσιών) Όνομα δικτύου
• Ad-Hoc ή Υποδομή
• Ασφάλεια
• WEP, WPA-PSK, WPA2-PSK, WPA Enterprise ή WPA2-Enterprise
• Κανάλι – ραδιοσυχνότητα
• BSSID: Η διεύθυνση MAC του σημείου αποδοχής

WiFi Mesh

Δίκτυο πλέγματος

• ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ
• Μειωμένη εξάρτηση από ενσύρματα δίκτυα
• Μειωμένος χρόνος εγκατάστασης
• Εύκολα επεκτάσιμο
• ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ
• Μπορεί να μειώσει την απόδοση
• Κάπως δύσκολο στη συντήρηση
• Εξάρτηση από την ηλεκτρική ενέργεια

Source: www.shadowandy.net

Wi-Fi Hallow

Σχεδιασμένο για το IoT

• Ειδικά σχεδιασμένο για το IoT
• Βασισμένο στο πρότυπο IEEE 802.11ah
• Προσφέρει την εμβέλεια, τους ρυθμούς δεδομένων, τη διείσδυση και τα προφίλ χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας που απαιτούνται σε περιβάλλοντα IoT.
• Περιπτώσεις χρήσης:
• Βιομηχανικός αυτοματισμός
• Εφοδιαστική και μεταφορές
• Γεωργία
• Αυτοματισμός σπιτιού και κτιρίων
• Έξυπνες πόλεις

Source: Wi-Fi Alliancewww.wi-fi.org/discover-wi-fi/wi-fi-halow

Wi-Fi Hallow

Χαρακτηριστικά

Wi-Fi Hallow

TWT AND RAW

• Στόχος χρόνου αφύπνισης (TWT)
• Οι συσκευές πελατών που αναμένεται να παραμείνουν σε κατάσταση αναστολής λειτουργίας για μεγάλα χρονικά διαστήματα μπορούν να διαπραγματευτούν μια σύμβαση TWT με το AP.
• Το AP αποθηκεύει οποιαδήποτε κίνηση προορίζεται για τον πελάτη μέχρι να φτάσει η συμφωνημένη ώρα αφύπνισης.
• Όταν η συσκευή-πελάτης ενεργοποιείται την καθορισμένη ώρα, αναζητά το σήμα του και συνδέεται με το AP για να λάβει και να μεταδώσει τα δεδομένα που απαιτούνται πριν επιστρέψει στην κατάσταση αναστολής λειτουργίας.
• Το διάστημα μεταξύ των χρόνων αφύπνισης, που συμφωνείται μεταξύ του πελάτη και του AP, μπορεί να ποικίλει από ιδιαίτερα σύντομο (μικροδευτερόλεπτα) έως πολύ μακρύ (έτη).
• Παράθυρο περιορισμένης πρόσβασης (RAW)
• Για συστήματα με προβλέψιμες περιόδους δραστηριότητας, ένα AP μπορεί να παραχωρήσει σε ένα υποσύνολο πελατών δικαιώματα RAW για τη μεταφορά των δεδομένων τους, ενώ οι υπόλοιποι μπορούν να τεθούν σε κατάσταση αναστολής λειτουργίας, να αποθηκεύσουν τα μη επείγοντα δεδομένα σε buffer ή και τα δύο.
• Οι συσκευές των πελατών εξοικονομούν ενέργεια και αφήνουν περισσότερη χωρητικότητα δικτύου διαθέσιμη για άλλη κίνηση που απαιτεί άμεση ανταπόκριση.
• Συνδυάζοντας τις λειτουργίες TWT και RAW, ένας σχεδιαστής δικτύου μπορεί να ελαχιστοποιήσει την διεκδίκηση καναλιών και να εξοικονομήσει ενέργεια σε όλο το σύστημα.

IEEE 802.11ax

Wi-Fi 6

• IEEE 802.11ax, με την ονομασία Wi-Fi 6 από την Wi-Fi Alliance
• Μπορεί να θεωρηθεί ως ασύρματη τεχνολογία υψηλής απόδοσης.
• Οι βασικές βελτιώσεις δεν αφορούν τη διακίνηση δεδομένων, αλλά την αποδοτικότητα και την υποστήριξη πολλαπλών μεταδόσεων χρηστών.
• Υποστηρίζει επίσης OFDMA (όπως LTE), εξοικονόμηση ενέργειας TWT, υποστήριξη 2,4GHz και 5GHz, χρωματισμό BSS, 1024QAM κ.λπ.
• Το 802.11ax είναι μια εξέλιξη του 802.11ac που έχει σχεδιαστεί για να υποστηρίζει περιβάλλοντα εξαιρετικά υψηλής πυκνότητας (UHD) με πολλούς χρήστες με τρεις ή τέσσερις πελάτες 802.11, οι οποίοι καταναλώνουν ταυτόχρονα πόρους δικτύου.
• Αυτό το καθιστά ιδανικό για το IoT.
• Τα δύο πρώτα σχέδια του προτύπου απορρίφθηκαν.
• 3η έκδοση που συμφωνήθηκε στις 01/07/18
• Έγκριση από το IEEE στα τέλη του 2019

IEEE 802.11ax

Βασικές βελτιώσεις

• Λειτουργία 2,4 GHz και 5 GHz
• OFDMA
• Χρωματισμός BSS
• Στόχος χρόνου αφύπνισης
• 1024 QAM

LoRA (Long Range) WAN

• LoRa σημαίνει Long Range (μεγάλη εμβέλεια)
• Μια τεχνολογία φυσικού επιπέδου που δημιουργήθηκε από μια ιδιωτική εταιρεία με την ονομασία Semtech,
• Σε αυτό το πλαίσιο, η Semtech διατηρεί την κυριότητα του φυσικού επιπέδου και επιτρέπει σε τρίτους να αναπτύσσουν δίκτυα χρησιμοποιώντας το πρότυπο LoRaWAN.
• Το LoRa χρησιμοποιεί το δικό του σχήμα διαμόρφωσης φάσματος (LoRa Spread Spectrum) που εφαρμόζεται σε ζώνες ISM: 868 (Ευρώπη), 915 (ΗΠΑ) και 433 MHz (Ασία).
• Είναι σχεδιασμένο για επικοινωνίες μεγάλων αποστάσεων (έως 22 χλμ. σε αγροτικές περιοχές ή 2 έως 5 χλμ. σε αστικές περιοχές).
• Μία από τις απαιτήσεις είναι επίσης η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, οπότε διατηρεί χαμηλούς ρυθμούς δεδομένων (0,3 έως 50 kbps για ανερχόμενη ζεύξη) και απαντά μόνο σε προηγούμενες μεταδόσεις σε κατερχόμενη ζεύξη (ο κόμβος αποστολής παραμένει σε κατάσταση ακρόασης για λίγο πριν μεταβεί σε κατάσταση αναστολής λειτουργίας).
• Θεωρείται εξαιρετική επιλογή για επικοινωνία IoT χαμηλής ισχύος και μεγάλης εμβέλειας.

LoRA

Τυπικές εφαρμογές

• Έξυπνη γεωργία:
• Παρακολούθηση της υγρασίας και της θερμοκρασίας του εδάφους, παρακολούθηση της υγείας των καλλιεργειών.
• Έξυπνες πόλεις:
• Περιβαλλοντική παρακολούθηση, διαχείριση αποβλήτων και έξυπνες λύσεις στάθμευσης.
• Βιομηχανικό IoT:
• Παρακολούθηση εξοπλισμού, προληπτική συντήρηση και παρακολούθηση περιουσιακών στοιχείων.

Source: https://www.mokosmart.com/lora-technology/

LoRA

Πλεονεκτήματα

• Επεκτασιμότητα:
• Εύκολα επεκτάσιμο για τη διαχείριση διαφόρων συσκευών σε διαφορετικές εφαρμογές.
• Χαμηλό κόστος:
• Οικονομικά αποδοτικό για την ανάπτυξη δικτύων IoT μεγάλης κλίμακας.
• Βελτιωμένη κάλυψη:
• Βελτιωμένη κάλυψη σε δύσκολες συνθήκες, όπως αστικές περιοχές ή αγροτικές περιοχές.

Άλλες επιλογές συνδεσιμότητας

• SigFox
• είναι μια άλλη τεχνολογία δικτύου ευρείας περιοχής χαμηλής ισχύος (LPWAN) που είναι πολύ παρόμοια με το LoRAWan.
• Η διαφορά είναι ότι η Sigfox ανοίγει το φυσικό της επίπεδο σε τρίτους κατασκευαστές και ελέγχει το δίκτυο για να προσφέρει την υπηρεσία συνδεσιμότητας, ενώ η Semtech διατηρεί την ιδιοκτησία του φυσικού επιπέδου και επιτρέπει σε τρίτους να αναπτύσσουν δίκτυα χρησιμοποιώντας το πρότυπο LoRaWAN.
• NB-IoT:
• Το Narrowband IoT (NB-IoT) είναι ένα ανοιχτό πρότυπο 3GPP βασισμένο στο LTE που ορίστηκε στην έκδοση 13 του 3GPP τον Ιούνιο του 2016.
• Επιτρέπει ευέλικτη και γρήγορη ανάπτυξη, καθώς είναι συμβατό με την υπάρχουσα υποδομή δικτύου, χρησιμοποιώντας ένα μικρό μέρος του διαθέσιμου φάσματος σε LTE.
• Τα περισσότερα eNB (σταθμοί βάσης LTE) μπορούν να αναβαθμιστούν για να υποστηρίζουν NB-IoT.
• Ενώ τα Sigfox και LorWAN λειτουργούν συνήθως από ιδιώτες και ιδιωτικές εταιρείες, το NB-IoT πρέπει να λειτουργεί και να διαχειρίζεται από έναν αδειοδοτημένο τηλεπικοινωνιακό φορέα, καθώς λειτουργεί πάνω από το LTE.
• Το NB-IoT αξιοποιεί τις σύγχρονες τεχνολογίες κινητής επικοινωνίας προσθέτοντας ένα σήμα στενής ζώνης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επικοινωνία συσκευών χαμηλής ισχύος και συσκευών χαμηλής πολυπλοκότητας.
• Προσφέρει αυξημένη χωρητικότητα συστήματος, αποδοτικότητα φάσματος και χρήση ισχύος. Ωστόσο, μπορεί να εμποδίσει τις ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων, να παρεμποδίσει τις ενημερώσεις μέσω ασύρματου δικτύου και να έχει περιορισμένη παγκόσμια υποστήριξη.

Άλλες επιλογές συνδεσιμότητας

• Cellular
• Τα LoRAWan και Sigfox παρέχουν συνδεσιμότητα WAN σε μεγάλη αλλά περιορισμένη εμβέλεια, αλλά μόνο τα συστήματα κινητής τηλεφωνίας μπορούν να υποστηρίξουν παγκόσμια συνδεσιμότητα.
• Τα συστήματα IoT άρχισαν να χρησιμοποιούνται από την αρχή της τεχνολογίας 4G, αλλά η εισαγωγή της τεχνολογίας 5G ήταν αυτή που έκανε την κινητή τηλεφωνία μία από τις πιο σημαντικές τεχνολογίες συνδεσιμότητας για το IoT, χωρίς να αναφερθούμε στο δυναμικό που δημιουργεί η τεχνολογία 6G.
• Wired-IoT:
• Η ενσύρματη συνδεσιμότητα παραμένει μια αξιόπιστη επιλογή όταν η κινητικότητα δεν είναι απαραίτητη και υπάρχει η κατάλληλη υποδομή για την υποστήριξή της. Η ενσύρματη συνδεσιμότητα μπορεί να υποστηριχθεί είτε με τη χρήση καλωδίων συνεστραμμένου ζεύγους (π.χ. CAT-5, CAT-6 ή CAT-7), οπτικών ινών ή ακόμη και ομοαξονικών καλωδίων.
• Στην πραγματικότητα, η ενσύρματη συνδεσιμότητα μπορεί να είναι η προτιμώμενη επιλογή όταν η αξιοπιστία και η ασφάλεια είναι παράγοντες που πρέπει να ληφθούν σοβαρά υπόψη, δεδομένου ότι υπάρχει υποστήριξη υποδομών.
• Άλλες επιλογές περιλαμβάνουν Z-Wave, Satellite, ANT+

08

Πρωτόκολλα επικοινωνίας δεδομένων IoT

Πρωτόκολλα επικοινωνίας δεδομένων IoT

Εισαγωγή

• Η συνδεσιμότητα REST μέσω του Διαδικτύου χρησιμοποιείται ως αρχιτεκτονική επικοινωνίας για τις συσκευές IoT.
• Συνήθως, οι συσκευές IoT έχουν περιορισμένους πόρους και ενδέχεται να υποστούν απώλεια δεδομένων ή να έχουν υψηλές απαιτήσεις μνήμης.
• Μπορεί να χρησιμοποιηθεί HTTP.
• Εναλλακτικά, μερικά πρωτόκολλα που είναι αποτελεσματικά είναι τα εξής:
• MQTT
• CoAP
• XMPP
• WebSocket
• AMQP

REST, or REpresentational State Transfer, is an architectural style for providing standards between computer systems on the web, making it easier for systems to communicate with each other.

Πρωτόκολλα επικοινωνίας δεδομένων για το IoT

HTTP

• Το πρωτόκολλο μεταφοράς υπερκειμένου (Hypertext Transfer Protocol) αποτελεί μια πιθανή εναλλακτική λύση για την υποστήριξη των υπηρεσιών IoT και τη διατήρηση της συμβατότητας με τον Παγκόσμιο Ιστό.
• Το HTTP βασίζεται σε ένα μοντέλο πελάτη-διακομιστή, όπου ο πελάτης ζητά δεδομένα από τον διακομιστή μέσω μιας σύνδεσης TCP.
• Τα μηνύματα HTTP είναι βασισμένα σε κείμενο.
• Τόσο οι κεφαλίδες HTTP όσο και η μεταφερόμενη μορφή (συνήθως κείμενο html ή δυαδικά δεδομένα που έχουν μετατραπεί σε μορφή κειμένου) μπορούν να συμπιεστούν.

Πρωτόκολλα επικοινωνίας δεδομένων για το IoT

MQTT

• Το MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) είναι ένα ανοιχτό πρότυπο ISO (ISO/IEC 20922).)
• Προσφέρει ένα ελαφρύ πρωτόκολλο δικτύου δημοσίευσης-συνδρομής που μεταφέρει μηνύματα μεταξύ συσκευών.
• Το πρωτόκολλο συνήθως εκτελείται μέσω TCP/IP.
• Το πρωτόκολλο MQTT ορίζει δύο τύπους οντοτήτων δικτύου: έναν μεσάζοντα μηνυμάτων και έναν αριθμό πελατών:
• Ένας μεσάζων MQTT είναι ένας διακομιστής που λαμβάνει όλα τα μηνύματα από τους πελάτες και στη συνέχεια τα δρομολογεί στους κατάλληλους πελάτες προορισμού.
• Ένας πελάτης MQTT είναι οποιαδήποτε συσκευή που εκτελεί μια βιβλιοθήκη MQTT και συνδέεται με έναν μεσάζοντα MQTT μέσω ενός δικτύου.

MQTT Example

Πρωτόκολλα επικοινωνίας δεδομένων για το IoT

CoAP

• Το πρωτόκολλο CoAP (Constrained Application Protocol) είναι ένα εξειδικευμένο πρωτόκολλο διαδικτυακών εφαρμογών για συσκευές με περιορισμούς, όπως ορίζεται στο RFC 7252.
• Επιτρέπει σε αυτές τις περιορισμένες συσκευές, που ονομάζονται «κόμβοι», να επικοινωνούν με το ευρύτερο Διαδίκτυο χρησιμοποιώντας παρόμοια πρωτόκολλα.
• Το CoAP χρησιμοποιείται επίσης μέσω άλλων μηχανισμών, όπως τα SMS σε δίκτυα κινητής τηλεφωνίας.
• Το CoAP είναι ένα πρωτόκολλο επιπέδου υπηρεσιών που προορίζεται για χρήση σε συσκευές με περιορισμένους πόρους στο διαδίκτυο, όπως κόμβοι ασύρματων δικτύων αισθητήρων.
• Έχει σχεδιαστεί για να μεταφράζεται εύκολα σε HTTP για απλοποιημένη ενσωμάτωση με τον ιστό, ενώ ταυτόχρονα πληροί εξειδικευμένες απαιτήσεις, όπως υποστήριξη πολυεκπομπής, πολύ χαμηλό επιπλέον κόστος και απλότητα.
• Το CoAP μπορεί να λειτουργήσει στις περισσότερες συσκευές που υποστηρίζουν UDP.

Πρωτόκολλα επικοινωνίας δεδομένων για το IoT

WebSocket

• Το WebSocket είναι ένα πρωτόκολλο επικοινωνίας IETF, το οποίο παρέχει κανάλια επικοινωνίας πλήρους αμφίδρομης επικοινωνίας μέσω μιας μόνο σύνδεσης TCP (RFC 6455).
• Το WebSocket διαφέρει από το HTTP. Και τα δύο πρωτόκολλα βρίσκονται στο επίπεδο 7 του μοντέλου OSI και εξαρτώνται από το TCP στο επίπεδο 4.
• Το RFC 6455 ορίζει ότι το WebSocket «έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί μέσω των θυρών HTTP 443 και 80, καθώς και για να υποστηρίζει διακομιστές μεσολάβησης και μεσάζοντες HTTP», καθιστώντας το έτσι συμβατό με το πρωτόκολλο HTTP.
• Για να επιτευχθεί συμβατότητα, η διαδικασία χειραψίας WebSocket χρησιμοποιεί την κεφαλίδα HTTP Upgrade για να αλλάξει από το πρωτόκολλο HTTP στο πρωτόκολλο WebSocket.

Πρωτόκολλα επικοινωνίας δεδομένων για το IoT

AMPQ

• Το Advanced Message Queuing Protocol (AMQP) είναι ένα ανοιχτό πρότυπο πρωτόκολλο επιπέδου εφαρμογής για middleware προσανατολισμένο σε μηνύματα.
• Τα βασικά χαρακτηριστικά του AMQP είναι ο προσανατολισμός των μηνυμάτων, η ουρά αναμονής, η δρομολόγηση (συμπεριλαμβανομένης της δρομολόγησης από σημείο σε σημείο και της δημοσίευσης και συνδρομής), η αξιοπιστία και η ασφάλεια.
• Το AMQP είναι ένα πρωτόκολλο επιπέδου καλωδίου. Ένα πρωτόκολλο επιπέδου καλωδίου είναι μια περιγραφή της μορφής των δεδομένων που αποστέλλονται μέσω του δικτύου ως ροή byte.

Πρωτόκολλα επικοινωνίας δεδομένων για το IoT

Περίληψη-Σύγκριση

Πρωτόκολλα επικοινωνίας δεδομένων για το IoT

Περίληψη-Σύγκριση

09

Προκλήσεις του IoT

Προκλήσεις του IoT

Ασφάλεια

• Οι συσκευές IoT λειτουργούν συνήθως με ηλεκτρονικά συστήματα χαμηλής ισχύος και χαμηλής επεξεργαστικής ικανότητας, τα οποία δεν επιτρέπουν την αποτελεσματική εφαρμογή μηχανισμών ασφαλείας. Δεδομένης της σημαντικής αύξησης των ευπαθειών του υλικολογισμικού, οι συσκευές IoT αποτελούν συνήθως την ιδανική «πίσω πόρτα» για την είσοδο σε ένα ασφαλές δίκτυο.
• Λύση: Εφαρμόστε κρυπτογράφηση, έλεγχο ταυτότητας, ελέγχους πρόσβασης και τακτικές ενημερώσεις. Χρησιμοποιήστε συστήματα ανίχνευσης εισβολών και ανωμαλιών για την έγκαιρη αναγνώριση απειλών ασφάλειας.

Προκλήσεις του IoT

Επεκτασιμότητα

• Πολλές σύγχρονες εφαρμογές και συστήματα IoT περιλαμβάνουν πολύ μεγάλο αριθμό συνδεδεμένων συσκευών. Καθώς αυτά τα δίκτυα μεγαλώνουν, η διαχείριση και ο συντονισμός των συσκευών γίνονται όλο και πιο δύσκολα, καθώς σε πολλές περιπτώσεις η ταχεία αύξηση των συνδεδεμένων κόμβων ή ο αυξημένος αριθμός ροής δεδομένων ενδέχεται να απαιτούν σημαντικές αλλαγές στην υποδομή.

• Λύση: Μια λύση θα μπορούσε να είναι η χρήση επεκτάσιμων αρχιτεκτονικών, όπως η υπολογιστική τεχνολογία αιχμής (edge computing) και η κατανεμημένη επεξεργασία, καθώς και η χρήση εξισορρόπησης φορτίου για την αποτελεσματική διαχείριση.

Προκλήσεις του IoT

Συνωστισμός δικτύου

• Αυτό σχετίζεται επίσης με το πρόβλημα της επεκτασιμότητας που αναφέρθηκε παραπάνω, καθώς ο αυξημένος αριθμός συνδεδεμένων συσκευών μπορεί να προκαλέσει κυκλοφοριακή συμφόρηση στο δίκτυο, η οποία θα υποβαθμίσει την ποιότητα της υπηρεσίας λόγω της αύξησης της απώλειας πακέτων, των σχετικών καθυστερήσεων και άλλων προβλημάτων.

• Λύση: Οι πιθανές λύσεις περιλαμβάνουν τη βελτιστοποίηση των πρωτοκόλλων επικοινωνίας, τη χρήση συμπίεσης δεδομένων και την ιεράρχηση των κρίσιμων δεδομένων.

Προκλήσεις του IoT

Διαχείριση συσκευών

• Η διαχείριση πολλών συσκευών IoT γίνεται ιδιαίτερα δύσκολη, ειδικά αν είναι ετερογενείς και διαθέτουν πολλές περίπλοκες λειτουργίες, μηχανισμούς ελέγχου ταυτότητας, απαιτήσεις ενημέρωσης κ.λπ.

• Λύση: Χρησιμοποιήστε πλατφόρμες διαχείρισης συσκευών για αυτοματοποιημένες εργασίες, όπως ενημερώσεις και παρακολούθηση. Εφαρμόστε τυποποιημένα πρωτόκολλα, όπως MQTT και CoAP.

Προκλήσεις του IoT

Διαλειτουργικότητα

• Συνήθως, σε μεγάλα συστήματα IoT, τα διάφορα εξαρτήματα (αισθητήρες, ενεργοποιητές, μικροελεγκτές κ.λπ.) μπορεί να προέρχονται από διαφορετικούς προμηθευτές και, δεδομένου του μη τυποποιημένου πλαισίου IoT, ενδέχεται να δημιουργήσουν προβλήματα διαλειτουργικότητας. Ενδέχεται να απαιτηθούν προσαρμογές κατά την προσθήκη νέου υλικού και λογισμικού, προκειμένου να διατηρηθεί η λειτουργικότητα και να ενσωματωθεί η καινοτόμος τεχνολογία.

• Λύση: Μια πιθανή λύση είναι η υιοθέτηση βιομηχανικών προτύπων για την επικοινωνία και τις μορφές δεδομένων. Χρησιμοποιήστε λύσεις middleware για τη διαχείριση διαφορετικών πρωτοκόλλων.

Προκλήσεις του IoT

Κατανάλωση ισχύος

• Υπάρχουν πολλές εφαρμογές IoT που είναι εγκατεστημένες σε απομακρυσμένα μέρη ή σε χώρους όπου η παροχή ρεύματος μπορεί να είναι πολύ δύσκολη (π.χ. στον πυθμένα μιας λίμνης για την παρακολούθηση της ρύπανσης). Αυτό σημαίνει ότι είτε χρειαζόμαστε μπαταρίες που διαρκούν για μεγάλο χρονικό διάστημα είτε πρέπει να περιορίσουμε την κατανάλωση ρεύματος, αλλά ιδανικά και τα δύο.

• Λύση: Βελτιστοποιήστε τα πρωτόκολλα επικοινωνίας, χρησιμοποιήστε τεχνολογίες χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας όπως LPWAN και σχεδιάστε ενεργειακά αποδοτικό υλικό ή μεταφέρετε ορισμένες λειτουργίες σε μια κεντρική μονάδα επεξεργασίας.

Προκλήσεις του IoT

Προστασία δεδομένων

• Ένα μεγάλο πρόβλημα στα συστήματα IoT είναι το τι συμβαίνει με τα δεδομένα που συλλέγονται, ειδικά αν είναι ευαίσθητα (π.χ. δεδομένα υγείας σε ένα σύστημα ηλεκτρονικής υγείας IoT).

• Λύση: Χρησιμοποιήστε κρυπτογράφηση, ανωνυμοποίηση δεδομένων και σαφείς πολιτικές απορρήτου στην πράξη. Τηρείτε νόμους όπως ο GDPR και ο HIPAA.

Άλλες προκλήσεις του IoT

Κανονισμός

• Ένα άλλο κοινό χαρακτηριστικό των τεχνολογικών καινοτομιών είναι ότι η κρατική ρύθμιση συχνά χρειάζεται πολύ χρόνο για να συμβαδίσει με την τρέχουσα κατάσταση της τεχνολογίας.

• Με την ταχεία εξέλιξη που παρατηρείται καθημερινά στον τομέα του IoT, οι κυβερνήσεις χρειάζονται χρόνο για να προσαρμοστούν και οι επιχειρήσεις συχνά στερούνται κρίσιμων πληροφοριών που χρειάζονται για τη λήψη αποφάσεων.

• Η έλλειψη αυστηρών κανονισμών για το IoT είναι ένας από τους κύριους λόγους για τους οποίους το IoT εξακολουθεί να αποτελεί σοβαρό κίνδυνο για την ασφάλεια, και το πρόβλημα είναι πιθανό να επιδεινωθεί καθώς η επιφάνεια που είναι ευάλωτη σε επιθέσεις επεκτείνεται και περιλαμβάνει όλο και πιο κρίσιμες συσκευές.

Άλλες προκλήσεις του IoT

Συμβατότητα

• Το Bluetooth αποτελεί εδώ και καιρό το πρότυπο συμβατότητας για τις συσκευές IoT.
• Όσον αφορά τον οικιακό αυτοματισμό με χρήση δικτύων mesh, έχουν εμφανιστεί αρκετοί ανταγωνιστές που αμφισβητούν τις προσφορές δικτύων mesh της Bluetooth, συμπεριλαμβανομένων πρωτοκόλλων όπως τα Zigbee και Z-Wave.
• Μπορεί να περάσουν χρόνια μέχρι να σταθεροποιηθεί η αγορά αρκετά ώστε να αναδειχθεί ένα ενιαίο παγκόσμιο πρότυπο ή μια ενοποιημένη αρχιτεκτονική για το IoT στο σπίτι.
• Η συνεχής συμβατότητα των συσκευών IoT εξαρτάται επίσης από το αν οι χρήστες διατηρούν τις συσκευές τους ενημερωμένες και με τα τελευταία patches, κάτι που, όπως μόλις αναφέραμε, μπορεί να είναι αρκετά δύσκολο. Όταν συσκευές IoT που πρέπει να επικοινωνούν μεταξύ τους χρησιμοποιούν διαφορετικές εκδόσεις λογισμικού, μπορεί να προκύψουν όλα τα είδη προβλημάτων απόδοσης και ευπάθειες ασφαλείας.

Άλλες προκλήσεις του IoT

Εύρος ζώνης

• Η συνδεσιμότητα αποτελεί μεγαλύτερη πρόκληση για το IoT από ό,τι θα περίμενε κανείς.
• Καθώς το μέγεθος της αγοράς του IoT αυξάνεται εκθετικά, οι εφαρμογές IoT που απαιτούν μεγάλο εύρος ζώνης, όπως η ροή βίντεο, θα αντιμετωπίσουν σύντομα προβλήματα χώρου στο τρέχον μοντέλο διακομιστή-πελάτη του IoT.
• Ωστόσο, περιορισμοί μπορεί να προκύψουν και από τον τεράστιο αριθμό συνδέσεων (ειδικά στο επίπεδο ελέγχου του δικτύου).
• Το μοντέλο διακομιστή-πελάτη χρησιμοποιεί έναν κεντρικό διακομιστή για την πιστοποίηση και την κατεύθυνση της κυκλοφορίας στα δίκτυα IoT. Ωστόσο, καθώς όλο και περισσότερες συσκευές αρχίζουν να συνδέονται σε αυτά τα δίκτυα, συχνά δυσκολεύονται να αντεπεξέλθουν στο φορτίο.
• Λειτουργίες όπως η έξυπνη εναλλαγή μεταξύ φορέων κινητής τηλεφωνίας (MNO) είναι ιδιαίτερα χρήσιμες για τη δημιουργία ενός πιο αξιόπιστου και φιλικού προς τον χρήστη προϊόντος IoT για τους πελάτες σας.

Άλλες προκλήσεις του IoT

Προσδοκίες των πελατών

• Οι επιχειρήσεις που επιθυμούν να εισέλθουν σε αυτόν τον ανταγωνιστικό και καινοτόμο τομέα πρέπει να είναι προετοιμασμένες για μια αγορά που δεν σταματά ποτέ και για πελάτες που επιθυμούν πάντα μια πιο ομαλή και προηγμένη εμπειρία.
• Το IoT είναι ένας συναρπαστικός τομέας με μεγάλο δυναμικό να αλλάξει τον τρόπο που ζούμε, εργαζόμαστε και διασκεδάζουμε. Ωστόσο, η βιομηχανία τεχνολογίας, οι κυβερνήσεις και οι καταναλωτές πρέπει να συντονιστούν σε θέματα ασφάλειας και απόδοσης, ώστε να διασφαλιστεί ότι το IoT θα παραμείνει ασφαλές και παραγωγικό στη χρήση του.

10

Εφαρμογές IoT

Εφαρμογές IoT

Εφαρμογές για καταναλωτές

• Ένα αυξανόμενο ποσοστό των συσκευών IoT δημιουργείται για χρήση από τους καταναλωτές, συμπεριλαμβανομένων των συνδεδεμένων οχημάτων, της οικιακής αυτοματοποίησης, της φορετής τεχνολογίας, της συνδεδεμένης υγείας και των συσκευών με δυνατότητες απομακρυσμένης παρακολούθησης.
• Έξυπνο σπίτι
• Οι συσκευές IoT αποτελούν μέρος της ευρύτερης έννοιας της οικιακής αυτοματοποίησης, η οποία μπορεί να περιλαμβάνει τον φωτισμό, τη θέρμανση και τον κλιματισμό, τα μέσα ενημέρωσης και τα συστήματα ασφαλείας. Μακροπρόθεσμα οφέλη θα μπορούσαν να είναι η εξοικονόμηση ενέργειας μέσω της αυτόματης απενεργοποίησης των φώτων και των ηλεκτρονικών συσκευών.
• Φροντίδα ηλικιωμένων
• Μια βασική εφαρμογή ενός έξυπνου σπιτιού είναι η παροχή βοήθειας σε άτομα με αναπηρίες και ηλικιωμένους. Αυτά τα οικιακά συστήματα χρησιμοποιούν βοηθητική τεχνολογία για να προσαρμοστούν στις συγκεκριμένες αναπηρίες του ιδιοκτήτη.

Εφαρμογές IoT

Οργανωτικές εφαρμογές

• Ιατρική και υγειονομική περίθαλψη

• Το Διαδίκτυο των Ιατρικών Αντικειμένων (IoMT) είναι μια εφαρμογή του IoT για ιατρικούς και υγειονομικούς σκοπούς, συλλογή και ανάλυση δεδομένων για έρευνα και παρακολούθηση.

• Μεταφορά

• Το IoT μπορεί να βοηθήσει στην ενσωμάτωση των επικοινωνιών, του ελέγχου και της επεξεργασίας πληροφοριών σε διάφορα συστήματα μεταφορών.

• Επικοινωνίες V2X

• Στα συστήματα επικοινωνίας οχημάτων, η επικοινωνία οχήματος-προς-όλα (V2X) αποτελείται από τρία βασικά στοιχεία: επικοινωνία οχήματος-προς-όχημα (V2V), επικοινωνία οχήματος-προς-υποδομή (V2I) και επικοινωνία οχήματος-προς-πεζό (V2P). Η V2X είναι το πρώτο βήμα προς την αυτόνομη οδήγηση και τη συνδεδεμένη οδική υποδομή.

• Αυτοματισμοί κτιρίων και οικιών

• Οι συσκευές IoT μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση και τον έλεγχο των μηχανικών, ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών συστημάτων που χρησιμοποιούνται σε διάφορους τύπους κτιρίων (π.χ. δημόσια και ιδιωτικά, βιομηχανικά, ιδρύματα ή κατοικίες).

Εφαρμογές IoT

Βιομηχανικές εφαρμογές

• Γνωστές και ως IIoT, οι βιομηχανικές συσκευές IoT συλλέγουν και αναλύουν δεδομένα από συνδεδεμένο εξοπλισμό, λειτουργική τεχνολογία (OT), τοποθεσίες και άτομα. Σε συνδυασμό με συσκευές παρακολούθησης λειτουργικής τεχνολογίας (OT), το IIoT συμβάλλει στη ρύθμιση και την παρακολούθηση βιομηχανικών συστημάτων.

• Βιομηχανική κατασκευή
• Το IoT μπορεί να πραγματοποιήσει την απρόσκοπτη ενσωμάτωση διαφόρων κατασκευαστικών συσκευών εξοπλισμένων με δυνατότητες ανίχνευσης, αναγνώρισης, επεξεργασίας, επικοινωνίας, ενεργοποίησης και δικτύωσης. Με βάση έναν τόσο υψηλά ενοποιημένο έξυπνο κυβερνοφυσικό χώρο, ανοίγει το δρόμο για τη δημιουργία εντελώς νέων επιχειρηματικών ευκαιριών και ευκαιριών αγοράς για τον κατασκευαστικό τομέα.
• Γεωργία
• Υπάρχουν πολυάριθμες εφαρμογές IoT στη γεωργία, όπως η συλλογή δεδομένων σχετικά με τη θερμοκρασία, τις βροχοπτώσεις, την υγρασία, την ταχύτητα του ανέμου, την προσβολή από παράσιτα και τη σύσταση του εδάφους. Τα δεδομένα αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αυτοματοποίηση των γεωργικών τεχνικών, τη λήψη τεκμηριωμένων αποφάσεων για τη βελτίωση της ποιότητας και της ποσότητας, την ελαχιστοποίηση των κινδύνων και των αποβλήτων, καθώς και τη μείωση του κόπου που απαιτείται για τη διαχείριση των καλλιεργειών. Για παράδειγμα, οι γεωργοί μπορούν πλέον να παρακολουθούν από απόσταση τη θερμοκρασία και την υγρασία του εδάφους, και ακόμη και να εφαρμόζουν δεδομένα που έχουν αποκτηθεί μέσω

Εφαρμογές IoT

Εφαρμογές υποδομών

• Η παρακολούθηση και ο έλεγχος των λειτουργιών βιώσιμων αστικών και αγροτικών υποδομών, όπως γέφυρες, σιδηροδρομικές γραμμές και χερσαία και υπεράκτια αιολικά πάρκα, αποτελεί βασική εφαρμογή του IoT. Η υποδομή IoT μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση οποιωνδήποτε συμβάντων ή αλλαγών στις δομικές συνθήκες που μπορούν να θέσουν σε κίνδυνο την ασφάλεια και να αυξήσουν τον κίνδυνο. Η χρήση συσκευών IoT για την παρακολούθηση και τη λειτουργία υποδομών είναι πιθανό να βελτιώσει τη διαχείριση των συμβάντων και τον συντονισμό της αντίδρασης σε καταστάσεις έκτακτης ανάγκης, καθώς και την ποιότητα των υπηρεσιών, τον χρόνο λειτουργίας και να μειώσει το κόστος λειτουργίας σε όλους τους τομείς που σχετίζονται με τις υποδομές.
• Εφαρμογές σε μητροπολιτική κλίμακα / Έξυπνη πόλη
• Υπάρχουν αρκετές προγραμματισμένες ή εν εξελίξει μεγάλης κλίμακας εφαρμογές του IoT, με στόχο την καλύτερη διαχείριση των πόλεων και των συστημάτων. Για παράδειγμα, η Songdo στη Νότια Κορέα, η πρώτη πλήρως εξοπλισμένη και καλωδιωμένη έξυπνη πόλη του είδους της, κατασκευάζεται σταδιακά, με περίπου το 70% της επιχειρηματικής περιοχής να έχει ολοκληρωθεί έως τον Ιούνιο του 2018. Μεγάλο μέρος της πόλης έχει προγραμματιστεί να καλωδιωθεί και να αυτοματοποιηθεί, με ελάχιστη ή καθόλου ανθρώπινη παρέμβαση.

Εφαρμογές IoT

Εφαρμογές υποδομών

• Διαχείριση ενέργειας
• Σημαντικός αριθμός συσκευών που καταναλώνουν ενέργεια (π.χ. λαμπτήρες, οικιακές συσκευές, κινητήρες, αντλίες κ.λπ.) διαθέτουν ήδη δυνατότητα σύνδεσης στο Διαδίκτυο, η οποία τους επιτρέπει να επικοινωνούν με τις επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας, όχι μόνο για την εξισορρόπηση της παραγωγής ενέργειας, αλλά και για τη βελτιστοποίηση της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας.
• Το έξυπνο δίκτυο είναι μια εφαρμογή IoT για υπηρεσίες κοινής ωφέλειας. Τα συστήματα συλλέγουν και επεξεργάζονται πληροφορίες σχετικά με την ενέργεια και την ισχύ, με σκοπό τη βελτίωση της αποδοτικότητας της παραγωγής και της διανομής ηλεκτρικής ενέργειας.
• Περιβαλλοντική παρακολούθηση
• Οι εφαρμογές περιβαλλοντικής παρακολούθησης του IoT χρησιμοποιούν συνήθως αισθητήρες για να βοηθήσουν στην προστασία του περιβάλλοντος, παρακολουθώντας την ποιότητα του αέρα ή του νερού, τις ατμοσφαιρικές ή τις εδαφικές συνθήκες, και μπορούν ακόμη και να περιλαμβάνουν τομείς όπως η παρακολούθηση των κινήσεων της άγριας ζωής και των οικοτό
• Living Lab
• Ένα άλλο παράδειγμα ενσωμάτωσης του IoT είναι το Living Lab, το οποίο ενσωματώνει και συνδυάζει τη διαδικασία έρευνας και καινοτομίας, δημιουργώντας μια συνεργασία μεταξύ του δημόσιου, του ιδιωτικού και του κοινωνικού τομέα.

Εφαρμογές IoT

Στρατιωτικές εφαρμογές

• Το Διαδίκτυο των Στρατιωτικών Αντικειμένων (IoMT) είναι η εφαρμογή των τεχνολογιών IoT στον στρατιωτικό τομέα για σκοπούς αναγνώρισης, επιτήρησης και άλλους στόχους που σχετίζονται με τον πόλεμο.
• Επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τις μελλοντικές προοπτικές του πολέμου σε αστικό περιβάλλον και περιλαμβάνει τη χρήση αισθητήρων, πυρομαχικών, οχημάτων, ρομπότ, βιομετρικών συσκευών που μπορούν να φορεθούν από τον άνθρωπο και άλλων έξυπνων τεχνολογιών που είναι σχετικές με το πεδίο της μάχης.
• Διαδίκτυο των αντικειμένων του πεδίου μάχης
• Το Internet of Battlefield Things (IoBT) είναι ένα έργο που ξεκίνησε και υλοποιείται από το Ερευνητικό Εργαστήριο του Στρατού των ΗΠΑ (ARL) και εστιάζει στη βασική επιστήμη που σχετίζεται με το IoT και ενισχύει τις δυνατότητες των στρατιωτών του Στρατού.
• Ωκεανός των πραγμάτων
• Το πρόγραμμα Ocean of Things είναι ένα πρόγραμμα υπό την ηγεσία της DARPA που έχει ως στόχο τη δημιουργία ενός Διαδικτύου των Πραγμάτων σε μεγάλες θαλάσσιες περιοχές με σκοπό τη συλλογή, παρακολούθηση και ανάλυση δεδομένων σχετικά με το περιβάλλον και τη δραστηριότητα των σκαφών.

Αξιολόγηση

Σε αυτή την ενότητα, θα έχετε την ευκαιρία να δοκιμάσετε τις γνώσεις που αποκτήσατε κατά τη διάρκεια του μαθήματος. Το διαδραστικό μας κουίζ θα σας παρέχει μια λεπτομερή αξιολόγηση της κατανόησης των βασικών θεμάτων. Ετοιμαστείτε να δοκιμάσετε τις δεξιότητές σας και να ενισχύσετε τη μάθησή σας καθώς προχωράτε προς την κατάκτηση των βασικών εννοιών. Μην χάσετε την ευκαιρία να δείξετε όλα όσα έχετε μάθει μέχρι τώρα!

00:15

00:15

00:15

00:15

00:15

00:15

00:15

00:15

00:15

00:15

10

00:15

11

00:15

12

00:15

13

00:15

14

00:15

15

00:15

16

00:15

17

00:15

18

00:15

19

00:15

20

Ολοκλήρωση μαθήματος!