PREVENT IoT and Communication Theory (UCLan)

IoT și comunicare - Proiect PREVENT

Marios Raspopoulos

Început

Index

Obiective

6. Dispozitive și componente IoT

1. Introducere în IoT

7. Conectivitate și comunicații IoT

2. Istoria IoT

8. Protocoale de comunicare a datelor IoT

3. Definiții

9. Provocări IoT

4. Cerințe IoT

10. Aplicații IoT

5. Arhitecturi IoT

Evaluare

Index

Obiective

6. Dispozitive și componente IoT

1. Introducere în IoT

7. Conectivitate și comunicații IoT

2. Istoria IoT

8. Protocoale de comunicare a datelor IoT

3. Definiții

9. Provocări IoT

4. Cerințe IoT

10. Aplicații IoT

5. Arhitecturi IoT

Evaluare

Obiective

Acest capitol își propune să prezinte principiile fundamentale și arhitectura IoT, să discute, să examineze și să evalueze componentele tehnologice cheie care stau la baza IoT, să învețe cum să Proiectați, să codificați și să construiți soluții IoT și să revizuiască aplicațiile tehnologice cheie ale IoT.

01

Introducere în IoT

Secțiuni ca aceasta vă vor ajuta să vă organizați

„Orice lucru care poate fi conectat va fi conectat”.Kevin Ashton, Părintele IoT

Ce este IoT?

Internetul obiectelor (IoT) este un sistem de dispozitive de calcul interconectate, mașini mecanice și digitale prevăzute cu identificatori unici (UID) și capacitatea de a transfera date într-o rețea fără a necesita interacțiune de la om la om sau de la om la computer.(„Inițiativa privind standardele globale pentru Internet of Things”. ITU. Consultat la 26 iunie 2015.)

Ce este IoT?

• IoT este un subiect foarte popular de cercetare și dezvoltare, în principal datorită transformării omniprezente a calculatoarelor
• Dispozitivele fizice au devenit „inteligente” fiind capabile să simtă, să comunice într-un mod omniprezent și să interacționeze cu mediul lor, oferind aplicații și soluții utile omenirii într-o serie de activități.
• de ex. sănătate, transport, agricultură etc.
• Raportul ITU pe Internet din 2005 [2] adaugă o a treia dimensiune moștenirii comunicării „ORICE LOC” și „ORICE ORA”; comunicarea „ORICE LUCRU”.

02

Istoria IoT

Kevin Ashton, 1999

Istoria IoT?

• 1982: un automat Coca-Cola modificat de la Universitatea Carnegie Mellon devine primul aparat conectat la internet, capabil să-și raporteze inventarul și dacă băuturile nou încărcate erau reci sau nu.
• 1991: Lucrarea lui Mark Weiser despre computingul omniprezent, „The Computer of the 21st Century”, precum și locuri academice precum UbiComp și PerCom produc viziunea contemporană a IoT
• 1993-1997: mai multe companii au propus soluții precum Microsoft's at Work sau Novell's NEST.

Istoria IoT?

• 1999: domeniul câștigă avânt atunci când Bill Joy își imaginează comunicarea de la dispozitiv la dispozitiv ca parte a cadrului său „Șase Web-uri”, prezentat la Forumul Economic Mondial de la Davos.
• 1999 : termenul „Internetul lucrurilor” a fost probabil inventat de Kevin Ashton de la Procter & Gamble, mai târziu Centrul de identificare automată al MIT, deși preferă expresia „Internet pentru lucruri”.

Piața globală IoT

03

Definiții utile

Definiții utile

• Dispozitiv: În contextul IoT, acesta este un echipament care trebuie să poată comunica și ar putea opțional să detecteze, să acționeze, să captureze date, să stocheze date sau să proceseze date. Singura sa capacitate obligatorie este comunicarea.
• Lucru: Un obiect din interiorul sistemului IoT care poate fi identificat și integrat în sistemul de comunicații.
• Lucru fizic: Un obiect al lumii fizice care poate fi detectat, acționat și conectat este cunoscut ca un lucru fizic (de exemplu, roboți industriali, echipamente electrice etc.)
• Lucru virtual: Un obiect din lumea informației care poate fi stocat, procesat și accesat este cunoscut sub numele de lucru virtual. De exemplu, conținut multimedia, aplicații software etc.

Prezentare tehnică ITU-T a IoT

• Internetul lucrurilor: o infrastructură globală de informații care permite servicii avansate prin interconectarea lucrurilor (fizice și/sau virtuale) pe baza tehnologiilor interoperabile existente și/sau în evoluție. IoT include funcții de identificare, captare a datelor, procesare și comunicare pentru a oferi diferite tipuri de aplicații, asigurând în același timp securitatea și confidențialitatea.

Prezentare tehnică ITU-T a IoT

• Un lucru fizic poate fi mapat (sau reprezentat) de unul sau mai multe lucruri virtuale din domeniul Informații.
• Informațiile sunt colectate de dispozitive fizice (sau lucruri) din lumea fizică și sunt comunicate prin Rețelele de Comunicare și domeniul Informații pentru prelucrare ulterioară.
• Dispozitivele pot comunica între ele fie prin intermediul rețelei de comunicații (cu sau fără un gateway), fie direct fără a utiliza rețeaua de comunicații sau combinații ale acestor legături de comunicație.
• Schimbul de informații nu are loc numai între lucrurile fizice din lumea fizică, ci și între lucrurile virtuale din lumea informației.

ITU-T Technical Overview of the IoT

• Rețelele de comunicații oferă capabilități de transfer de date fiabil și eficient.
• Infrastructura de rețea poate fi implementată sau realizată prin tehnologii de rețea existente (de exemplu, rețele TCP-IP) sau rețele în evoluție, urmând tendințele actuale de telecomunicații.

Caracteristicile fundamentale ale IoT

• Interconectivitate: Orice dispozitiv IoT poate fi interconectat cu infrastructura globală de informații și comunicații.
• Servicii legate de lucruri: IoT furnizează servicii care privesc „lucrurile” conectate în limitele acestora, cum ar fi protecția vieții private și consistența semantică între lucrurile fizice și lucrurile virtuale asociate acestora.
• Eterogeneitate: dispozitivele IoT eterogene cu diferite caracteristici hardware și de rețea se conectează și interacționează cu alte dispozitive sau platforme pe diferite tipuri de rețele.
• Schimbări dinamice: în roaming și interacțiune într-un sistem IoT, dispozitivele își schimbă starea în mod dinamic.

De exemplu, dormiți și treziți, conectați-vă sau deconectați-vă în timp ce vă schimbați locația și viteza.

• Scară enormă: De obicei, numărul de dispozitive care trebuie gestionate și cel al dispozitivelor care comunică între ele este semnificativ mai mare decât cele care se conectează la Internet.

Acest lucru înseamnă practic că comunicarea inițializată de dispozitive este mult mai mare decât cea inițializată de oameni. Și mai important este gestionarea și analiza datelor generate.

04

Cerințe IoT

Cerințe IoT

• Conectivitate bazată pe identificare: trebuie să existe un susținător pentru ca „Lucrurile” să fie conectate la IoT pe baza identificatorilor lor (ID-uri). Aceasta include o procesare unificată a identificatorilor care ar putea fi eterogene.
• Interoperabilitate: interoperabilitatea între sistemele eterogene și distribuite trebuie să fie asigurată, astfel încât să fie acceptată o varietate de informații și servicii.
• Rețea automată: Infrastructura de rețea IoT ar trebui să ofere funcții de control pentru rețeaua automată, inclusiv auto-gestionare, auto-configurare, auto-vindecare, auto-optimizare și auto-protecție, pentru a putea susține și facilita adaptarea în diferite domenii de aplicație, diferite medii de comunicare și un număr și mai mare de dispozitive.
• Furnizarea serviciilor autonome: Serviciile trebuie furnizate prin captarea, comunicarea și prelucrarea automată a datelor „Lucrurilor” conform regulilor configurate de operatori și/sau configurate de abonați. Acest serviciu autonom de furnizare trebuie să se bazeze pe fuziunea datelor și tehnicile de extragere a datelor.

Cerințe IoT

• Capacitățile bazate pe locație: Lucrurile ar trebui să poată urmări poziția lor pentru a facilita furnizarea de servicii care depind de locația lor.
• Securitate: Există o cerință importantă de a integra diferite politici și măsuri de securitate legate de lucruri și de comunicarea acestora într-un cadru IoT pentru a se proteja împotriva CIA (Confidențialitate, Integritate și Autenticitate) atât pentru date, cât și pentru servicii.
• Protecția confidențialității: Datele achiziționate de „Lucruri” pot conține informații private ale proprietarilor și/sau utilizatorilor acestora. Prin urmare, este important ca protecția confidențialității să fie susținută în timpul transmiterii, agregării, stocării, extragerii și procesării acestor date, fără a stabili o barieră în calea autentificării sursei de date.

Cerințe IoT

• Servicii legate de corpul uman de înaltă calitate și foarte sigure: Serviciile care se bazează pe capturarea, comunicarea și prelucrarea datelor legate de comportamentul uman (de exemplu, exerciții fizice, sănătate, locație etc.) în mod automat sau prin intervenție umană ar trebui oferite, garantând în același timp calitate înaltă, acuratețe și securitate.
• Plug and Play: este important ca sistemele IoT să accepte capacitatea plug and play pentru a permite sau a facilita generarea, compunerea și achiziționarea din mers a configurațiilor bazate pe semantică pentru a integra fără probleme o interconectare de lucruri cu aplicațiile respective și pentru a răspunde eficient cerințelor acestor aplicații.
• Administrabilitate: Aplicațiile dintr-un sistem IoT trebuie de obicei să funcționeze automat fără intervenția sau participarea oamenilor și, prin urmare, întregul proces de operare trebuie să fie gestionabil de către entitățile relevante pentru a asigura operațiuni normale de rețea.
• Scalabilitate: orice arhitectură IoT ar trebui să fie foarte scalabilă și să poată suporta un număr foarte mare și în creștere progresivă de dispozitive care trimit, primesc și acționează în mod constant asupra datelor.

05

Arhitecturi IoT

Importanța de a avea o arhitectură de referință

• Pentru a asigura conectivitatea și interoperabilitatea, este important să existe o arhitectură IoT de referință pe care să se bazeze toate aplicațiile IoT.
• Cu toate acestea, nu există un consens asupra unei singure arhitecturi IoT, convenită la nivel global.
• Literatura raportează în principal două modele arhitecturale pentru IoT;

o arhitectură cu 3 straturi o arhitectură cu 5 straturi

• unele arhitecturi cu scop specific.
• În paralel cu eforturile de cercetare raportate în literatură, Uniunea Internațională a Telecomunicațiilor (ITU) a început în 2012 un efort de standardizare a modelului de arhitectură funcțională pentru IoT.

Arhitectură cu 3 straturi

• Cea mai de bază arhitectură IoT.
• A fost introdus pentru prima dată în 2009
• Consta din

• Stratul de percepție
• Stratul de rețea
• Stratul de aplicare
• Simplu și definește ideea principală despre IoT, dar nu este suficient în scopuri de cercetare și inovare, deoarece cercetarea se concentrează pe aspecte mai fine și mai detaliate ale IoT.

Arhitectură cu 3 straturi

• Stratul de percepție: Oferă mecanismele (senzorii) prin care Lucrurile își percep mediul.
• Include dispozitive de detectare care măsoară diferiți parametri sau condiții din mediul înconjurător (de exemplu, termometre, senzori de umiditate, senzori inerțiali etc.) și funcții pentru a găsi și identifica obiecte.
• Stratul de rețea: acest strat este responsabil pentru conectivitatea lucrurilor la alte lucruri, la dispozitivele de rețea (de exemplu, routere, puncte de acces etc.), la servere și la Internet.
• Include funcții de conectare, asociere, autentificare la nodul atașat, transmitere a informațiilor colectate și/sau primire acțiuni care urmează să fie efectuate de Lucru din rețeaua atașată. Network Layer este implementat folosind tehnologiile de rețea și mobile actuale, dar și în evoluție (de exemplu, standardele IEEE802.11, 4G, 5G, Zigbee, Bluetooth etc.), dar și diferite tipuri de protocoale de rețea și de colectare a datelor (de exemplu, TCP/IP, MQTT etc.).
• Stratul de aplicație: Acest nivel este responsabil pentru livrarea serviciilor de aplicație către utilizatori/abonați. Acesta este responsabil de utilizarea contextului colectat din straturile de mai jos pentru a furniza aplicații inteligente utilizatorilor finali (de exemplu, smart-home, e-health, smart-transport etc.).
• Este scopul final al sistemului IoT care consolidează contribuția din tehnologiile subiacente pentru a oferi utilizatorilor aplicații utile și ușor de utilizat. Prin urmare, include în principal funcții de dezvoltare software inteligentă.

Arhitectură cu 5 straturi

• Straturile de percepție și de aplicație sunt aceleași ca în arhitectura cu 3 straturi, în timp ce stratul de rețea este redenumit în stratul de transport.
• Sunt adăugate două straturi noi:
• stratul de procesare
• stratul de afaceri

Arhitectură cu 5 straturi

Straturi suplimentare în comparație cu arhitectura cu 3 straturi

• Stratul de afaceri: este responsabil pentru gestionarea întregului sistem IoT, inclusiv modelele de afaceri și profit, taxarea și confidențialitatea utilizatorilor. Acest nivel este, de asemenea, preocupat de cercetarea și dezvoltarea în domeniul IoT.
• Stratul de procesare: Cunoscut și ca strat de middleware, stratul de procesare este responsabil pentru stocarea și analiza datelor colectate la nivelul de percepție și comunicate peste stratul de transport. Include baze de date, stocare în cloud și capabilități de calcul, module de analiză a datelor etc.

Arhitecturi bazate pe cloud

Conceptual IoT framework with Cloud Computing at the Centre

• Procesarea se face centralizat la serverele de cloud computing.
• Aceasta este o abordare centrată pe cloud în care toate aplicațiile sunt construite folosind rețeaua de comunicații pentru a transmite datele înainte și înapoi.
• Acest tip de abordare oferă beneficiile flexibilității și scalabilității.
• Dezvoltarea IoT se poate face folosind instrumente de stocare, instrumente de data mining și de învățare automată, instrumente de vizualizare și altele care sunt disponibile pe cloud.

J. Gubbi, R. Buyya, S. Marusic și a. M. Palaniswami, „Internet of Things (IoT): O viziune, elemente arhitecturale și direcții viitoare”, Future Generation Computer Systems, vol. 29, nr. 7, p. 1645-1660, 2013.

Arhitecturi bazate pe ceață

Smart Gateway cu Fog Computing/Smart Network

• Senzorii, precum și gateway-urile de rețea fac parte din procesarea și analiza datelor.
• Capacitățile cloud computing sunt extinse până la marginea rețelei, care datorită localizării datelor, latența este redusă semnificativ, permițând livrarea rapidă a datelor în timp real și furnizarea de aplicații cu latență scăzută și sensibile la întârziere (de exemplu, streaming în timp real, aplicații e-sănătate etc.).
• Întrucât o preprocesare se face la senzori sau la porțile inteligente înainte de a ajunge în cloud-ul central, ar putea exista probleme de interoperabilitate și de transcodare de rezolvat.

M. a. H. E.-N. Aazam, „Fog Computing and Smart Gateway Based Communication for Cloud of Things”, în Conferința internațională privind viitorul Internet of Things și Cloud, Barcelona, ​​2014.

Arhitecturi bazate pe ceață

• Stratul fizic include toate lucrurile fizice și virtuale, precum și rețelele fizice și virtuale care le interconectează.
• Nivelul de monitorizare este responsabil pentru monitorizarea activităților nodurilor și rețelelor din stratul fizic.
• Nivelul de preprocesare este responsabil de sarcinile legate de managementul datelor, cum ar fi analiza datelor colectate, filtrarea datelor, reconstrucția și tăierea pentru a genera date mai semnificative și utile pentru prelucrarea ulterioară (exemplu tipic este analiza datelor inerțiale de la accelerometre, magnetometre și giroscop pentru a extrage informații de navigare precum direcția de mișcare, accelerația etc.).
• Stratul de stocare temporară stochează temporar datele generate de stratul de preprocesare pe resursele Fog. Aceste date sunt păstrate pe Fogs doar până când sunt încărcate pe cloud și apoi sunt șterse.
• Stratul de securitate: Deoarece ar putea exista generarea de date private și sensibile la straturile subiacente (de exemplu, în asistența medicală, locație, IoT-uri militare), ar trebui să existe o funcționalitate pentru asigurarea securității. Acesta este rolul stratului de securitate care include măsuri de criptare/decriptare, confidențialitate, autentificare și integritate.
• Stratul de transport este responsabil pentru încărcarea în cloud a datelor preprocesate și securizate.

06

Dispozitive și componente IoT

Dispozitive și componente IoT

Introducere

• Un sistem IoT include de obicei un număr mare (și, în unele cazuri, enorm) de dispozitive eterogene cu capacități diferite și devine dificil modul în care toate aceste dispozitive interoperează.
• Dispozitivele sunt clasificate ca de transport de date, de captare a datelor, de detectare și de acționare.
• Captarea și transportul datelor sunt responsabile pentru citirea și/sau scrierea informațiilor de la sau către obiectele fizice (de exemplu, senzori de temperatură, senzori IR, cititoare de coduri de bare etc.).
• Un dispozitiv general, pe de altă parte, are încorporate capabilități de procesare și comunicare (de exemplu, un micro-controler) pentru a îndeplini funcții mai sofisticate sau pentru a facilita dezvoltarea sistemelor IoT autonome, fără a fi nevoie de conectarea la rețeaua Wide Area.
• Pe baza acestor clasificări, se pot clasifica dispozitivele în funcție de puterea lor de procesare și capacitățile lor de conectivitate

Tipuri de dispozitive

• Dispozitiv de transport de date: un dispozitiv care este atașat direct la un lucru fizic pentru a-l conecta indirect la rețeaua de comunicații.
• Dispozitiv de captare a datelor: un dispozitiv cu funcționalități de citire/scriere capabile să interacționeze cu obiectele fizice fie direct prin intermediul suporturilor de date atașate la obiectul fizic, fie indirect printr-un dispozitiv care transportă date.
• Dispozitiv de detectare și acționare: un dispozitiv capabil să detecteze și să măsoare date din mediul său și să le digitizeze. Invers, poate converti semnalele electronice din reteaua de comunicatii in actiuni/operatii.
• De obicei, acest tip de dispozitive comunică între ele fie fără fir, fie prin fire într-o rețea locală și folosesc gateway-uri pentru a se conecta între diferite rețele.

Clasificarea dispozitivelor IoT

Bazat pe puterea de procesare

• Dispozitive fără capacitate de procesare: în contextul IoT, acestea sunt considerate dispozitive pasive, de obicei ieftine, fără microcontrolere (de exemplu, RFID).
• Dispozitive cu capacități de procesare scăzute: Capabilitățile lor de procesare sunt limitate la citirea și scrierea datelor de la sau către senzori și actuatori și trimiterea acestor date către aplicații IoT, dar nu sunt capabili să ia decizii sau să ruleze algoritmi complexi. Acestea sunt de obicei cu costuri reduse și, de obicei, încorporează un microcontroler de foarte mică putere și cu costuri reduse. (de exemplu, o lumină inteligentă sau un senzor de ușă.)
• Dispozitive cu capacități mari de procesare: au suficientă putere de procesare pentru a le permite să ia decizii și să ruleze algoritmi complexi. De obicei, acestea au un cost ridicat, deoarece folosesc un microcontroler puternic. (de exemplu, un sistem de răcire inteligent sau un termostat inteligent)

Clasificarea dispozitivelor IoT

Bazat pe conectivitate

• Dispozitive cu conectivitate scăzută: acest tip de dispozitive nu se conectează direct la rețeaua de comunicații pentru a transfera datele, ci se bazează pe elemente suplimentare (de exemplu, gateway) pentru a efectua sarcini de comunicații (de exemplu, traducerea protocolului sau conectivitate la internet).
• Dispozitive cu conectivitate ridicată: au hardware-ul și capacitatea de a se conecta direct la rețea pentru a transfera datele.

Clasificarea dispozitivelor IoT

Bazat pe ITU-T

• Recomandarea ITU-T Y.4460 definește modelele de arhitectură dispozitive cu capacități diferite. Concret, propune modele pentru dispozitive cu:
• Procesare redusă și conectivitate scăzută (LPLC)
• Procesare redusă și conectivitate ridicată (LPHC)
• Procesare ridicată și conectivitate ridicată (HPHC)

Componentele principale ale unui sistem IoT

• Senzori/Actuatori și tehnologie încorporată
• Conectivitate
• Managementul datelor și Analytics IoT
• IoT Cloud
• Interfata utilizator

Senzori/Actuatori și tehnologie încorporată

• Considerat front-end-ul oricărei aplicații sau sistem IoT.
• Senzorii facilitează conceptul de conștientizare a contextului, astfel încât cunoștințele despre mediu sunt colectate și încărcate pentru procesare ulterioară în rețeaua de comunicații atașată.
• Actuatorii, primesc instrucțiuni de la rețeaua de comunicații și efectuează acțiuni asupra mediului în care locuiesc.

Senzori

General

• Un senzor este un dispozitiv care este folosit pentru a măsura o mărime fizică prin conversia acesteia într-un semnal care poate fi citit de sistem.
• În IoT, cantitățile fizice din mediu (de exemplu, temperatură, umiditate, inerție etc.) sunt măsurate, apoi sunt convertite în semnale electronice care sunt apoi digitizate pentru a fi trimise în rețeaua de comunicații.
• Senzorii includ de obicei traductoare care, prin definiție, pot transforma sub formă de energie în alta.
• Pe baza aplicației, există mulți senzori posibili care pot fi utilizați într-un sistem IoT (senzori de temperatură, RFID, senzori de lumină, senzori electromagnetici etc.).

Senzori

Criterii de clasificare

• Cerințe de alimentare: Senzori pasivi sau autogenerați, generează direct un semnal electric ca răspuns la un stimul extern, fără a fi nevoie de o sursă de alimentare externă (de exemplu, termocuplu sau senzori piezoelectrici). Senzorii activi necesită o sursă de alimentare externă sau un semnal de excitare pentru funcționarea lor și, în acest caz, puterea semnalului de ieșire provine de la sursa de alimentare (de exemplu, senzori infraroșii sau sonar).
• Natura semnalului de ieșire: Senzorii pot fi fie analogici, fie digitali. Senzorii analogici generează semnale care sunt continue atât în ​​mărime, cât și în conținutul temporal sau spațial (de exemplu, temperatură, deplasare, lumină etc.) Senzorii digitali sunt cei care generează semnale care sunt discrete în timp și amplitudine (de exemplu, codificatoare cu arbore, comutatoare etc.).
• Mod operațional: Senzorii în modul de deviere generează un răspuns care este o deviație sau o abatere de la starea inițială a instrumentului și această deviație este proporțională cu măsurandul de interes (de exemplu, senzorul de presiune). Un senzor de modul nul exercită o influență asupra sistemului măsurat astfel încât să se opună efectului măsurandului. Influența și măsurandul sunt echilibrate (de obicei prin feedback) până când sunt egale, dar opuse ca valoare, producând o măsurătoare nulă. Senzorii în modul nul pot produce măsurători foarte precise, dar nu sunt la fel de rapizi ca instrumentele de deviere. (de exemplu, senzori de punte Wheatstone).
• Măsurand: Senzori în funcție de cantitatea pe care o măsoară (de exemplu, mecanică, termică, magnetică, radiantă etc.)
• Variabila de măsurare fizică: În funcție de faptul că senzorii se bazează pe variația rezistenței, capacității sau inductanțelor, aceștia pot fi clasificați ca rezistivi, capacitivi sau inductivi.

Senzori

Criterii de selecție

• În funcție de aplicație, precum și de cerințele de acuratețe și precizie, senzorii trebuie selectați luând în considerare următoarele aspecte:
• Precizia citirilor de intrare
• Fiabilitatea și repetabilitatea intrării
• Condițiile mediului în care vor fi amplasați senzorii
• Costul și consumul de energie

Actuatoare

General

• Actuatoarele sunt dispozitive care pot avea un efect asupra mediului în care fac parte prin conversia semnalelor electrice în diferite acțiuni sau în diferite forme de energie.
• Exemplele includ lumini, afișaje, motoare, brațe robotizate, elemente de încălzire/răcire etc. Actuatoarele bazate pe mișcare sunt de obicei clasificate în actuatoare electrice, hidraulice sau pneumatice.
• Actuatoarele electrice convertesc semnalele electrice într-o formă de rotație (de exemplu, motor) sau mișcare, cele hidraulice facilitează mișcarea mecanică folosind fluide, în timp ce actuatoarele pneumatice folosesc presiunea aerului comprimat.
• În exemplul tipic de sistem de automatizare a locuinței inteligente putem găsi actuatoare care blochează/deblochează ușile, aprind/sting luminile, se încălzesc pentru a crește temperatura etc.

Microcontrolere și sisteme încorporate

Ce este un microprocesecor/microcontroller

• Un senzor este un dispozitiv care transformă condițiile fizice sau stările primite în semnale (analogice sau digitale)
• Un actuator este dispozitivul care transformă semnalele digitale într-un fel de efect fizic,
• Microprocesorul este considerat a fi sistemele de calcul care se află în mijloc și procesează și/sau generează semnalele digitale.
• Un microcontroler are o unitate centrală de procesare (CPU), o cantitate fixă ​​de memorie (RAM și ROM), precum și alte porturi de intrare/ieșire și periferice, toate încorporate într-un singur cip.

Caracteristicile microcontrolerului

Alegerea unui microcontroler

• abordarea „unică pentru toate” nu poate fi adoptată. La alegerea microcontrolerului trebuie luate în considerare diferite caracteristici:
• Biți: Microcontrolerele vin cu capacități diferite în ceea ce privește numărul de biți pe care îi pot suporta. Acest lucru afectează viteza lor de procesare. Dimensiunile tipice sunt de 8 biți, 16 biți, 32 de biți și 64 de biți.
• Memorie: Memoria cu acces aleatoriu (RAM) este o memorie cu acces rapid care nu păstrează datele atunci când dispozitivul nu este alimentat. Microcontrolerele sunt încorporate cu acest tip de memorie pentru a efectua rapid diverse acțiuni. Ele vin în diferite dimensiuni, dar mărind dimensiunea memoriei, deși îmbunătățește capacitatea de procesare, crește costul.
• Flash sau ROM: este memoria microcontrolerului care reține datele stocate în ea atunci când este oprită. Nu este la fel de mare ca RAM, dar este necesar pentru a suporta stocarea offline.
• Pini de intrare generală de ieșire (GPIO): acestea sunt punctele de conectare pentru senzori și actuatoare. Numărul de pini poate varia de la câteva zeci până la sute, în funcție de dimensiunea și costul microcontrolerului.
• Conectivitate: Capacitatea microcontrolerului de a stabili conexiuni la rețea sau la Internet. Acest lucru se poate face prin Wi-Fi, Bluetooth, Wired Ethernet sau orice altă tehnologie de comunicare.
• Consumul de energie: Acesta este un aspect important, deoarece va defini câți senzori și actuatori activi microcontrolerul va fi capabil să pornească și să controleze mai ales atunci când microcontrolerul este alimentat, dar din surse alternative (de exemplu, solar). Este important ca dispozitivele IoT să fie eficiente din punct de vedere energetic, astfel încât să poată îndeplini sarcini pentru o perioadă lungă de timp, fără a fi nevoie să le pornească în mod regulat.
• Instrumente de dezvoltare și comunitate: este foarte util pentru microcontrolere să vină cu instrumente de dezvoltare și documentația aferentă pentru a facilita integrarea lor în soluția IoT. A avea o comunitate sau forumuri care lucrează pe diferite tipuri de microcontrolere face ca integratorii/dezvoltatorii să lucreze mult mai ușor în găsirea de informații legate de dezvoltarea lor.
• Unele microcontrolere IoT populare sunt Arduino, ARM, Raspberry Pi și multe altele.

07

Conectivitate și comunicații IoT

Conectivitate

Una dintre bazele IoT

• Există un număr copleșitor de opțiuni pentru conectivitate IoT
• Cerințe:
• Wireless (instalare mai simplă, reconfigurabilitate, mobilitate etc.)
• Schimbul
• Consumul de energie
• Gamă
• Lățimea de bandă
• Cerințe QoS

Conectivitate

Provocări

• Conectivitatea este un ingredient cheie al unui sistem IoT Rețineți că singura capacitate obligatorie a unui dispozitiv IoT este comunicarea. Orice dispozitiv atașat la o platformă IoT ar trebui să poată trimite sau primi date din rețeaua atașată.
• Există diverse provocări care trebuie luate în considerare și care trebuie abordate cu comunicarea IoT:
• Identificare și adresare: Deoarece ar putea exista un număr foarte mare de dispozitive IoT atașate la rețeaua de comunicații, ar trebui să existe mecanisme și protocoale eficiente pentru a identifica aceste dispozitive prin adrese unice. Din cauza lipsei de adrese din protocolul IPv4, IPv6 devine o necesitate în IoT.
• Comunicare cu putere redusă: dispozitivele IoT sunt de obicei dispozitive cu putere redusă, cu multe restricții de putere. Prin urmare, trebuie să se asigure că tehnologia de comunicare nu consumă mult din puterea disponibilă pe aceste dispozitive.
• Protocoale de rutare eficiente cu cerințe reduse de memorie
• Comunicare de mare viteză. Rata și debitul de date, precum și latența devin parametri foarte importanți în comunicațiile IoT, deoarece volumul de date ar putea fi semnificativ ridicat, iar timpii de livrare ar trebui să fie foarte mici.
• Mobilitate. Un aspect cheie al sistemelor IoT moderne, deoarece multe dintre dispozitive trebuie să se deplaseze (de exemplu, transport inteligent).

Conectivitate

Rețele, tehnologii mobile și protocoale

• În IoT, conexiunea la Internet se realizează în mod obișnuit utilizând protocolul Internet (IP), în ciuda faptului că stiva de protocoale IP necesită putere și memorie pentru dispozitivele conectate.
• Din acest motiv, este, de asemenea, posibil ca dispozitivele să se conecteze la rețeaua locală folosind tehnologii non-IP, cum ar fi RFID, Bluetooth, NFC etc., totuși aceste tehnologii sunt limitate în gamă.
• Aceste tehnologii de gamă joasă sunt utilizate pentru personal area networking (PAN) și sunt destul de populare în aplicațiile IoT, cum ar fi dispozitivele purtabile.
• Pentru rețelele locale (LAN) ar trebui utilizate tehnologii compatibile cu IP, totuși protocolul IP trebuie modificat pentru a suporta comunicații cu putere redusă.
• Unul dintre aceste protocoale este 6LoWPAN care încorporează IPv6 cu cerințe de putere mai mici. Alte tehnologii de rețea care pot fi utilizate în IoT includ IEEE802.15.4, RFID, LTE, 5G, standardele 802.11, Z-wave etc.

Bluetooth

• Bluetooth este o specificație pentru utilizarea comunicațiilor radio de putere redusă pentru a conecta telefoane, computere și alte dispozitive de rețea pe distanțe scurte, fără fire.
• Interfață radio universală pentru conectivitate wireless ad-hoc
• Interconectarea computerului și perifericelor, dispozitivelor portabile, PDA-uri, telefoane mobile – înlocuirea IrDA
• Încorporat în alte dispozitive – cost redus (< 1 $)
• Rază scurtă (10 m), consum redus de energie, fără licență, 2,4 GHz ISM
• Transmisia de voce si date

Caracteristici Bluetooth

• Capacitate universală fără fir cu rază scurtă de acțiune
• Utilizează banda de 2,4 GHz
• Disponibil la nivel global pentru utilizatorii fără licență
• Dispozitivele aflate la o distanță de 10 m pot partaja o capacitate de până la 2,1 Mbps sau 24 Mbps
• Acceptă o listă deschisă de aplicații
• Date, audio, grafică, video
• A început ca IEEE 802.15.1
• Noi standarde vin de la Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG)
• Consorțiu industrial
• Bluetooth 2.0, 2.1, 3.0, 4.0 și 5.0

Dispozitive Bluetooth

Exemple tipice Bluetooth

Găsirea și alertarea dispozitivelor

Bluetooth

Piconet și Scatternets

• Bluetooth este o tehnologie LAN fără fir concepută pentru a conecta dispozitive cu diferite funcții atunci când acestea se află la o distanță mică unul de celălalt.
• O rețea LAN Bluetooth este o rețea ad-hoc.
• Dispozitivele, numite uneori gadgeturi, se găsesc reciproc și formează o rețea numită piconet.
• Utilizează Frequency Hopping Spread Spectrum pentru a evita interferențele și pentru a îmbunătăți securitatea (FHSS)
• Bluetooth definește două tipuri de rețele:
• piconet și
• scatternet.

Bluetooth

Piconet

• Un piconet poate avea până la opt stații, dintre care una se numește primară; restul se numesc secundare.
• Toate stațiile secundare își sincronizează ceasurile și secvența de salt cu cea primară.
• Rețineți că un piconet poate avea o singură stație primară.
• Comunicația dintre stațiile primare și secundare poate fi unu-la-unu sau unu-la-mulți

Bluetooth

Scatternet

• O stație secundară dintr-un piconet poate fi primară într-un alt piconet.
• Această stație poate primi mesaje de la primar în primul piconet (ca secundar) și, acționând ca primar, le poate livra la secundare în al doilea piconet.
• O stație poate fi membru a două piconeturi.

Bluetooth inteligent

Optimizat pentru un consum redus de energie

• Pachetele scurte reduc curentul de vârf TX
• Pachetele scurte reduc timpul de recepție
• Mai puține canale RF pentru a îmbunătăți timpul de descoperire și de conectare
• Mașină simplă de stare
• Proiectat pentru transmiterea de date mici (1 Mbps, dar neoptimizat pentru transmiterea datelor)

Bluetooth inteligent

Detalii tehnice

Mesh Bluetooth

Proiecta

• Funcționarea rețelei mesh este concepută pentru:
• permite trimiterea mesajelor de la un element la unul sau mai multe elemente (comunicații de la mai multe la mai multe (m:m) dispozitiv);
• permite transmiterea mesajelor prin alte noduri pentru a extinde raza de comunicare;
• mesaje securizate împotriva atacurilor de securitate cunoscute, inclusiv atacuri de interceptare, atacuri de tip man-in-the-middle, atacuri de reluare, atacuri cu coșul de gunoi, atacuri cu cheie cu forță brută, …;

• lucrați pe dispozitivele existente pe piață astăzi;
• transmite mesajele în timp util;
• continuă să funcționeze atunci când unul sau mai multe dispozitive sunt mutate sau încetează să funcționeze; şi
• au compatibilitate înainte încorporată pentru a suporta versiunile viitoare ale specificației Mesh Profile.

WPAN - Zigbee

Introducere

• ZigBee este un standard de comunicații wireless conceput de ZigBee Alliance.
• Conceput pentru:
• implementare simplă
• consum redus de energie
• Aplicații țintă:
• Cele care necesită comunicații sigure, rate scăzute de transmisie a datelor și care maximizează durata de viață a bateriei
• Proiectat atât pentru aplicații industriale, cât și pentru rezidențiale
• Senzori și dispozitive de control
• ZigBee este definit dintr-o stivă de protocoale care permite o comunicare simplă și eficientă între diferite dispozitive.
• Straturi inferioare: PHY și MAC, sunt definite de standardul IEEE 802.15.4 (Low Rate – WPAN).
• Straturi înalte: NWK și APS, sunt definite de ZigBee Alliance.
• Stratul de rețea (NWK) gestionează sarcinile de rutare și întreținerea nodurilor de rețea
• Application Support Sublayer (APS) stabilește o interfață între stratul de rețea și obiectele dispozitivului ZigBee (definite de standard sau de producător)

WPAN - Zigbee

Aplicații

• Potrivit în special pentru situațiile în care consumul de energie și/sau costurile de implementare sunt critice
• Este conceput pentru a fi util într-o mare varietate de aplicații:
• Control si monitorizare industriala
• Găzduire senzori încorporați
• Colectarea datelor medicale
• Siguranța publică
• Detectarea și determinarea locației la locurile de dezastru

WPAN - Zigbee

Aplicații

• Automatizare acasă și rețele
• Interconectarea rețelei
• Conexiune periferice (rata de transmisie 115 kbps, latență 15 ms)
• Mouse fără fir, tastatură, joystick-uri, PDAS, jocuri
• Controlul electronicelor de larg consum (10 kbps, 100 ms)
• Radio, televizoare, CD-uri, VCR-uri, DVD-uri și așa mai departe
• Telecomanda cu adevărat universală pentru a le controla pe toate
• Automatizare la domiciliu (10 kbps, 100 ms)
• încălzire, ventilație și aer condiționat (HVAC)
• securitate
• iluminat
• controlul obiectelor precum perdele, ferestre, uși și încuietori
• Monitorizarea sănătății (10 kbps, 100 ms)
• monitorizarea medicală a persoanelor vârstnice care locuiesc singure
• Jucării și jocuri interactive (115 kbps, 15 ms)

• Agricultura de precizie
• detectarea umidității solului, a pesticidelor, a erbicidelor sau a nivelurilor de pH
• detectarea umidității solului (sisteme de picurare, folosind doar cantitatea de apă necesară pentru a menține plantele verzi)
• Controlul flotei
• Detecție auto
• Monitorizarea presiunii în anvelope
• Nivelurile de ulei
• Kilometraj
• Ecusoane și etichete inteligente
• Detectare fum sau intrus

WPAN - Zigbee

Aranjamente de plasă

WLAN - WIFI

Introducere

• Alături de tehnologia celulară, Wi-Fi este cel mai cunoscut protocol de conectivitate și este prezent în aproape fiecare casă din lume.
• Prima instanță: furnizarea de conectivitate „pe drum” în aeroporturi, hoteluri, cafenele pe internet și centre comerciale
• Scopul a fost de a oferi navigare pe web, e-mail și, pentru utilizatorii de afaceri, acces la rețeaua de birouri prin aplicații Virtual Private Network (VPN).
• Mai târziu, LAN wireless s-a mutat ferm în mediul acasă și la birou
• Acum, disponibil pe mai multe dispozitive: computere, imprimante, console de jocuri, servere media, scanere
• de la dispozitive mici ca un smartphone sau la fel de mari ca un ecran dintr-o sală
• Wi-Fi poate fi folosit pentru a conecta cu ușurință dispozitivele IoT, precum și pentru a le conecta la puncte de acces fără fir care, la rândul lor, se conectează la sisteme de bază în cloud

Wi-Fi

Standard IEEE 802.11

WLAN - WIFI

802.11 - Arhitectura unei rețele de infrastructură

• Stație (STA)
• terminal cu mecanisme de acces la mediul wireless și contact radio la punctul de acces
• Set de servicii de bază (BSS)
• grup de posturi care folosesc aceeași frecvență radio
• Punct de acces
• statie integrata in LAN wireless si sistemul de distributie
• Portal
• punte către alte rețele (cablate).
• Sistem de distribuție
• rețea de interconectare pentru a forma o singură rețea logică (EES: Extended Service Set) bazată pe mai multe BSS

WLAN - WIFI

Setul de servicii de bază (BSS)

• AP-ul funcționează ca o punte și un punct de releu.
• Într-un BSS, stațiile client nu comunică direct între ele. Mai degrabă, dacă o stație din BSS dorește să comunice cu o altă stație din același BSS, cadrul MAC este mai întâi trimis de la stația de origine la AP și apoi de la AP la stația de destinație.
• În mod similar, un cadru MAC de la o stație din BSS către o stație la distanță este trimis de la stația locală la AP și apoi retransmis de AP prin DS în drumul său către stația de destinație.
• BSS corespunde în general la ceea ce se face referire ca o celulă în literatură.
• DS poate fi un comutator, o rețea cu fir sau o rețea fără fir.

WLAN - WIFI

Setul de servicii extinse (ESS)

• Un set de servicii extinse (ESS) constă din două sau mai multe seturi de servicii de bază interconectate printr-un sistem de distribuție.
• În mod obișnuit, sistemul de distribuție este o rețea principală cu fir, dar poate fi orice rețea de comunicații.
• Setul de servicii extins apare ca un singur LAN logic la nivelul de control al legăturii logice (LLC).

WLAN - WIFI

Tipuri de rețele Wi-Fi

• Rețele de infrastructură
• Rețele ad-hoc

Go

Go

WLAN - WIFI

Rețeaua de infrastructură

• Conexiuni între dispozitive fără fir realizate prin intermediul unui punct de acces care permite, de asemenea, dispozitivelor să se conecteze la o rețea cu fir

Rețele de infrastructură

Puncte de acces

• Care este diferența dintre un router wireless și un punct de acces?
• Routerele wireless includ un AP, un comutator și un router de bandă largă.
• Un punct de acces este un transmițător/receptor radio care este cel mai larg utilizat pentru a conecta o rețea fără fir și cu fir (ethernet). Un punct de acces oferă doar o interfață/portal pentru ca clienții fără fir să se conecteze la rețeaua LAN existentă.
• Un router are funcții suplimentare: permite mai multor clienți să se conecteze la Internet prin deservirea adreselor IP interne, are capabilități NAT, adesea și un comutator încorporat. Acesta „direcționează” traficul între două rețele diferite, de obicei Internetul pe partea WAN și rețeaua dumneavoastră locală pe partea LAN.

WLAN - WIFI

Rețea ad-hoc

• Un tip descentralizat de rețea fără fir.
• Ad-hoc, deoarece nu se bazează pe o infrastructură preexistentă, cum ar fi routerele din rețelele cu fir sau punctele de acces
• Conexiuni temporare între dispozitive – fără legătură la o rețea cu fir
• Utilizările includ transferul de date între telefon inteligent și laptop, jocuri etc.

WLAN - WIFI

Cerințe WLAN

WLAN - WIFI

setări 802.11

• SSID – (Service Set Identifier) ​​Nume rețea
• Ad-Hoc sau Infrastructure
• Security
• WEP, WPA-PSK, WPA2-PSK, WPA Enterprise sau WPA2-Enterprise
• Canal – frecvență radio
• BSSID: adresa MAC a punctului de acceptare

Mesh WiFi

Rețea Mesh

• PRO
• Dependență redusă de rețelele cu fir
• Timp de instalare redus
• Usor de extins
• CONTRA
• Poate reduce performanța
• Cam greu de intretinut
• Dependența de energie electrică

Sursă: www.shadowandy.net

Wi-Fi Hallow

Proiectat pentru IoT

• Proiectat special pentru IoT
• Bazat pe standardul IEEE 802.11ah
• Oferă intervalul, ratele de date, penetrarea și profilurile de consum redus de energie așteptate în setările IoT
• Cazuri de utilizare:
• Automatizare industrială
• Logistica si Transporturi
• Agricultură
• Automatizarea locuintei si a cladirilor
• Orașe inteligente

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

Wi-Fi Hallow

Atribute

Wi-Fi Hallow

TWT ȘI RAW

• Timp de trezire țintă (TWT)
• Dispozitivele client care se așteaptă să dorm pentru perioade lungi de timp pot negocia un contract TWT cu AP.
• AP-ul stochează orice trafic destinat clientului până la atingerea orei de trezire convenite.
• Când dispozitivul client se trezește la ora prescrisă, își ascultă farul și angajează AP-ul să primească și să transmită orice date necesare înainte de a reveni la starea de repaus.
• Intervalul dintre timpii de trezire, negociat de client și AP, poate varia de la deosebit de scurt (microsecunde) la foarte lung (ani).
• Fereastră de acces restricționat (RAW)
• Pentru sistemele cu perioade de activitate previzibile, un AP poate acorda unui subset de clienți cu privilegii RAW pentru a-și transfera datele, în timp ce alții pot fi forțați să dorm, să pună în tampon datele neurgente sau ambele.
• Dispozitivele client economisesc energie și lasă mai multă capacitate de rețea disponibilă pentru alt trafic critic în timp.
• Combinând funcțiile TWT și RAW, un proiectant de rețea poate minimiza conflictele canalelor și poate economisi energie în întregul sistem.

IEEE 802.11ax

Wi-Fi 6

• IEEE 802.11ax, etichetat Wi-Fi 6 de Wi-Fi Alliance
• Se poate gândi la High Efficiency Wireless
• Îmbunătățirile cheie nu se bazează pe debit, ci se bazează pe eficiență și pe suport pentru transmisii cu mai mulți utilizatori.
• De asemenea, acceptă OFDMA (ca LTE), economisirea energiei TWT, suport pentru 2,4 GHz și 5 GHz, colorare BSS, 1024QAM etc.
• 802.11ax este o evoluție a 802.11ac concepută pentru a suporta medii de densitate ultra-înaltă (UHD) cu mulți utilizatori cu trei sau patru clienți 802.11, toți consumând resurse de rețea concomitent
• Acest lucru îl face ideal pentru IoT
• Primele 2 proiecte ale standardului au fost respinse.
• A treia versiune a fost aprobată la 01/07/18
• Aprobare de către IEEE la sfârșitul anului 2019

IEEE 802.11ax

Îmbunătățiri cheie

• Funcționare la 2,4 GHz și 5 GHz
• OFDMA
• Colorare BSS
• Timp de trezire țintă
• 1024 QAM

LoRA (Rază Lungă) WAN

• LoRa înseamnă Long Range
• O tehnologie de strat fizic care este creată de o companie privată numită Semtech,
• În acest sens, Semtech păstrează dreptul de proprietate asupra stratului fizic și permite terților să implementeze rețele folosind standardul LoRaWAN.
• LoRa folosește propria sa schemă de modulare a spectrului răspândit (LoRa Spread Spectrum) implementată în benzile ISM: 868 (Europa), 915 (SUA) și 433 MHz (Asia).
• Este conceput pentru comunicații cu distanță lungă (până la 22 km în zonele rurale sau 2 până la 5 km în medii urbane).
• Una dintre cerințe este și consumul redus de energie, astfel încât păstrează rate de date scăzute (de la 0,3 la 50 kbps pentru uplink) și răspunde doar la transmisiile anterioare în downlink (nodul de trimitere rămâne să asculte un timp înainte de a intra în somn).
• Este considerată o alegere excelentă pentru comunicarea IoT cu putere redusă pe distanță lungă.

LoRA

Aplicații tipice

• Agricultura inteligentă:
• Monitorizarea umidității și temperaturii solului, urmărirea sănătății culturilor.
• Orașe inteligente:
• Monitorizarea mediului, managementul deșeurilor și soluții inteligente de parcare.
• IoT industrial:
• Monitorizarea echipamentelor, întreținerea predictivă și urmărirea activelor.

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

LoRA

Avantaje

• Scalabilitate:
• Ușor scalabil pentru manipularea diferitelor dispozitive în diferite aplicații.
• Cost scăzut:
• Eficient din punct de vedere al costurilor pentru implementarea rețelelor IoT la scară largă.
• Acoperire îmbunătățită:
• Acoperire îmbunătățită în medii provocatoare, cum ar fi zonele urbane sau peisajele rurale.

Alte opțiuni de conectivitate

• SigFox
• este o altă tehnologie Low Power Wide Area Network (LPWAN) care este foarte asemănătoare cu LoRAWan.
• Diferența este că Sigfox își deschide stratul fizic pentru producători terți și controlează rețeaua pentru a oferi serviciul de conectivitate, în timp ce Semtech păstrează proprietatea asupra stratului fizic și permite terților să implementeze rețele folosind standardul LoRaWAN.
• NB-IoT:
• Narrowband IoT (NB-IoT) este un standard 3GPP deschis bazat pe LTE definit în 3GPP Release 13 din iunie 2016.
• Permite o implementare flexibilă și rapidă deoarece este compatibil cu infrastructura de rețea existentă prin utilizarea unei mici porțiuni din spectrul disponibil în LTE.
• Cele mai multe eNB (stații de bază LTE) pot fi actualizate pentru a suporta NB-IoT.
• În timp ce Sigfox și LorWAN sunt operate în mod obișnuit de persoane fizice și companii private, NB-IoT trebuie să fie operate și gestionate de un operator de telecomunicații licențiat, deoarece operează pe LTE.
• NB-IoT profită de tehnologiile moderne de comunicații celulare prin adăugarea unui semnal în bandă îngustă care poate fi utilizat pentru a comunica dispozitive cu putere redusă și dispozitive cu complexitate redusă.
• Oferă capacitate crescută a sistemului, eficiență a spectrului și consum de energie. Cu toate acestea, poate împiedica viteza de transmisie a datelor, poate împiedica actualizările over-the-air și poate avea suport global limitat

Alte opțiuni de conectivitate

• Celular
• LoRAWan și Sigfox oferă conectivitate WAN într-un interval lung, dar limitat, dar conectivitatea globală poate fi acceptată numai cu sistemele celulare.
• Sistemele IoT au început să fie implementate de la începutul 4G, dar introducerea 5G este cea care a făcut cu adevărat celulară una dintre cele mai importante tehnologii de conectivitate pentru IoT, ca să nu mai vorbim de potențialul pe care îl creează 6G.
• IoT cu fir:
• conectivitatea prin cablu rămâne o alegere de încredere atunci când mobilitatea nu este o cerință și există infrastructura care să o susțină.
• Conectivitatea prin cablu poate fi susținută fie prin utilizarea cablurilor cu perechi răsucite (de exemplu, CAT-5, CAT-6 sau CAT-7), fibre optice sau chiar cabluri coaxiale.
• Alte opțiuni includ Z-Wave, Satellite, ANT+

08

Protocoale de comunicare a datelor IoT

Protocoale de comunicare de date pentru IoT

Introducere

• Conectivitatea REST prin Internet este utilizată ca arhitectură de comunicare pentru dispozitivele IoT.
• De obicei, dispozitivele IoT au resurse limitate și pot fi supuse pierderii de date sau unei cerințe mari de memorie
• HTTP poate fi folosit.
• Alternativ, câteva protocoale care sunt eficiente sunt
• MQTT,
• CoAP,
• XMPP,
• WebSocket și
• AMQP.

REST, sau REpresentational State Transfer, este un stil arhitectural pentru furnizarea de standarde între sistemele computerizate de pe web, facilitând comunicarea între sisteme.

Protocoale de comunicare de date pentru IoT

HTTP

• Hypertext Transfer Protocol reprezintă o posibilă alternativă pentru a susține serviciile IoT și pentru a menține compatibilitatea cu World Wide Web.
• HTTP se bazează pe o paradigmă client-server, în care clientul solicită date de la server printr-o conexiune TCP.
• Mesajele HTTP sunt bazate pe text
• Atât anteturile HTTP, cât și formatul transportat (de obicei, text html sau date binare convertite în format text) pot fi comprimate.

Protocoale de comunicare de date pentru IoT

MQTT

• MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) este un standard ISO deschis (ISO/IEC 20922)
• Oferă un protocol de rețea ușor, de publicare-abonare, care transportă mesajele între dispozitive
• Protocolul rulează de obicei peste TCP/IP
• Protocolul MQTT definește două tipuri de entități de rețea: un broker de mesaje și un număr de clienți:
• Un broker MQTT este un server care primește toate mesajele de la clienți și apoi direcționează mesajele către clienții de destinație corespunzători.
• Un client MQTT este orice dispozitiv care rulează o bibliotecă MQTT și se conectează la un broker MQTT printr-o rețea

Exemplu MQTT

Protocoale de comunicare de date pentru IoT

CoAP

• Constrained Application Protocol (CoAP) este un protocol de aplicație Internet specializat pentru dispozitive constrânse, așa cum este definit în RFC 7252.
• Permite acelor dispozitive constrânse numite „noduri” să comunice cu internetul mai larg folosind protocoale similare.
• CoAP este utilizat și prin alte mecanisme, cum ar fi SMS-urile în rețelele de comunicații mobile.
• CoAP este un protocol de nivel de serviciu care este destinat utilizării în dispozitive de internet cu resurse limitate, cum ar fi nodurile de rețea cu senzori fără fir.
• Este proiectat pentru a se traduce cu ușurință în HTTP pentru o integrare simplificată cu web-ul, îndeplinind în același timp cerințe specializate, cum ar fi suportul multicast, supraîncărcare foarte redusă și simplitate.
• CoAP poate rula pe majoritatea dispozitivelor care acceptă UDP.

Protocoale de comunicare de date pentru IoT

WebSocket

• WebSocket este un protocol de comunicații IETF, care oferă canale de comunicație full-duplex printr-o singură conexiune TCP (RFC 6455).
• WebSocket este diferit de HTTP. Ambele protocoale sunt situate la nivelul 7 în modelul OSI și depind de TCP la nivelul 4.
• RFC 6455 afirmă că WebSocket „este proiectat să funcționeze peste porturile HTTP 443 și 80, precum și să accepte proxy-uri și intermediari HTTP”, făcându-l astfel compatibil cu protocolul HTTP.
• Pentru a obține compatibilitate, strângerea de mână WebSocket utilizează antetul de actualizare HTTP pentru a trece de la protocolul HTTP la protocolul WebSocket.

Protocoale de comunicare de date pentru IoT

AMPQ

• Advanced Message Queuing Protocol (AMQP) este un protocol de nivel de aplicație standard deschis pentru middleware orientat pe mesaje.
• Caracteristicile definitorii ale AMQP sunt orientarea mesajelor, coada de așteptare, rutarea (inclusiv punct-la-punct și publish-and-subscribe), fiabilitatea și securitatea.
• AMQP este un protocol la nivel de fir. Un protocol la nivel de fir este o descriere a formatului datelor care sunt trimise în rețea ca un flux de octeți.

Protocoale de comunicare de date pentru IoT

Rezumat-Comparație

Protocoale de comunicare de date pentru IoT

Rezumat-Comparație

09

Provocări IoT

Provocări IoT

Securitate

• Dispozitivele IoT funcționează în mod obișnuit pe electronice cu putere redusă și cu capacitate de procesare redusă, ceea ce nu permite implementarea eficientă a mecanismelor de securitate pe ele. Având în vedere creșterea semnificativă a vulnerabilităților firmware-ului, dispozitivele IoT reprezintă de obicei ușa din spate perfectă pentru a intra într-o rețea securizată.
• Soluție: implementați criptarea, autentificarea, controalele de acces și actualizările regulate. Utilizați detectarea intruziunilor și detectarea anomaliilor pentru identificarea timpurie a amenințărilor de securitate.

Provocări IoT

Scalabilitate

• Multe aplicații și sisteme IoT contemporane includ un număr foarte mare de dispozitive conectate. Pe măsură ce aceste rețele cresc, gestionarea și coordonarea dispozitivelor devin din ce în ce mai dificile, deoarece în multe cazuri creșterea rapidă a nodurilor conectate sau numărul crescut de flux de date ar putea necesita modificări substanțiale ale infrastructurii.
• Soluție: O soluție ar putea fi utilizarea arhitecturilor scalabile, cum ar fi edge computing și procesarea distribuită, și folosirea echilibrării sarcinii pentru manipularea eficientă a numeroaselor dispozitive.

Provocări IoT

Aglomerarea rețelei

• Acest lucru este, de asemenea, legat de problema de scalabilitate menționată mai sus, deoarece numărul crescut de dispozitive conectate ar putea cauza trafic/congestionare în rețea, ceea ce va degrada calitatea serviciului având în vedere creșterea pierderii de pachete, întârzierile asociate și alte probleme.
• Soluție: Soluțiile posibile includ optimizarea protocoalelor de comunicație, utilizarea compresiei datelor și prioritizarea datelor critice

Provocări IoT

Managementul dispozitivelor

• Gestionarea a numeroase dispozitive IoT devine mare, mai ales dacă acestea sunt eterogene și vin cu multe caracteristici complicate, mecanisme de autentificare, cerințe de actualizare etc.
• Soluție: utilizați platforme de gestionare a dispozitivelor pentru sarcini automate, cum ar fi actualizări și monitorizare. Implementați protocoale standardizate, cum ar fi MQTT și CoAP.

Provocări IoT

Interoperabilitate

• În mod obișnuit, în sistemele IoT mari, diferitele componente (senzori, actuatoare, microcontrolere etc.) pot proveni de la furnizori diferiți și, având în vedere cadrul IoT nu atât de standardizat, pot crea probleme de interoperabilitate.. Pot fi necesare ajustări atunci când se adaugă hardware și software nou pentru a menține funcționalitatea și pentru a se adapta tehnologiei inovatoare.
• Soluție: O posibilă soluție este adoptarea standardelor din industrie pentru comunicații și formate de date. Utilizați soluții middleware pentru a gestiona diferite protocoale.

Provocări IoT

Consumul de energie

• Există multe aplicații IoT care sunt instalate în locuri îndepărtate sau în spații în care furnizarea de energie ar putea fi foarte dificilă (de exemplu, la fundul lacului pentru a monitoriza poluarea). Aceasta înseamnă că fie avem nevoie de baterii care să reziste mult timp, fie să limităm consumul de energie, dar în mod ideal ambele. .
• Soluție: optimizați protocoalele de comunicație, utilizați tehnologii de consum redus, cum ar fi LPWAN, și proiectați hardware eficient din punct de vedere energetic sau împingeți anumite funcționalități către o unitate centrală de procesare.

Provocări IoT

Confidențialitatea datelor

• O mare îngrijorare în sistemele IoT este legată de ceea ce se întâmplă cu datele colectate, mai ales dacă acestea sunt sensibile (de exemplu, datele de sănătate într-un sistem de e-sănătate IoT).
• Soluție: utilizați în practică criptarea, anonimizarea datelor și politicile de confidențialitate explicite. Respectați legile precum GDPR și HIPAA.

Alte provocări IoT

Regulament

• O altă caracteristică comună a inovațiilor tehnologice este că reglementările guvernamentale durează adesea mult timp pentru a ajunge din urmă cu stadiul actual al tehnologiei.
• Odată cu evoluția rapidă care are loc în fiecare zi în IoT, guvernele își iau timp să recupereze, iar companiile rămân adesea fără informații cruciale de care au nevoie pentru a lua decizii.
• Lipsa unor reglementări IoT puternice este o mare parte din motivul pentru care IoT rămâne un risc sever de securitate și problema se va agrava probabil pe măsură ce suprafața potențială de atac se extinde pentru a include dispozitive din ce în ce mai importante.

Alte provocări IoT

Compatibilitate

• Bluetooth a fost mult timp standardul de compatibilitate pentru dispozitivele IoT.
• Când vine vorba de automatizarea casei folosind rețelele mesh, mai mulți concurenți au apărut pentru a contesta ofertele de rețele mesh ale Bluetooth, inclusiv protocoale precum Zigbee și Z-Wave.
• Ar putea trece ani înainte ca piața să se stabilească suficient pentru a încununa un singur standard universal sau o arhitectură unificatoare pentru IoT acasă.
• Compatibilitatea continuă pentru dispozitivele IoT depinde, de asemenea, de utilizatorii care își păstrează dispozitivele actualizate și corectate, ceea ce, așa cum tocmai am discutat, poate fi destul de dificil. Când dispozitivele IoT care trebuie să comunice între ele rulează versiuni software diferite, pot apărea tot felul de probleme de performanță și vulnerabilități de securitate.

Alte provocări IoT

Lățimea de bandă

• Conectivitatea este o provocare mai mare pentru IoT decât v-ați aștepta.
• Pe măsură ce dimensiunea pieței IoT crește exponențial, aplicațiile IoT cu lățime de bandă intensivă, cum ar fi streaming video, se vor lupta în curând pentru spațiu pe modelul actual server-client al IoT.
• Cu toate acestea, limitările pot veni și din numărul masiv de conexiuni (în special în planul de control al rețelei).
• Modelul server-client folosește un server centralizat pentru a autentifica și direcționa traficul pe rețelele IoT. Cu toate acestea, pe măsură ce tot mai multe dispozitive încep să se conecteze la aceste rețele, adesea se luptă să suporte sarcina.
• Funcții precum comutarea inteligentă între operatorii de rețele mobile (MNO) sunt deosebit de utile pentru a crea un produs IoT mai fiabil și mai ușor de utilizat pentru clienții dvs.

Alte provocări IoT

Așteptările clienților

• Afacerile care doresc să intre în acest sector competitiv și inovator ar trebui să fie pregătite pentru o piață care nu sta niciodată pe loc și clienții care doresc întotdeauna o experiență mai fluidă și mai avansată.
• IoT este un sector interesant, cu mult potențial de a schimba modul în care trăim, lucrăm și ne jucăm. Dar industria tehnologică, guvernul și consumatorii deopotrivă trebuie să fie pe aceeași pagină cu problemele de securitate și performanță pentru a se asigura că IoT rămâne sigur și productiv de utilizat.

10

Aplicații IoT

Aplicații IoT

Aplicații pentru consumatori

• O parte din ce în ce mai mare de dispozitive IoT sunt create pentru uzul consumatorilor, inclusiv vehiculele conectate, automatizarea casei, tehnologia purtabilă, sănătatea conectată și aparatele cu capabilități de monitorizare de la distanță.
• Casă inteligentă
• Dispozitivele IoT fac parte din conceptul mai larg de automatizare a locuinței, care poate include sisteme de iluminat, încălzire și aer condiționat, media și sisteme de securitate. Beneficiile pe termen lung ar putea include economii de energie prin asigurarea automată a luminilor și a electronicelor stinse.
• Îngrijirea bătrânilor
• O aplicație cheie a unei case inteligente este de a oferi asistență persoanelor cu dizabilități și persoanelor în vârstă. Aceste sisteme de acasă folosesc tehnologie de asistență pentru a se adapta dizabilităților specifice ale proprietarului.

Aplicații IoT

Aplicații organizaționale

• Medical si asistenta medicala
• Internetul obiectelor medicale (IoMT) este o aplicație a IoT în scopuri medicale și legate de sănătate, colectarea și analiza de date pentru cercetare și monitorizare
• Transport
• IoT poate ajuta la integrarea comunicațiilor, controlului și procesării informațiilor în diferite sisteme de transport.
• Comunicații V2X
• În sistemele de comunicații pentru vehicule, comunicarea vehicul-to-totul (V2X) constă din trei componente principale: comunicație vehicul-vehicul (V2V), comunicare vehicul-infrastructură (V2I) și comunicații vehicul-pieton (V2P). V2X este primul pas către conducerea autonomă și infrastructura rutieră conectată
• Constructii si automatizari a locuintei
• Dispozitivele IoT pot fi utilizate pentru a monitoriza și controla sistemele mecanice, electrice și electronice utilizate în diferite tipuri de clădiri (de exemplu, publice și private, industriale, instituții sau rezidențiale).

Aplicații IoT

Aplicații industriale

• Cunoscute și sub numele de IIoT, dispozitivele industriale IoT achiziționează și analizează date de la echipamentele conectate, tehnologia operațională (OT), locații și oameni. Combinat cu dispozitivele de monitorizare a tehnologiei operaționale (OT), IIoT ajută la reglarea și monitorizarea sistemelor industriale.
• Fabricarea
• IoT poate realiza integrarea perfectă a diferitelor dispozitive de producție echipate cu capabilități de detectare, identificare, procesare, comunicare, acționare și rețea. Bazat pe un spațiu ciber-fizic inteligent atât de integrat, deschide ușa pentru a crea noi oportunități de afaceri și de piață pentru producție.
• Agricultură
• Există numeroase aplicații IoT în agricultură, cum ar fi colectarea de date despre temperatură, precipitații, umiditate, viteza vântului, infestarea cu dăunători și conținutul de sol. Aceste date pot fi folosite pentru a automatiza tehnicile agricole, pentru a lua decizii informate pentru a îmbunătăți calitatea și cantitatea, pentru a minimiza riscurile și risipa și pentru a reduce efortul necesar pentru gestionarea culturilor. De exemplu, fermierii pot monitoriza acum temperatura și umiditatea solului de la distanță și chiar pot aplica datele obținute prin IoT pentru programele de fertilizare de precizie.

Aplicații IoT

Aplicații de infrastructură

• Monitorizarea și controlul operațiunilor infrastructurilor urbane și rurale durabile, cum ar fi podurile, șinele de cale ferată și parcurile eoliene pe și offshore este o aplicație cheie a IoT. Infrastructura IoT poate fi utilizată pentru monitorizarea oricăror evenimente sau modificări ale condițiilor structurale care pot compromite siguranța și pot crește riscul. Utilizarea dispozitivelor IoT pentru monitorizarea și operarea infrastructurii este probabil să îmbunătățească gestionarea incidentelor și coordonarea răspunsului la situații de urgență, precum și calitatea serviciului, timpii de funcționare și să reducă costurile de operare în toate domeniile legate de infrastructură.
• Implementări la scară metropolitană / Smart City
• Există mai multe implementări la scară largă planificate sau în curs de desfășurare ale IoT, pentru a permite o mai bună gestionare a orașelor și a sistemelor. De exemplu, Songdo, Coreea de Sud, primul oraș inteligent de acest fel complet echipat și cablat, este în curs de construcție, cu aproximativ 70% din cartierul de afaceri finalizat în iunie 2018. O mare parte a orașului este planificată să fie conectată și automatizată, cu puțină sau deloc intervenția umană.

Aplicații IoT

Aplicații de infrastructură

• Managementul energiei
• Un număr semnificativ de dispozitive consumatoare de energie (de exemplu, lămpi, aparate de uz casnic, motoare, pompe etc.) integrează deja conexiunea la internet, ceea ce le poate permite să comunice cu utilitățile nu numai pentru a echilibra generarea de energie, ci și pentru a ajuta la optimizarea consumului de energie în ansamblu.
• Rețeaua inteligentă este o aplicație IoT pentru utilități; sistemele colectează și acționează asupra energiei și informațiilor legate de energie pentru a îmbunătăți eficiența producției și distribuției de energie electrică
• Monitorizarea mediului
• Aplicațiile de monitorizare a mediului ale IoT folosesc de obicei senzori pentru a ajuta la protecția mediului prin monitorizarea calității aerului sau a apei, a condițiilor atmosferice sau ale solului și pot include chiar și zone precum monitorizarea mișcărilor faunei sălbatice și a habitatelor acestora.
• Laboratorul Viu
• Un alt exemplu de integrare a IoT este Living Lab care integrează și combină procesul de cercetare și inovare, stabilind în cadrul unui parteneriat public-privat-oameni.

Aplicații IoT

Aplicații militare

• Internetul lucrurilor militare (IoMT) este aplicarea tehnologiilor IoT în domeniul militar în scopuri de recunoaștere, supraveghere și alte obiective legate de luptă.
• Este puternic influențată de perspectivele viitoare ale războiului într-un mediu urban și implică utilizarea de senzori, muniții, vehicule, roboți, biometrie portabile de om și alte tehnologii inteligente care sunt relevante pe câmpul de luptă.
• Internet of Battlefield Things
• Internetul lucrurilor pe câmpul de luptă (IoBT) este un proiect inițiat și executat de Laboratorul de Cercetare a Armatei SUA (ARL) care se concentrează pe știința de bază legată de IoT care îmbunătățește capacitățile soldaților armatei.
• Oceanul lucrurilor
• Proiectul „Ocean of Things” este un program condus de DARPA, conceput pentru a stabili un internet al obiectelor în zone mari de ocean, în scopul colectării, monitorizării și analizei datelor de mediu și ale activității navelor.

Evaluare

În această secțiune, veți avea ocazia să vă testați cunoștințele dobândite pe parcursul cursului. Chestionarul nostru interactiv vă va oferi o evaluare detaliată a înțelegerii dvs. a subiectelor cheie. Pregătiți-vă să vă provocați abilitățile și să vă întăriți învățarea pe măsură ce vă îndreptați spre stăpânirea conceptelor fundamentale. Nu rata șansa de a demonstra tot ce ai învățat până acum!

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

Curs finalizat!