SWE - PREVENT IoT and Communication Theory (UCLan)

IoT och kommunikation - PREVENT Projektet

Marios Raspopoulos

Start

Index

Mål

6. IoT--enheter och komponenter

1. Introduktion till IoT

7. Anslutningsbarhet och IoT-kommunikation

2. Historien om IoT

8. Protokoll för datakommunikation inom IoT

3. Definitioner

9. Utmaningar inom IoT

4. IoT-krav

10. IoT-tillämpningar

5. IoT-arkitekturer

Bedömning

Mål

Detta kapitel syftar till att presentera de grundläggande principerna och arkitekturen för Sakernas internet (Internet of Things - IoT), diskutera, undersöka och utvärdera de viktigaste tekniska komponenterna som ligger till grund för IoT, lära sig hur man praktiskt utformar, kodar och bygger IoT-lösningar samt granska de viktigaste tekniska tillämpningarna av IoT.

01

Introduktion till IoT

”Allt som kan vara anslutet kommer att vara anslutet.”Kevin Ashton, Fadern till IoT

Vad är IoT?

Sakernas internet (IoT) är ett system av sammankopplade datorer, mekaniska och digitala maskiner som är försedda med unika identifierare (UID) och har förmågan att överföra data över ett nätverk utan att kräva interaktion mellan människor eller mellan människor och datorer. (”Internet of Things Global Standards Initiative”. ITU. Hämtat den 26 juni 2015.)

Vad är IoT?

• IoT är ett mycket populärt ämne inom forskning och utveckling, främst på grund av den allestädes närvarande omvandlingen av datortekniken
• Fysiska enheter har blivit ”smarta” och kan nu känna av, kommunicera på ett genomgripande sätt och interagera med sin omgivning, vilket ger mänskligheten användbara applikationer och lösningar inom en rad olika områdent.ex. hälsa, transport, jordbruk etc.
• ITU:s internetrapport från 2005 [2] lägger till en tredje dimension till den traditionella kommunikationen ”VAR SOM HELST” och ”NÄR SOM HELST”: kommunikationen ”VAD SOM HELST”.

02

Historien om IoT

Kevin Ashton, 1999

Historien om IoT?

• 1982: en modifierad Coca-Cola-automat vid Carnegie Mellon University blir den första apparaten som är ansluten till internet och kan rapportera sitt lager och om nypåfyllda drycker är kalla eller inte.
• 1991: Mark Weisers uppsats om allestädes närvarande datorer, ”The Computer of the 21st Century”, samt akademiska forum som UbiComp och PerCom ger upphov till den samtida visionen om IoT.
• 1993-1997: Flera företag föreslog lösningar som Microsofts at Work eller Novells NEST.

Historien om IoT?

• 1999: Området får fart när Bill Joy presenterar sin vision om kommunikation mellan enheter som en del av sitt ramverk ”Six Webs” vid World Economic Forum i Davos.

• 1999: Termen ” Internet of Things” myntades troligen av Kevin Ashton från Procter & Gamble, senare MIT:s Auto-ID Center, även om han själv föredrar uttrycket ”Internet for Things”.

Den globala IoT-marknaden

03

Lämpliga Definitioner

Lämpliga definitioner

• Enhet: I IoT-sammanhang är detta en utrustning som måste kunna kommunicera och som valfritt kan känna av, agera, samla in data, lagra data eller bearbeta data. Den enda obligatoriska funktionen är kommunikation.
• Sak: Ett objekt inom IoT-systemet som kan identifieras och integreras i kommunikationssystemet.
• Fysisk sak: Ett objekt i den fysiska världen som kan avkännas, aktiveras och anslutas kallas en fysisk sak (t.ex. industrirobotar, elektrisk utrustning etc.).
• Virtuell sak: Ett objekt i informationsvärlden som kan lagras, bearbetas och nås kallas en virtuell sak. Till exempel multimediainnehåll, programvara etc.

ITU-T Teknisk översikt över IoT

• Sakernas internet: En global informationsinfrastruktur som möjliggör avancerade tjänster genom att sammankoppla saker (fysiska och/eller virtuella) baserat på befintlig och/eller utvecklingsbar interoperabel teknik. Sakernas internet omfattar funktioner för identifiering, datainsamling, bearbetning och kommunikation för att erbjuda olika typer av applikationer samtidigt som säkerhet och integritet garanteras.

ITU-T Teknisk översikt över IoT

• En fysisk sak kan mappas (eller representeras) av en eller flera virtuella saker i informationsdomänen.
• Information samlas in av fysiska enheter (eller saker) i den fysiska världen och kommuniceras via kommunikationsnätverk och informationsdomänen för vidare bearbetning.
• Enheter kan kommunicera med varandra antingen via kommunikationsnätverket (med eller utan gateway) eller direkt utan att använda kommunikationsnätverket eller kombinationer av dessa kommunikationslänkar.
• Utbyte av information sker inte bara mellan fysiska saker i den fysiska världen utan också mellan virtuella saker i informationsvärlden.

ITU-T Teknisk översikt över IoT

• Kommunikationsnätverken möjliggör tillförlitlig och effektiv dataöverföring.
• Nätverksinfrastrukturen kan implementeras eller realiseras via befintlig nätverksteknik (t.ex. TCP-IP-nätverk) eller via nätverk som utvecklas i enlighet med aktuella trender inom telekommunikation.

Grundläggande egenskaper hos IoT

• Interkonnektivitet: Alla IoT-enheter kan kopplas samman med den globala informations- och kommunikationsinfrastrukturen.
• Sakrelaterade tjänster: IoT tillhandahåller tjänster som rör de anslutna ”sakerna” inom sina begränsningar, såsom integritetsskydd och semantisk konsistens mellan fysiska saker och deras associerade virtuella saker.
• Heterogenitet: Heterogena IoT-enheter med olika hårdvaru- och nätverksegenskaper ansluts och interagerar med andra enheter eller plattformar på olika typer av nätverk.
• Dynamiska förändringar: När enheterna rör sig och interagerar i ett IoT-system ändrar de dynamiskt sitt tillstånd.
• De kan till exempel gå i vila och vakna, anslutas eller kopplas bort medan de ändrar plats och hastighet.
• Enorm skala: Vanligtvis är antalet enheter som behöver hanteras och antalet enheter som kommunicerar med varandra betydligt större än antalet enheter som är anslutna till internet.
• I praktiken innebär detta att den kommunikation som initieras av enheter är mycket större än den som initieras av människor. Ännu viktigare är hanteringen och analysen av den data som genereras.

04

IoT-krav

IoT-krav

• Identifieringsbaserad anslutning: Det måste finnas en supporter för att ”sakerna” ska kunna anslutas till IoT baserat på deras identifierare (ID). Detta inkluderar en enhetlig bearbetning av identifierare som kan vara heterogena.
• Interoperabilitet: Interoperabilitet mellan heterogena och distribuerade system måste säkerställas så att en mängd olika typer av information och tjänster stöds.
• Automatisk nätverksanslutning: IoT-nätverksinfrastrukturen bör tillhandahålla kontrollfunktioner för automatisk nätverksanslutning, inklusive självhantering, självkonfiguration, självläkning, självoptimering och självskydd, för att kunna stödja och underlätta anpassning i olika applikationsdomäner, olika kommunikationsmiljöer och ett större antal och fler typer av enheter.
• Autonom tillhandahållande av tjänster: Tjänster måste tillhandahållas genom automatisk insamling, kommunikation och bearbetning av data från ”sakerna” enligt regler som konfigurerats av operatörerna och/eller abonnenterna. Denna autonoma tillhandahållande av tjänster måste baseras på tekniker för datafusion och datautvinning.

IoT-krav

• Positionsbaserade funktioner: Sakernas ska kunna spåra sin position för att underlätta tillhandahållandet av tjänster som är beroende av deras position.
• Säkerhet: Det finns ett viktigt krav på att integrera olika säkerhetspolicyer och åtgärder relaterade till sakernas och deras kommunikation i ett IoT-ramverk för att säkerställa CIA (konfidentialitet, integritet och äkthet) för både data och tjänster.
• Sekretesskydd: Data som samlas in av ”saker” kan innehålla privat information om deras ägare och/eller användare. Det är därför viktigt att sekretesskydd stöds under överföring, aggregering, lagring, utvinning och bearbetning av dessa data, utan att det skapar hinder för autentisering av datakällor.

IoT-krav

• Högkvalitativa och mycket säkra tjänster relaterade till människokroppen: Tjänster som baseras på insamling, kommunikation och bearbetning av data relaterade till mänskligt beteende (t.ex. motion, hälsa, plats etc.) automatiskt eller genom mänsklig inblandning bör erbjudas med garanterad hög kvalitet, noggrannhet och säkerhet.
• Plug and Play: Det är viktigt att IoT-system stöder plug and play-funktioner för att möjliggöra eller underlätta generering, sammansättning och förvärv av semantiska konfigurationer i realtid, så att ett internetverk av saker kan integreras sömlöst med respektive applikationer och effektivt svara på dessa applikationers krav.
• Hanterbarhet: Applikationer i ett IoT-system behöver vanligtvis fungera automatiskt utan mänsklig inblandning eller deltagande, och därför måste hela driftsprocessen kunna hanteras av berörda enheter för att säkerställa normal nätverksdrift.
• Skalbarhet: Alla IoT-arkitekturer bör vara mycket skalbara och kunna stödja ett mycket stort och successivt ökande antal enheter som kontinuerligt sänder, tar emot och agerar på data.

05

IoT-arkitekturer

Betydelsen av att ha en referensarkitektur

• För att säkerställa konnektivitet och interoperabilitet är det viktigt att det finns en referensarkitektur för IoT som alla IoT-applikationer baseras på.
• Det finns dock ingen global enighet om en enda IoT-arkitektur.
• I litteraturen beskrivs främst två arkitektoniska modeller för IoT:
• en 3-lagers arkitektur
• en 5-lagers arkitektur
• vissa arkitekturer för specifika ändamål.
• Parallellt med de forskningsinsatser som rapporteras i litteraturen har Internationella teleunionen (ITU) sedan 2012 arbetat med att standardisera den funktionella arkitekturmodellen för IoT.

3-lagers arkitektur

• Den mest grundläggande IoT-arkitekturen.
• Den introducerades för första gången 2009.
• Består av
• Perceptionslager
• Nätverkslager
• Applikationslager
• Enkel och definierar huvudidén om IoT, men det är inte tillräckligt för forsknings- och innovationsändamål, eftersom forskningen fokuserar på mer detaljerade aspekter av IoT.

3-lagers arkitektur

• Perceptionslager: Tillhandahåller mekanismerna (sensorer) genom vilka sakerna uppfattar sin omgivning..
• Den innehåller sensorer som mäter olika parametrar eller förhållanden i omgivningen (t.ex. termometrar, fuktighetssensorer, tröghetssensorer etc.) och funktioner för att hitta och identifiera objekt.
• Nätverkslager: Detta lager ansvarar för uppkopplingen mellan olika saker, till nätverksenheter (t.ex. routrar, åtkomstpunkter etc.), till servrar och till internet.
• Inkluderar funktioner för att ansluta, koppla ihop, autentisera till den anslutna noden, överföra insamlad information och/eller ta emot åtgärder som ska utföras av saken från det anslutna nätverket. Nätverkslagret implementeras med hjälp av både nuvarande och framväxande nätverks- och mobilteknik (t.ex. IEEE802.11-standarder, 4G, 5G, Zigbee, Bluetooth etc.), men också olika typer av nätverks- och datainsamlingsprotokoll (t.ex. TCP/IP, MQTT etc.).
• Applikationslager: Detta lager ansvarar för leveransen av applikationstjänsterna till användarna/abonnenterna. Det ansvarar för att utnyttja den insamlade kontexten från lagren nedanför för att leverera intelligenta applikationer till slutanvändarna (t.ex. smarta hem, e-hälsa, smart transport etc.).
• Det är det slutgiltiga målet för IoT-systemet som konsoliderar input från de underliggande teknikerna för att erbjuda användbara och lättanvända applikationer till användarna. Det omfattar därför främst intelligenta funktioner för programvaruutveckling.

5-lagers arkitektur

• Perceptions- och applikationslagren är desamma som i den 3-lagersarkitekturen, medan nätverkslagret har bytt namn till transportlager.
• Två nya lager läggs till:
• processlagret
• affärslagret

5-lagers arkitektur

Additional layers compared to the 3-Layer Architecture

• Affärslager: Ansvarar för hanteringen av hela IoT-systemet, inklusive affärs- och vinstmodeller, debitering och användarnas integritet. Detta lager ägnar sig också åt forskning och utveckling inom IoT-området.
• Processlager: Processlagret, även känt som mellanvarulagret, ansvarar för lagring och analys av data som samlats in i perceptionslagret och kommunicerats via transportlagret. Det omfattar databaser, molnlagring och datorkapacitet, dataanalysmoduler etc.

Molnbaserade arkitekturer

Konceptuellt IoT-ramverk med molnbaserad databehandling i centrum

• Processen sker centralt på molnbaserade servrar.
• Detta är en molncentrerad metod där alla applikationer är uppbyggda kring användningen av kommunikationsnätverket för att överföra data fram och tillbaka.
• Denna typ av metod erbjuder fördelar som flexibilitet och skalbarhet.
• IoT-utveckling kan ske med hjälp av lagringsverktyg, verktyg för datamining och maskininlärning, visualiseringsverktyg och andra verktyg som finns tillgängliga i molnet.

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.

Dimma-baserade arkitekturer

Smart gateway med dimberäkning/smart nätverk

• Sensorerna och nätverkets gateways utför en del av bearbetningen och analysen av data.
• Molnberäkningens kapacitet utvidgas till nätverkets yttersta kant, vilket tack vare datalokaliseringen avsevärt minskar latensen och möjliggör snabb leverans av realtidsdata och tillhandahållande av applikationer med låg latens och fördröjningskänsliga applikationer (t.ex. realtidsströmning, e-hälsoapplikationer etc.).
• Eftersom en del förbehandling görs i sensorerna eller de smarta gateways innan data når det centrala molnet kan det finnas interoperabilitets- och transkodningsproblem att lösa.

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.

Dimma-baserade arkitekturer

• Det fysiska lagret omfattar alla fysiska och virtuella saker samt de fysiska och virtuella nätverk som förbinder dem.
• Övervakningslagret ansvarar för övervakningen av aktiviteterna i noderna och nätverken i det fysiska lagret.
• Förbehandlingslagret ansvarar för uppgifter relaterade till datahantering, såsom analys av insamlade data, datafiltrering, rekonstruktion och trimning för att generera mer meningsfulla och användbara data för vidare bearbetning (ett typiskt exempel är analys av tröghetsdata från accelerometrar, magnetometrar och gyroskop för att extrahera navigationsinformation som rörelseriktning, hastighet, orientering, acceleration etc.).
• Det tillfälliga lagringslagret sparar tillfälligt de data som genereras av förbehandlingslagret på dimresurserna. Dessa data sparas endast på dimresurserna tills de laddas upp till molnet och sedan raderas.
• Säkerhetslagret: Eftersom det kan genereras privata och känsliga data i de underliggande lagren (t.ex. inom hälso- och sjukvård, positionering, militär IoT) bör det finnas funktioner för att säkerställa säkerheten. Detta är säkerhetslagrets roll, som omfattar kryptering/dekryptering, integritet, autentisering och integritetsåtgärder.
• Transportlagret ansvarar för uppladdningen av de förbehandlade och säkrade data till molnet.

06

IoT--enheter och komponenter

IoT-enheter och komponenter

Introduktion

• Ett IoT-system omfattar vanligtvis ett stort (och i vissa fall enormt) antal heterogena enheter med olika funktioner, och det blir en utmaning att få alla dessa enheter att samverka.
• Enheterna kategoriseras som databärande, datainsamlande, kännande och manöverande.

• Datainsamling och databärande ansvarar för läsning och/eller skrivning av information från eller till fysiska föremål (t.ex. temperatursensorer, IR-sensorer, streckkodsläsare etc.).
• En vanlig enhet har däremot inbyggda bearbetnings- och kommunikationsfunktioner (t.ex. en mikrokontroller) för att utföra mer sofistikerade funktioner eller underlätta utvecklingen av fristående IoT-system utan behov av anslutning till ett Wide Area Network.
• Baserat på dessa kategorier kan man klassificera enheter utifrån deras bearbetningskraft och anslutningsmöjligheter.

Typer av enhter

• Databärande enhet: Databärande enhet: En enhet som är direkt ansluten till en fysisk sak för att indirekt ansluta den till kommunikationsnätverket.
• Datainsamlingsenhet: En enhet med läs-/skrivfunktioner som kan interagera med fysiska saker antingen direkt via databärare som är anslutna till den fysiska saken eller indirekt via en databärande enhet.
• Avkännings- och manöverenhet: En enhet som kan detektera och mäta data i sin omgivning och digitalisera den. Omvänt kan den omvandla elektroniska signaler från kommunikationsnätverket till åtgärder/operationer.
• Vanligtvis kommunicerar denna typ av enheter med varandra antingen trådlöst eller via kablar i ett lokalt nätverk och använder gateways för att ansluta mellan olika nätverk.

IoT-enheter klassificering

Baserat på bearbetningskraft

• Enheter utan bearbetningskapacitet: I IoT-sammanhang betraktas dessa som passiva enheter, vanligtvis lågkostnadsprodukter utan mikrokontroller (t.ex. RFID).
• Enheter med låg bearbetningskapacitet: Deras bearbetningskapacitet är begränsad till att läsa och skriva data från eller till sensorer och ställdon och skicka dessa data till IoT-applikationer, men de kan inte fatta beslut eller köra komplexa algoritmer. De är vanligtvis billiga och har oftast en mycket energisnål och billig mikrokontroller inbyggd. (t.ex. en smart lampa eller en dörrsensor.)
• Enheter med hög processorkapacitet: De har tillräcklig processorkraft för att kunna fatta beslut och köra komplexa algoritmer. De är vanligtvis dyra eftersom de använder en kraftfull mikrokontroller. (t.ex. ett smart kylsystem eller en smart termostat).

IoT-enheter klassificering

Baserat på anslutningskapacitet

• Enheter med låg anslutningskapacitet : Denna typ av enheter ansluter inte direkt till kommunikationsnätverket för att överföra data, utan är istället beroende av ytterligare element (t.ex. gateway) för att utföra kommunikationsuppgifter (t.ex. protokollöversättning eller internetanslutning).
• Enheter med hög anslutningskapacitet : De har hårdvaran och förmågan att ansluta direkt till nätverket för att överföra data.

IoT-enheter klassificering

Baserat på ITU-T

• ITU-T-rekommendation Y.4460 definierar arkitekturmodeller för enheter med olika kapacitet. Mer specifikt föreslår den modeller för enheter med:
• Låg bearbetningskapacitet och låg anslutningskapacitet (LPLC)
• Låg bearbetningskapacitet och hög anslutningskapacitet (LPHC)
• Hög bearbetningskapacitet och hög anslutningskapacitet (HPHC)

De huvudsakliga komponenterna i ett IoT-system

• Sensorer/ställdon och inbyggd teknologi
• Anslutbarhet
• Datahantering och IoT-analys
• IoT-moln
• Användargränssnitt

Sensorer/ställdon och inbyggd teknologi

• Betraktas som front-end för alla IoT-applikationer eller -system.
• Sensorer underlättar konceptet med kontextmedvetenhet så att kunskap om miljön samlas in och laddas upp för vidare bearbetning till det anslutna kommunikationsnätverket.
• Ställdon tar emot instruktioner från kommunikationsnätverket och utför åtgärder i den miljö där de finns.

Sensorer

General

• En sensor är en enhet som används för att mäta en fysikalisk storhet genom att omvandla den till en signal som kan läsas av systemet.
• I IoT mäts fysikaliska storheter från omgivningen (t.ex. temperatur, fuktighet, tröghet etc.) och omvandlas sedan till elektroniska signaler som digitaliseras för att skickas till kommunikationsnätverket.
• Sensorer innehåller vanligtvis omvandlare som, per definition, kan omvandla en form av energi till en annan.
• Beroende på tillämpningen finns det många olika sensorer som kan användas i ett IoT-system (temperatursensorer, RFID, ljussensorer, elektromagnetiska sensorer etc.).

Sensorer

Klassificeringskriterier

• Krav på strömförsörjning: Passiva sensorer eller självgenererande sensorer genererar direkt en elektrisk signal som svar på en extern stimulans utan behov av extern strömförsörjning (t.ex. termoelement eller piezoelektriska sensorer). Aktiva sensorer kräver extern strömförsörjning eller en exciteringssignal för att fungera, och i detta fall kommer utsignalens effekt från strömförsörjningen (t.ex. infraröda sensorer eller sonarsensorer).
• Utgångssignalens natur: Sensorer kan vara antingen analoga eller digitala. Analoga sensorer genererar signaler som är kontinuerliga både i storlek och tidsmässigt eller rumsligt innehåll (t.ex. temperatur, förskjutning, ljus etc.). Digitala sensorer är sådana som genererar signaler som är diskreta i tid och amplitud (t.ex. axelgivare, omkopplare etc.).
• Driftläge: Avböjningssensorer genererar ett svar som är en avböjning eller avvikelse från instrumentets initiala tillstånd, och denna avböjning är proportionell mot den mätvärde som är av intresse (t.ex. trycksensor). En nollägesgivare påverkar det uppmätta systemet så att det motverkar effekten av det mätbara storheten. Påverkan och det mätbara storheten balanseras (vanligtvis genom återkoppling) tills de är lika men motsatta i värde, vilket ger ett nollmätvärde. Nollägesgivare kan ge mycket noggranna mätningar, men är inte lika snabba som avböjningsinstrument. (t.ex. Wheatstone-brygga sensorer).
• Mätstorhet: Sensorer beroende på den storhet de mäter (t.ex. mekanisk, termisk, magnetisk, strålningsmässig etc.).
• Fysikalisk mätvariabel: Beroende på om sensorerna är beroende av variationer i resistans, kapacitans eller induktans kan de klassificeras som resistiva, kapacitiva eller induktiva.

Sensorer

Urvalskriterier

• Enligt tillämpningen samt krav på noggrannhet och precision bör sensorer väljas med hänsyn till följande aspekter:
• Noggrannhet hos ingångsvärdena
• Tillförlitlighet och repeterbarhet hos ingångsvärdena
• Förhållandena i den miljö där sensorerna kommer att placeras
• Kostnad och energiförbrukning

Ställdon

General

• Ställdon är enheter som kan påverka den miljö de tillhör genom att omvandla elektriska signaler till olika åtgärder eller olika former av energi.
• Exempel på detta är belysning, displayer, motorer, robotarmar, värme-/kylelement etc. Rörelsebaserade ställdon kategoriseras vanligtvis som elektriska, hydrauliska eller pneumatiska ställdon.
• Elektriska ställdon omvandlar de elektriska signalerna till någon form av rotation (t.ex. motor) eller rörelse, hydrauliska ställdon underlättar mekanisk rörelse med hjälp av vätskor, medan pneumatiska ställdon använder trycket från komprimerad luft.
• I ett typiskt exempel på ett smart hemautomatiseringssystem kan vi hitta ställdon som låser/öppnar dörrar, tänder/släcker lampor, värmer upp för att höja temperaturen etc.

Mikrokontroller och inbyggda system

Vad är en mikroprocessor/mikrokontroller

• En sensor är en enhet som omvandlar mottagna fysiska förhållanden eller tillstånd till signaler (analoga eller digitala).
• En ställdon är en enhet som omvandlar digitala signaler till någon form av fysisk effekt.
• Mikroprocessorn betraktas som det datorsystem som sitter i mitten och bearbetar och/eller genererar de digitala signalerna.
• En mikrokontroller har en centralprocessor (CPU), en fast mängd minne (RAM och ROM) samt andra in-/utgångar och kringutrustning, allt inbyggt på ett enda chip.

Mikrokontrollerns egenskaper

Att välja en mikrokontroller

• Det går inte att använda en universallösning “one-size-fits-all”. Man måste ta hänsyn till olika egenskaper när man väljer mikrokontroller:
• Bitar: Mikrokontroller har olika kapacitet när det gäller antalet bitar de kan hantera. Detta påverkar deras bearbetningshastighet. Vanliga storlekar är 8 bitar, 16 bitar, 32 bitar och 64 bitar.
• Minne: Random Access Memory (RAM) är ett minne med snabb åtkomst som inte behåller data när enheten är strömlös. Mikrokontroller är utrustade med denna typ av minne för att snabbt kunna utföra olika åtgärder. De finns i olika storlekar, men även om en större minnesstorlek förbättrar processorkapaciteten ökar den också kostnaden.
• Flash eller ROM: Det är mikrokontrollerns minne som behåller den data som lagras i det när strömmen är avstängd. Det är inte lika stort som RAM-minnet, men det krävs för att stödja offline-lagring.
• GPIO-stift (General-Purpose Input Output): Dessa är anslutningspunkter för sensorer och ställdon. Antalet stift kan variera från några tiotal till hundratals, beroende på mikrokontrollerns storlek och kostnad.
• Anslutningsbarhet: Mikrokontrollerns förmåga att upprätta anslutningar till nätverket eller Internet. Detta kan göras via Wi-Fi, Bluetooth, trådbundet Ethernet eller någon annan kommunikationsteknik.
• Energiförbrukning: Detta är en viktig aspekt eftersom det avgör hur många aktiva sensorer och ställdon mikrokontrollern kan driva och styra, särskilt när mikrokontrollern drivs av alternativa källor (t.ex. solenergi). Det är viktigt att IoT-enheter är energieffektiva så att de kan utföra uppgifter under lång tid utan att behöva startas regelbundet.
• Utvecklingsverktyg och nätverk: Det är mycket användbart att mikrokontroller levereras med utvecklingsverktyg och tillhörande dokumentation för att underlätta integreringen i IoT-lösningar. Att ha ett nätverk eller forum som arbetar med olika typer av mikrokontroller gör det mycket enklare för integratörer/utvecklare att hitta information relaterad till deras utveckling.
• Några populära IoT-mikrokontroller är Arduino, ARM, Raspberry Pi och många andra.

07

Anslutningsbarhet och IoT-kommunikation

Anslutningsbarhet

En av grunderna för IoT

• Det finns ett överväldigande antal alternativ för IoT-anslutning.
• Krav:
• Trådlöst (enklare installation, omkonfigurerbarhet, mobilitet etc.)
• Trade-off
• Energiförbrukning
• Omfattning
• Bandbredd
• QoS-krav

Anslutningsbarhet

Utmaningar

• Konnektivitet är en viktig komponent i ett IoT-system.
• Kom ihåg att den enda obligatoriska funktionen för en IoT-enhet är att kunna kommunicera. Alla enheter som är anslutna till en IoT-plattform ska kunna skicka eller ta emot data från det anslutna nätverket.
• Det finns flera utmaningar som måste beaktas och hanteras när det gäller IoT-kommunikation:

• Identifiering och adressering: Eftersom det kan finnas ett mycket stort antal IoT-enheter anslutna till kommunikationsnätverket bör det finnas effektiva mekanismer och protokoll för att identifiera dessa enheter genom unika adresser. På grund av att adresserna i IPv4-protokollet tar slut blir IPv6 en nödvändighet inom IoT.
• Kommunikation med låg effekt: IoT-enheter är vanligtvis enheter med låg effekt och många effektbegränsningar. Därför måste man se till att kommunikationstekniken inte förbrukar mycket av den tillgängliga effekten på dessa enheter.
• Effektiva routningsprotokoll med låga minneskrav
• Höghastighetskommunikation. Datahastighet och genomströmning samt latens blir mycket viktiga parametrar i IoT-kommunikation, eftersom datamängden kan vara mycket stor och leveranstiderna kan behöva vara mycket korta.
• Mobilitet. En viktig aspekt av moderna IoT-system, eftersom många av enheterna behöver flyttas runt (t.ex. smart transport).

Anslutningsbarhet

Nätverk, mobilteknologi och protokoll

• Inom IoT uppnås anslutning till internet vanligtvis med hjälp av internetprotokollet (IP), trots att IP-protokollstacken kräver mycket ström och minne för de anslutna enheterna.
• Av denna anledning är det också möjligt för enheter att ansluta till det lokala nätverket med hjälp av icke-IP-teknologier som RFID, Bluetooth, NFC etc. Dessa teknologier har dock begränsad räckvidd.
• Dessa teknologier med låg täckning används för personliga nätverk (PAN) och är ganska populära i IoT-applikationer som wearables.
• För lokala nätverk (LAN) bör IP-kompatibla teknologier användas, men IP-protokollet måste modifieras för att stödja kommunikation med låg effekt.
• Ett av dessa protokoll är 6LoWPAN, som innehåller IPv6 med lägre effektkrav. Andra nätverkstekniker som kan användas i IoT inkluderar IEEE802.15.4, RFID, LTE, 5G, 802.11-standarder, Z-wave etc.

Bluetooth

• Bluetooth är en specifikation för användning av energisnål radiokommunikation för att ansluta telefoner, datorer och andra nätverksenheter över korta avstånd utan kablar.
• Universellt radiogränssnitt för ad hoc-trådlös anslutning
• Ansluter datorer och kringutrustning, handhållna enheter, PDA:er, mobiltelefoner – ersätter IrDA
• Inbyggt i andra enheter – låg kostnad (< 1 $ )
• Kort distans (10 m), låg energiförbrukning, licensfritt, 2,4 GHz ISM
• Röst- och datakommunikation

Bluetooth egenskaper

• Universell möjlighet till trådlös kommunikation på kort avstånd
• Använder 2,4 GHz-bandet
• Tillgänglig globalt för användare utan licens
• Enheter inom 10 m kan dela upp till 2,1 Mbps eller 24 Mbps kapacitet
• Stöder en mängd olika applikationer

• Data, ljud, graphik, video
• Startade som IEEE 802.15.1
• Nya standarder kommer från Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG)
• Industrikonsortium
• Bluetooth 2.0, 2.1, 3.0, 4.0 och 5.0

Bluetooth enheter

Bluetooth vanliga exempel

Hitta och varna enheter

Bluetooth

Piconets och Scatternets

• Bluetooth är en trådlös LAN-teknologi som är utformad för att ansluta enheter med olika funktioner när de befinner sig på kort avstånd från varandra.
• Ett Bluetooth-LAN är ett ad hoc-nätverk.
• Enheterna, som ibland kallas gadgets, hittar varandra och bildar ett nätverk som kallas för piconet.
• Det använder Frequency Hopping Spread Spectrum för att undvika störningar och förbättra säkerheten (FHSS).
• Bluetooth definierar två typer av nätverk:
• piconet och
• scatternet.

Bluetooth

Piconet

• Ett piconet kan ha upp till åtta stationer, varav en kallas den primära och resten kallas sekundära.
• Alla sekundära stationer synkroniserar sina klockor och hoppsekvenser med den primära.
• Observera att ett piconet endast kan ha en primär station.
• Kommunikationen mellan den primära och sekundära stationen kan vara en-till-en eller en-till-många.

Bluetooth

Scatternet

• En sekundär station i ett piconet kan vara primär i ett annat piconet.
• Denna station kan ta emot meddelanden från den primära stationen i det första piconetet (som sekundär) och, i egenskap av primär station, vidarebefordra dem till sekundära stationer i den andra piconetet.
• En station kan vara medlem i två piconet.

Bluetooth Smart

Optimerad för låg energiförbrukning

• Korta paket minskar TX-toppströmmen
• Korta paket minskar RX-tiden
• Färre RF-kanaler för att förbättra upptäckts- och anslutningstiden
• Enkel tillståndsmaskin
• Utformad för överföring av små datamängder (1 Mbps, men inte optimerad för dataöverföring)

Bluetooth Smart

Tekniska detaljer

Bluetooth Mesh

Design

Mesh-nätverkets funktion är utformad för att:

• möjliggöra sändning av meddelanden från en enhet till en eller flera enheter (många-till-många (m:m) enhetskommunikation);
• möjliggöra vidarebefordran av meddelanden via andra noder för att utöka kommunikationens täckning;
• skydda meddelanden mot kända säkerhetsattacker, inklusive avlyssningsattacker, man-in-the-middle-attacker, replay-attacker, trash-can-attacker, brute-force-nyckelattacker, ...;

• work on existing devices in the market today;
• deliver messages in a timely manner;
• continue to work when one or more devices are moved or stop operating; and
• have built-in forward compatibility to support future versions of the Mesh Profile specification.

WPAN - Zigbee

Intro

• ZigBee är en standard för trådlös kommunikation som har utformats av ZigBee Alliance.
• Utformad för:
• enkel implementering
• låg energiförbrukning
• Målapplikationer:
• De som kräver säker kommunikation, låga hastigheter för dataöverföring och som maximerar batteriets livslängd
• Utformad för både industriella och bostadsapplikationer
• Sensorer och styrenheter
• ZigBee definieras utifrån en protokollstack som möjliggör enkel och effektiv kommunikation mellan olika enheter.
• Låga lager: PHY och MAC definieras av standarden IEEE 802.15.4 (låg hastighet – WPAN).
• Höga lager: NWK och APS definieras av ZigBee Alliance.
• Nätverkslagret (NWK) hanterar routningsuppgifter och underhåll av nätverksnoder.
• Application Support Sublayer (APS) etablerar ett gränssnitt mellan nätverkslagret och ZigBee -enhetsobjekt (definierade av standarden eller tillverkarna).

WPAN - Zigbee

Tillämpningar

• Särskilt lämplig för situationer där energiförbrukning och/eller implementeringskostnader är avgörande
• Den är utformad för att vara användbar i en mängd olika tillämpningar:

• Industriell styrning och övervakning
• Värd för inbyggda sensorer
• Insamling av medicinska data
• Allmän säkerhet
• Avkänning och positionsbestämning på katastrofplatser

WPAN - Zigbee

Tillämpningar

• Hemmautomatisering och nätverk
• Nätverksanslutning
• Anslutning av kringutrustning (överföringshastighet 115 kbps, latens 15 ms)
  • Trådlösa möss, tangentbord, joysticks, PDAS, spel
• Styrning av konsumentelektronik (10 kbps, 100 ms)
  • Radio, tv-apparater, cd-spelare, videobandspelare, dvd-spelare och så vidare
  • En verkligt universell fjärrkontroll för att fjärrstyra alla dessa
• Hemautomatisering (10 kbps, 100 ms)
  • uppvärmning, ventilation och luftkonditionering (HVAC)
  • säkerhet
  • belysning
  • styrning av objekt såsom gardiner, fönster, dörrar och lås
• Hälsoövervakning (10 kbps, 100 ms)
  • medicinsk övervakning av äldre som bor ensamma
• Interaktiva leksaker och spel (115 kbps, 15 ms)

• Jordbruk med precision
• mätning av markfuktighet, bekämpningsmedel, ogräsmedel eller pH-nivåer
• mätning av markfuktighet (droppsystem som använder precis den mängd vatten som behövs för att hålla växterna gröna)
• Kontroll av fordonsflotta
• Fordonssensorer
  • Övervakning av däcktryck
  • Oljenivåer
• Körsträcka

• Smarta badges och taggar
• Rök- eller inbrottsdetektering

WPAN - Zigbee

Arrangemang av nät

WLAN - WIFI

Intro

• Tillsammans med mobilteknologi är Wi-Fi det mest kända anslutningsprotokollet och finns i nästan alla hem i världen.
• Första exemplet: Tillhandahålla anslutning ”på resande fot” på flygplatser, hotell, internetkaféer och köpcentra
  • Målet var att tillhandahålla webbsurfning, e-post och, för affärsanvändare, åtkomst till kontorsnätverket via VPN-applikationer (Virtual Private Network).
• Senare blev trådlöst LAN en självklarhet i hem- och kontorsmiljöer.
• Nu finns det i många enheter: datorer, skrivare, spelkonsoler, mediaservrar, skannrar
• från enheter som är så små som en smartphone till så stora som en skärm i en föreläsningssal.
• Wi-Fi kan användas för att enkelt koppla samman IoT-enheter, samt ansluta dem till trådlösa åtkomstpunkter som i sin tur ansluter till molnbaserade system.

Wi-Fi

IEEE 802.11 Standard

WLAN - WIFI

802.11 - Arkitektur för ett infrastrukturnätverk

• Station (STA)
• terminal med åtkomstmekanismer till det trådlösa mediet och radiokontakt till åtkomstpunkten
• Grundläggande tjänsteuppsättningen (BSS)
• grupp av stationer som använder samma radiofrekvens
• Åtkomstpunkt
• station integrerad i det trådlösa LAN-nätverket och distributionssystemet
• Portal
• brygga till andra (trådbundna) nätverk
• Distributionssystem
• nätverk för sammankoppling för att bilda ett logiskt nätverk (EES: Extended Service Set) baserat på flera BSS

WLAN - WIFI

Grundläggande tjänsteuppsättningen - The Basic Service Set (BSS)

• AP fungerar som en brygga och en relästation.
• I ett BSS kommunicerar klientstationerna inte direkt med varandra. Om en station i BSS vill kommunicera med en annan station i samma BSS skickas MAC-ramen först från den ursprungliga stationen till AP och sedan från AP till destinationsstationen.
• På samma sätt skickas en MAC-ram från en station i BSS till en fjärrstation från den lokala stationen till AP och vidarebefordras sedan av AP via DS på väg till destinationsstationen.
• BSS motsvarar i allmänhet vad som i litteraturen kallas en cell.
• DS kan vara en switch, ett trådbundet nätverk eller ett trådlöst nätverk.

WLAN - WIFI

Det utökade tjänsteuppsättningen - The Extended Service Set (ESS)

• En utökad tjänstuppsättning (ESS) består av två eller flera grundläggande tjänstuppsättningar som är sammankopplade via ett distributionssystem.
• Distributionssystemet är vanligtvis ett fast LAN-nätverk, men kan vara vilket kommunikationsnätverk som helst.
• Den utökade tjänstuppsättningen visas som ett enda logiskt LAN på LLC-nivå (Logical Link Control).

WLAN - WIFI

Typer av Wi-Fi-nätverk

• Infrastrukturnätverk
• Ad hoc-nätverk

Go

Go

WLAN - WIFI

Infrastrukturnätverk

Anslutningar mellan trådlösa enheter som görs via en åtkomstpunkt som också gör det möjligt för enheter att ansluta till ett trådbundet nätverk.

Infrastructure Networks

Åtkomstpunkt

• Vad är skillnaden mellan en trådlös router och en åtkomstpunkt?
• Trådlösa routrar inkluderar en AP, switch och bredbandsrouter.
• En åtkomstpunkt är en radiosändare/mottagare som oftast används för att koppla samman trådlösa och trådbundna (ethernet) nätverk. En åtkomstpunkt tillhandahåller endast ett gränssnitt/portal för trådlösa klienter att ansluta till ditt befintliga LAN.
• En router har ytterligare funktioner: Den gör det möjligt för flera klienter att ansluta till Internet genom att tillhandahålla interna IP-adresser, har NAT-funktioner och ofta även en inbyggd switch. Den ”dirigerar” trafiken mellan två olika nätverk, vanligtvis Internet på WAN-sidan och ditt lokala nätverk på LAN-sidan.

WLAN - WIFI

Ad hoc-nätverk

• En decentraliserad typ av trådlöst nätverk.
• Ad hoc eftersom det inte är beroende av en befintlig infrastruktur, såsom routrar i trådbundna nätverk eller åtkomstpunkter
• Tillfälliga anslutningar mellan enheter – ingen koppling till ett trådbundet nätverk
• Användningsområden inkluderar dataöverföring mellan smartphone och bärbar dator, spel etc.

WLAN - WIFI

WLAN krav

WLAN - WIFI

802.11 inställningar

• SSID – (Service Set Identifier) Nätverksnamn
• Ad-Hoc eller infrastruktur
• Säkerhet
  • WEP, WPA-PSK, WPA2-PSK, WPA Enterprise eller WPA2-Enterprise
• Kanal – radiofrekvens
• BSSID: MAC-adressen för Accept-punkten

WiFi Mesh

Nätverket Mesh

• FÖRDELAR
• Minskat beroende av trådbundna nätverk
• Minskad installationstid
• Lätt att utöka
• NACKDELAR
• Kan minska prestandan
• Något svårt att underhålla
• Beroende av elförsörjning

Källa: www.shadowandy.net

Wi-Fi Hallow

Utformad för IoT

• Speciellt utformad för IoT
• Baserad på standarden IEEE 802.11ah
• Erbjuder den täckning, datahastighet, penetration och låga energiförbrukning som förväntas i IoT-miljöer
• Användningsområden:

• Industriell automation
• Logistik och transport
• Jordbruk
• Hem- och byggnadsautomation
• Smarta städer

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

Wi-Fi Hallow

Egenskaper

Wi-Fi Hallow

TWT och RAW

För system med förutsägbara aktivitetsperioder kan en AP bevilja en undergrupp av klienter RAW-behörigheter för att överföra sina data, medan andra kan tvingas gå i viloläge, buffra icke-brådskande data eller båda delarna.Klient enheterna sparar ström och lämnar mer nätverkskapacitet tillgänglig för annan tidskritisk trafik.

• Målväckningstid - Target Wake Time (TWT)
• Klient enheter som förväntas vara i vila under långa perioder kan förhandla fram ett TWT-avtal med AP.
• AP lagrar all trafik som är avsedd för klienten tills den överenskomna väckningstiden nås.
• När klientens enhet vaknar vid den föreskrivna tiden lyssnar den efter sin signal och aktiverar AP för att ta emot och sända all nödvändig data innan den återgår till viloläge.
• Intervallet mellan väckningstiderna, som förhandlas fram mellan klienten och AP, kan variera från mycket korta (mikrosekunder) till mycket långa (år).
• Begränsat åtkomstfönster - Restricted Access Window (RAW)
• För system med förutsägbara aktivitetsperioder kan en AP bevilja en undergrupp av klienter RAW-behörigheter för att överföra sina data, medan andra kan tvingas gå i viloläge, buffra icke-brådskande data eller båda delarna.
• Klient enheterna sparar ström och lämnar mer nätverkskapacitet tillgänglig för annan tidskritisk trafik.
• Genom att TWT- och RAW-funktionerna kombineras kan nätverksdesignern minimera kanalkonflikter och spara energi i hela systemet.

IEEE 802.11ax

Wi-Fi 6

• IEEE 802.11ax, betecknad Wi-Fi 6 av Wi-Fi Alliance
• Det kan betraktas som högpresterande trådlöst

• De viktigaste förbättringarna är inte baserade på genomströmning utan på effektivitet och stöd för överföringar till flera användare.
• Stöder även OFDMA (som LTE), TWT-energisparläge, 2,4 GHz och 5 GHz, BSS-färgning, 1024QAM etc.
• 802.11ax är en vidareutveckling av 802.11ac som är utformad för att stödja miljöer med ultrahög densitet (UHD) med många användare med tre eller fyra 802.11-klienter, som alla använder nätverksresurser samtidigt
• Detta gör den idealisk för IoT
• De två första utkasten till standarden avvisades.
• Den tredje versionen godkändes den 1 juli 2018
• Godkändes av IEEE i slutet av 2019.

IEEE 802.11ax

Viktiga förbättringar

• 2.4GHz och 5GHz operation
• OFDMA
• BSS-färgläggning
• Målväckningstid
• 1024 QAM

LoRA (lång distans) WAN

• LoRa står för Long Range (lång räckvidd).
• En fysisk lagerteknik som skapats av ett privat företag vid namn Semtech.
• I detta avseende behåller Semtech äganderätten till det fysiska lagret och tillåter tredje part att distribuera nätverk som använder LoRaWAN-standarden.
• LoRa använder sitt eget modulationsschema för spridningsspektrum (LoRa Spread Spectrum) implementerat i ISM-band: 868 (Europa), 915 (USA) och 433 MHz (Asien).
• Den är utformad för långdistanskommunikation (upp till 22 km i landsbygdsområden eller 2 till 5 km i stadsmiljöer).
• Ett av kraven är också låg energiförbrukning, så det håller låga datahastigheter (0,3 till 50 kbps för upplänk) och svarar endast på tidigare sändningar i nedlänk (den sändande noden fortsätter att lyssna ett tag innan den går i viloläge).
• Det anses vara ett utmärkt val för IoT-kommunikation med låg effekt och lång räckvidd.

LoRA

Vanliga tillämpningar

• Smart jordbruk:
• Övervakning av markfuktighet och temperatur, uppföljning av grödornas hälsa.
• Smarta städer:
• Miljöövervakning, avfallshantering och smarta parkeringslösningar.
• Industriell IoT:
• Utrustningsövervakning, förebyggande underhåll och spårning av tillgångar.

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

LoRA

Fördelar

• Skalbarhet:
• Lätt skalbar för hantering av olika enheter i olika applikationer.
• Låg kostnad:
• Kostnadseffektivt för distribution av storskaliga IoT-nätverk.
• Förbättrad täckning:
• Förbättrad täckning i utmanande miljöer såsom stadsområden eller landsbygdsområden.

Andra anslutningsalternativ

• SigFox
• är en annan LPWAN-teknik (Low Power Wide Area Network) som är mycket lik LoRAWan.
• Skillnaden är att Sigfox öppnar sitt fysiska lager för tredjepartstillverkare och kontrollerar nätverket för att erbjuda anslutningstjänsten, medan Semtech behåller äganderätten till det fysiska lagret och tillåter tredjeparter att distribuera nätverk med LoRaWAN-standarden.
• NB-IoT:
• Narrowband IoT (NB-IoT) är en öppen 3GPP-standard baserad på LTE som definieras i 3GPP, lanserades den 13 juni 2016.
• Den möjliggör en flexibel och snabb implementering eftersom den är kompatibel med befintlig nätverksinfrastruktur genom att använda en liten del av det tillgängliga spektrumet i LTE.
• De flesta eNB (LTE-basstationer) kan uppgraderas för att stödja NB-IoT.
• Medan Sigfox och LorWAN vanligtvis drivs av privatpersoner och privata företag, måste NB-IoT drivas och hanteras av en licensierad telekomoperatör eftersom den fungerar ovanpå LTE.
• NB-IoT utnyttjar moderna teknologier för mobilkommunikation genom att lägga till en smalbandssignal som kan användas för att kommunicera med enheter med låg effekt och låg komplexitet.
• Det erbjuder ökad systemkapacitet, spektrumeffektivitet och strömförbrukning. Det kan dock hindra dataöverföringshastigheter, hindra uppdateringar via luften och ha begränsat globalt stöd.

Andra anslutningsalternativ

• Mobil
• LoRAWan och Sigfox tillhandahåller WAN-anslutning inom ett långt men begränsat område, men det är endast med mobila system som global anslutning kan stödjas.
• IoT-system har börjat implementeras sedan 4G introducerades, men det är introduktionen av 5G som verkligen har gjort mobiltekniken till en av de viktigaste anslutningsteknikerna för IoT, för att inte tala om den potential som 6G skapar.
• Trådbundet IoT:
• Trådbundna anslutningar är fortfarande ett pålitligt val när mobilitet inte är ett krav och det finns infrastruktur som stöder detta. Trådbundna anslutningar kan stödjas antingen med hjälp av partvinnade kablar (t.ex. CAT-5, CAT-6 eller CAT-7), optiska fibrer eller till och med koaxialkablar.
• Faktiskt kan trådbundna anslutningar vara det bästa alternativet när tillförlitlighet och säkerhet är aspekter som måste beaktas noggrant, förutsatt att det finns infrastruktur som stöder detta.
• Andra alternativ inkluderar Z-Wave, Satellite, ANT+

08

Protokoll för datakommunikation inom IoT

Protokoll för datakommunikation inom IoT

Introduktion

• REST-anslutning via internet används som kommunikationsarkitektur för IoT-enheter.
• Vanligtvis har IoT-enheter begränsade resurser och kan drabbas av dataförlust eller höga minneskrav.

• HTTP kan användas.
• Alternativt finns det några protokoll som är effektiva, nämligen
• MQTT,
• CoAP,
• XMPP,
• WebSocket, och
• AMQP.

REST, eller REpresentational State Transfer, är en arkitektonisk stil för att tillhandahålla standarder mellan datorsystem på webben, vilket gör det enklare för system att kommunicera med varandra.

Protokoll för datakommunikation inom IoT

HTTP

• Hypertext Transfer Protocol är ett möjligt alternativ för att stödja IoT-tjänster och upprätthålla kompatibilitet med World Wide Web.
• HTTP baseras på ett klient-server-paradigm, där klienten begär data från servern via en TCP-anslutning.
• HTTP-meddelanden är textbaserade
• Både HTTP-rubriker och det transporterade formatet (vanligtvis html-text eller binär data konverterad till textformat) kan komprimeras.

Protokoll för datakommunikation inom IoT

MQTT

• MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) är en öppen ISO-standard (ISO/IEC 20922).
• Den erbjuder ett lättviktigt nätverksprotokoll för publicering och prenumeration som transporterar meddelanden mellan enheter.
• Protokollet körs vanligtvis över TCP/IP.
• MQTT-protokollet definierar två typer av nätverksenheter: en meddelandemäklare och ett antal klienter:

• En MQTT-mäklare är en server som tar emot alla meddelanden från klienterna och sedan vidarebefordrar meddelandena till rätt mottagarklienter.
• En MQTT-klient är en enhet som kör ett MQTT-bibliotek och ansluter till en MQTT-mäklare via ett nätverk.

MQTT Example

Protokoll för datakommunikation inom IoT

CoAP

• Constrained Application Protocol (CoAP) är ett specialiserat protokoll för internetapplikationer för begränsade enheter, enligt definitionen i RFC 7252.
• Det gör det möjligt för dessa begränsade enheter, som kallas ”noder”, att kommunicera med internet i stort med hjälp av liknande protokoll.
• CoAP används också via andra mekanismer, såsom SMS i mobila kommunikationsnätverk.
• CoAP är ett tjänstelagerprotokoll som är avsett för användning i resursbegränsade internetenheter, såsom trådlösa sensornätverksnoder.
• Det är utformat för att enkelt kunna översättas till HTTP för förenklad integration med webben, samtidigt som det uppfyller specialiserade krav såsom multicast-stöd, mycket låg overhead och enkelhet.
• CoAP kan köras på de flesta enheter som stöder UDP.

Protokoll för datakommunikation inom IoT

WebSocket

• WebSocket är ett IETF-kommunikationsprotokoll som tillhandahåller full duplex-kommunikationskanaler över en enda TCP-anslutning (RFC 6455).
• WebSocket skiljer sig från HTTP. Båda protokollen finns på lager 7 i OSI-modellen och är beroende av TCP på lager 4.
• RFC 6455 anger att WebSocket ”är utformat för att fungera över HTTP-portarna 443 och 80 samt för att stödja HTTP-proxyservrar och mellanhänder”, vilket gör det kompatibelt med HTTP-protokollet.
• För att uppnå kompatibilitet använder WebSocket-handskakningen HTTP Upgrade-rubriken för att byta från HTTP-protokollet till WebSocket-protokollet.

Protokoll för datakommunikation inom IoT

AMPQ

• Advanced Message Queuing Protocol (AMQP) är ett öppet standardprotokoll på applikationsnivå för meddelandeorienterad mellanprogramvara.
• De utmärkande egenskaperna hos AMQP är meddelandeorientering, köhantering, routning (inklusive punkt-till-punkt och publicering-och-prenumeration), tillförlitlighet och säkerhet.
• AMQP är ett protokoll på trådnivå. Ett protokoll på trådnivå är en beskrivning av formatet på de data som skickas över nätverket som en ström av byte.

Protokoll för datakommunikation inom IoT

Sammanfattning-Jämförelse

Protokoll för datakommunikation inom IoT

Sammanfattning-Jämförelse

09

Utmaningar inom IoT

Utmaningar inom IoT

Säkerhet

• IoT-enheter drivs vanligtvis med elektronik med låg effekt och låg processorkapacitet, vilket gör att säkerhetsmekanismer inte kan implementeras effektivt på dem. Med tanke på den betydande ökningen av sårbarheter i firmware är IoT-enheter oftast den perfekta bakdörren för att ta sig in i ett säkert nätverk.
• LösningLösning: Implementera kryptering, autentisering, åtkomstkontroller och regelbundna uppdateringar. Använd intrångsdetektering och avvikelsedetektering för att tidigt identifiera säkerhetshot.

Utmaningar inom IoT

Skalbarhet

• Många moderna IoT-applikationer och -system omfattar ett mycket stort antal anslutna enheter. I takt med att dessa nätverk växer blir enhetshantering och samordning alltmer utmanande, eftersom den snabba tillväxten av anslutna noder eller det ökade antalet dataflöden i många fall kan kräva omfattande infrastrukturförändringar.
• Lösning: En lösning skulle kunna vara att använda skalbara arkitekturer som edge computing och distribuerad bearbetning, samt att använda lastbalansering för effektiv hantering av ett stort antal enheter.

Utmaningar inom IoT

Nätverksöverbelastning

• Detta hänger också samman med det ovan nämnda skalbarhetsproblemet, eftersom det ökade antalet anslutna enheter kan orsaka trafik/överbelastning i nätverket, vilket försämrar tjänstekvaliteten på grund av ökad paketförlust, förknippade fördröjningar och andra problem.
• Lösning: Möjliga lösningar inkluderar optimering av kommunikationsprotokoll, användning av datakomprimering och prioritering av kritiska data.

Utmaningar inom IoT

Enhetshantering

• Att hantera ett stort antal IoT-enheter blir en stor uppgift, särskilt om de är heterogena och har många komplicerade funktioner, autentiseringsmekanismer, uppdateringskrav osv.
• Losning: Använd plattformar för enhetshantering för automatiserade uppgifter som uppdateringar och övervakning. Implementera standardiserade protokoll som MQTT och CoAP.

Utmaningar inom IoT

Interoperabilitet

• I stora IoT-system kommer de olika komponenterna (sensorer, ställdon, mikrokontroller etc.) vanligtvis från olika leverantörer, och med tanke på att IoT-ramverket inte är särskilt standardiserat kan detta skapa problem med interoperabiliteten. Justeringar kan behövas när ny hårdvara och mjukvara läggs till för att upprätthålla funktionaliteten och anpassa sig till innovativ teknik.
• Losning: En möjlig lösning är att anta branschstandarder för kommunikation och dataformat. Använd mellanprogramvarulösningar för att hantera olika protokoll.

Utmaningar inom IoT

Förbrukning av energi

• Det finns många IoT-applikationer som installeras på avlägset belägna platser eller i utrymmen där det kan vara mycket svårt att försörja dem med ström (t.ex. på botten av en sjö för att övervaka föroreningar). Detta innebär att vi antingen behöver batterier som håller länge eller måste begränsa energiförbrukningen, men helst båda delarna.
• Lösning: Optimera kommunikationsprotokoll, använd energisnåla tekniker som LPWAN och utforma energieffektiv hårdvara eller flytta vissa funktioner till en central processor.

Utmaningar inom IoT

Dataskydd

• En stor oro inom IoT-system är vad som händer med den insamlade informationen, särskilt om den är känslig (t.ex. hälsouppgifter i ett IoT-e-hälsosystem).
• Lösning: Använd kryptering, anonymisering av data och tydliga integritetspolicyer i praktiken. Respektera lagar som GDPR och HIPAA.

Andra utmaningar inom IoT

Reglering

• Ett annat vanligt kännetecken för tekniska innovationer är att det ofta tar lång tid för myndigheterna att hinna ikapp den aktuella teknologin.
• Med den snabba utveckling som sker varje dag inom IoT tar det tid för myndigheterna att hinna ikapp, och företagen saknar ofta viktig information som de behöver för att fatta beslut.
• Bristen på starka IoT-regleringar är en viktig orsak till att IoT fortfarande utgör en allvarlig säkerhetsrisk, och problemet kommer sannolikt att förvärras i takt med att den potentiella attackytan utvidgas till att omfatta allt fler viktiga enheter.

Andra utmaningar inom IoT

Kompatibilitet

• Bluetooth har länge varit kompatibilitetsstandarden för IoT-enheter.
• När det gäller hemautomatisering med hjälp av mesh-nätverk har flera konkurrenter dykt upp för att utmana Bluetooths mesh-nätverkserbjudanden, inklusive protokoll som Zigbee och Z-Wave.
• Det kan dröja flera år innan marknaden stabiliseras tillräckligt för att utse en enda universell standard eller enhetlig arkitektur för IoT i hemmet.
• Fortsatt kompatibilitet för IoT-enheter beror också på att användarna håller sina enheter uppdaterade och patchade, vilket, som vi just har diskuterat, kan vara ganska svårt. När IoT-enheter som måste kommunicera med varandra kör olika versioner av programvara kan det uppstå alla möjliga prestandaproblem och säkerhetsproblem.

Andra utmaningar inom IoT

Bandbredd

• Anslutbarhet är en större utmaning för IoT än man kan tro.
• I takt med att IoT-marknaden växer exponentiellt kommer bandbreddskrävande IoT-applikationer som videostreaming snart att få svårt att få plats i IoT:s nuvarande server-klientmodell.
• Begränsningar kan dock också uppstå på grund av det enorma antalet anslutningar (särskilt i nätverkets kontrollplan).
• Server-klientmodellen använder en centraliserad server för att autentisera och dirigera trafiken på IoT-nätverk. Men när fler och fler enheter ansluter sig till dessa nätverk har de ofta svårt att klara belastningen.
• Funktioner som intelligent växling mellan mobilnätsoperatörer (MNO) är särskilt användbara för att skapa en mer tillförlitlig och användarvänlig IoT-produkt för dina kunder.

Andra utmaningar inom IoT

Kundernas förväntningar

• Företag som vill ge sig in i denna konkurrenskraftiga och innovativa sektor bör vara beredda på en marknad som aldrig står stilla och kunder som alltid vill ha en smidigare och mer avancerad upplevelse.
• IoT är en spännande sektor med stor potential att förändra vårt sätt att leva, arbeta och roa oss. Men teknikbranschen, myndigheter och konsumenter måste enas om frågor som rör säkerhet och prestanda för att säkerställa att IoT förblir säkert och produktivt att använda.

10

IoT-tillämåningar

IoT-tillämåningar

Konsumentapplikationer

• En växande andel av IoT-enheterna är avsedda för konsumentbruk, till exempel uppkopplade fordon, hemautomatisering, bärbar teknologi, uppkopplad hälsa och apparater med fjärrövervakningsfunktioner.
• Smart hem
• IoT-enheter är en del av det större konceptet hemautomatisering, som kan omfatta belysning, uppvärmning och luftkonditionering, media och säkerhetssystem. Långsiktiga fördelar kan vara energibesparingar genom att automatiskt se till att belysning och elektronik stängs av.
• Äldre vård
• En viktig tillämpning av ett smart hem är att ge hjälp till personer med funktionsnedsättning och äldre. Dessa hemsystem använder hjälpmedelsteknik för att anpassas efter ägarens specifika funktionsnedsättning.

IoT-tillämåningar

Organisatoriska tillämpningar

• Medicin och hälsovård
  • Internet of Medical Things (IoMT) är en tillämpning av IoT för medicinska och hälsorelaterade ändamål, datainsamling och analys för forskning samt övervakning.
• Transport
  • IoT kan bidra till integrationen av kommunikation, styrning och informationsbehandling i olika transportsystem.
• V2X-kommunikation
  • I fordonskommunikationssystem består Vehicle-to-Everything-kommunikation (V2X) av tre huvudkomponenter: Vehicle-to-Vehicle-kommunikation (V2V), Vehicle-to-Infrastructure-kommunikation (V2I) och Vehicle-to-Pedestrian-kommunikation (V2P). V2X är det första steget mot autonom körning och uppkopplad väginfrastruktur.
• Byggnads- och hemautomatisering
  • IoT-enheter kan användas för att övervaka och styra de mekaniska, elektriska och elektroniska system som används i olika typer av byggnader (t.ex. offentliga och privata, industriella, institutioner eller bostäder).

IoT-tillämåningar

Industriella tillämpningar

• Industriella IoT-enheter, även kända som IIoT, samlar in och analyserar data från ansluten utrustning, driftsteknik (OT), platser och människor. I kombination med övervakningsenheter för driftsteknik (OT) hjälper IIoT till att reglera och övervaka industriella system.
• Tillverkning
  • IoT kan realisera en sömlös integration av olika tillverkningsenheter utrustade med sensorer, identifiering, bearbetning, kommunikation, aktivering och nätverksfunktioner. Baserat på ett sådant högintegrerat smart cyberfysiskt utrymme öppnar det dörren för att skapa helt nya affärs- och marknadsmöjligheter för tillverkning.
• Jordbruk
  • Det finns många IoT-tillämpningar inom jordbruket, såsom insamling av data om temperatur, nederbörd, luftfuktighet, vindhastighet, skadedjursangrepp och jordens innehåll. Dessa data kan användas för att automatisera jordbruksmetoder, fatta välgrundade beslut för att förbättra kvalitet och kvantitet, minimera risker och avfall samt minska den arbetsinsats som krävs för att sköta grödorna. Till exempel kan jordbrukare nu övervaka jordens temperatur och fuktighet på avstånd och till och med använda data som samlats in via IoT för att skapa precisa gödslingsprogram.

IoT-tillämåningar

Tillämpningar inom infrastruktur

• Övervakning och styrning av hållbara infrastrukturer i städer och på landsbygden, såsom broar, järnvägsspår och vindkraftparker på land och till havs, är en viktig tillämpning av IoT. IoT-infrastrukturen kan användas för att övervaka händelser eller förändringar i strukturella förhållanden som kan äventyra säkerheten och öka risken. Användningen av IoT-enheter för övervakning och drift av infrastruktur kommer sannolikt att förbättra hanteringen av incidenter och samordningen av akuta insatser, samt servicekvaliteten och drifttiden, och minska driftskostnaderna inom alla infrastrukturrelaterade områden.
• Storskaliga implementationer / Smarta städer
• Det finns flera planerade eller pågående storskaliga implementeringar av IoT för att möjliggöra bättre förvaltning av städer och system. Till exempel byggs Songdo i Sydkorea, den första i sitt slag fullt utrustade och uppkopplade smarta staden, gradvis upp, och cirka 70 procent av affärsdistriktet var färdigställt i juni 2018. Stora delar av staden planeras att vara uppkopplade och automatiserade, med liten eller ingen mänsklig inblandning.

IoT-tillämåningar

Tillämpningar inom infrastruktur

• Energihantering
  • Ett stort antal energiförbrukande enheter (t.ex. lampor, hushållsapparater, motorer, pumpar etc.) har redan inbyggd internetanslutning, vilket gör att de kan kommunicera med energibolag, inte bara för att balansera elproduktionen utan också för att optimera energiförbrukningen som helhet.
  • Det smarta elnätet är en IoT-applikation på energibolagssidan; systemen samlar in och agerar på energi- och elrelaterad information för att förbättra effektiviteten i produktionen och distributionen av el.
• Miljöövervakning
  • IoT-applikationer för miljöövervakning använder vanligtvis sensorer för att bidra till miljöskyddet genom att övervaka luft- eller vattenkvaliteten, atmosfäriska förhållanden eller markförhållanden, och kan även omfatta områden som övervakning av vilda djurs rörelser och deras livsmiljöer.
• Living Lab
  • Ett annat exempel på integration av IoT är Living Lab, som integrerar och kombinerar forsknings- och innovationsprocesser och etablerar ett partnerskap mellan den offentliga sektorn, den privata sektorn och allmänheten.

IoT-tillämåningar

Militära tillämpningar

• The Internet of Military Things (IoMT) is the application of IoT technologies in the military domain for the purposes of reconnaissance, surveillance, and other combat-related objectives.
• It is heavily influenced by the future prospects of warfare in an urban environment and involves the use of sensors, munitions, vehicles, robots, human-wearable biometrics, and other smart technology that is relevant on the battlefield.
• Internet of Battlefield Things
• The Internet of Battlefield Things (IoBT) is a project initiated and executed by the U.S. Army Research Laboratory (ARL) that focuses on the basic science related to IoT that enhance the capabilities of Army soldiers.
• Ocean of Things
• The Ocean of Things project is a DARPA-led program designed to establish an Internet of Things across large ocean areas for the purposes of collecting, monitoring, and analyzing environmental and vessel activity data.

Bedömning

I det här avsnittet får du möjlighet att testa dina kunskaper från kursen. Vårt interaktiva quiz ger dig en detaljerad bedömning av din förståelse av viktiga ämnen. Gör dig redo att utmana dina färdigheter och förstärka dina kunskaper när du närmar dig att behärska de grundläggande begreppen. Missa inte chansen att visa upp allt du har lärt dig hittills!

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

Kursen är klar!