Pochopenie internetu vecí

Pochopenie internetu vecí
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  100 zobrazení
3
 0
IoT Technológie a automatizácia

Záujem o rozvoj väčšej automatizácie bol po počítačovej revolúcii dôležitým prúdom v priemysle. Akokoľvek bola výpočtová technika pôsobivá pri zvyšovaní rýchlosti a presnosti monotónnych alebo inak vysoko technických úloh, tendencia návrhu systémov bola viac predvídavá ako skutočne reaktívna. Bez neustálych aktualizácií systému a komunikácie je nepravdepodobné, že by počítačová sieť dokázala presne vyhodnotiť meniace sa podmienky s cieľom maximalizovať výkon.

Internet vecí (IoT) stavia túto paradigmu na hlavu a jeho úloha v priemysle a pri používaní spotrebiteľmi sa v najbližších rokoch bude len zvyšovať. Internet vecí sa dotkne všetkých oblastí dizajnu a výroby, ale vzhľadom na široké množstvo protokolov, ktoré sa podieľajú na vývoji a prevádzke systému internetu vecí, je dôležité diskutovať o zastrešujúcich cieľoch siete.

Definovanie internetu vecí

Automatizácia je v každom odvetví prísľubom dosiahnutia predtým nedosiahnuteľnej úrovne efektívnosti. Z hľadiska metodiky sa internet vecí snaží využiť skryté dátové toky a zlepšiť komunikačné linky, najmä medzi strojmi. Komunikácia medzi strojmi nie je sama o sebe prevratným vývojom, ale internet vecí sa snaží túto komunikáciu urobiť aktívnejšou.

Odlíšenie sieťových riešení založených na IoT od štandardných počítačových hierarchií sa môže na prvý pohľad zdať zložité. Hoci cieľom IoT je využiť nový technologický vývoj a vylepšiť existujúce postupy, systém predstavuje narušenie tradičných architektúr toku dát. Dátové toky pred IoT využívali počítače, ktoré fungovali ako dátové centrum a rozhodovací orgán súčasne; cieľom IoT je odpútať sa od tohto formátu prostredníctvom decentralizácie. Keďže sa zmenšujú rozmery komponentov a výdavky na energiu, je viac ako kedykoľvek predtým možné prepojiť opytovanie senzorov s lokálne zabudovanými procesormi. Systémy môžu lepšie reagovať a predvídať potreby výkonu tým, že reagujú na zmeny na oveľa detailnejšej úrovni alebo ich aspoň analyzujú.

Hoci je internet vecí definovaný pomerne široko, zamyslite sa nad niektorými jeho charakteristickými znakmi:

  • Snímače - Nedá sa to obísť: snímanie, či už interné alebo externé, tvorí základný prístup k hodnoteniu a akcieschopnosti systému internetu vecí. Sledovanie parametrov systému poskytuje základnú úroveň prevádzkovej efektívnosti a možno ho porovnať s výkyvmi a vytvoriť tak rýchlu rovnovážnu reakciu. Z dlhodobého hľadiska môžu tieto merania slúžiť aj ako diagnostický nástroj na presné predpovedanie opotrebenia a potreby údržby.
  • Komunikatívnosť - ďalším ústredným princípom internetu vecí je ďalšie vybavenie vnútrosystémovej a medzisystémovej diskusie - to umožňuje zohľadniť a realizovať zmeny na jednom konci integrovaného systému bez potreby prestojov alebo prispôsobovania obsluhy. Dôležité je aj to, že poskytuje infraštruktúru pre bezdrôtový komunikačný protokol, čím poskytuje väčšiu automatizáciu a vzdialené prístupové body.
  • Identifikátory - každý prvok v sieti, ktorý má byť prístupný alebo adresovaný, potrebuje jedinečný kód na odlíšenie od ostatných. Patria sem aj "pasívne" zariadenia (tie nie sú pasívne v klasickom zmysle obvodov, ale skôr v súvislosti s pamäťou, komunikačnými formátmi atď.), ktoré sa dajú čítať a obsah ich údajov sa synchronizuje so sieťou na účely šírenia a akcie.

Dvojdielny proces komunikácie

Internet vecí si bude určite vyžadovať kombináciu súčasných a nových komunikačných protokolov. Komunikácia sa vo všeobecnosti delí na dve navzájom sa doplňujúce kategórie: telemetriu a teleovládanie.Telemetria spája základné prvky zaznamenávania údajov - snímač a vysielač - spolu so zobrazovacími a ovládacími prvkami, ktoré tvoria základ zberu.

Telecommand je medzitým postavený na pôsobení na údaje zo snímačov zozbierané v telemetrii. Hoci tieto dve vetvy musia úspešne spolupracovať, aby systém internetu vecí priniesol zmysluplný výkon, majú značne odlišné požiadavky na úspešné zužitkovanie údajov.

Telemetria si vyžaduje sieťový dizajn, ktorý je vhodný na rýchle prenosové rýchlosti a nízku réžiu pri odosielaní a prijímaní kvôli veľkému množstvu údajov, ktoré sa musia prenášať. SMS má vďaka svojmu rozsiahlemu rozšíreniu dávno pred nástupom internetu vecí požadované vlastnosti a výhodu v infraštruktúre. Najmä smartfóny predstavujú dôležitú metódu prepojenia pre používateľov, aby mohli vykonávať kontrolu nad systémami internetu vecí, a SMS predstavuje univerzálny protokol na prístup. SMS tiež rozširuje staršie protokoly, ako je Hayes, na jednoduché príkazy vytáčania a sám je rozšírený o GRPS na zvýšenie objemu správ, čo je nevyhnutná vlastnosť vzhľadom na ohromujúce množstvo údajov, ktoré sa v okamihu generujú v rámci internetu vecí.

SMS má však niektoré významné nevýhody, predovšetkým presnosť doručovania správ. SMS sa označuje ako protokol s najlepšou možnosťou doručenia, čo znamená, že sieť neposkytuje žiadne osvedčenie, že odoslaná správa bude prijatá príjemcom. Táto miera zlyhania sa vyskytuje v rozmedzí 1 % až 5 % času; hoci určitá strata údajov môže byť prijateľná v neformálnejších aplikáciách, táto miera v spojení s obrovským množstvom údajov, ktoré je vlastné IoT, nie je ani zďaleka ideálna. Existujú aj niektoré ďalšie obavy týkajúce sa bezpečnosti, čo je otázka, ktorá je už citlivá pre dlhodobý vývoj internetu vecí.

Telekomunikačné príkazy sú vo všeobecnosti menej náročné z oboch strán komunikačného kanála z dôvodu zníženia počtu odosielaných dátových paketov, ale presnosť a rýchlosť stále zostávajú hnacími faktormi. Rozdelenie práce možno ďalej opísať z hľadiska uplinkingu a downlinkingu. Uplinking, polovica telemetrických príkazov, spracovanie údajov šíri informácie odoslané z telemetrickej časti systému. Opačná operácia, downlinking, prebieha počas zberu údajov, ktorý zhromažďuje rôzne dátové body a multiplexuje ich do prenosových rámcov.

Je internet vecí synonymom pre HTTP?

Doteraz sa nehovorilo o aplikácii internetového protokolu (IP) na internet vecí, o ktorom by sa dalo predpokladať, že by k nemu pasoval ako ruka a rukavica. Internetová konektivita je bohatá a protokol TCP/IP umožňuje mimoriadnu flexibilitu pri jej nasadení. Nielenže sieťové zariadenia môžu komunikovať v rámci siete aj mimo nej prostredníctvom internetového pripojenia, ale výmenu údajov možno špecifikovať aj na úrovni hostiteľa alebo procesu. Zapuzdrenie TCP/IP od najväčšej po najmenšiu špecifickosť prebieha takto:

  1. Aplikačná vrstva synchronizuje komunikáciu medzi procesmi hostiteľa a ostatnými hostiteľmi v sieti.
  2. Transportná vrstva zabezpečuje viacero funkcií, funguje ako komunikácia v konštantnom prúde na rozdiel od odosielania/príjmu požiadaviek, kontroluje potvrdenie príjmu a riadi rýchlosť prenosu dát, aby nedošlo k zahlteniu uzlov.
  3. Internetová vrstva používa adresy IP na odosielanie a prijímanie paketov do alebo z hostiteľov mimo siete, ktoré sa v závislosti od pôvodu prenášajú do transportnej vrstvy alebo na linkovú úroveň.
  4. Linková vrstva definuje protokoly len pre časť siete, ku ktorej je hostiteľ pripojený.

Rámec pre komunikáciu internetu vecí poskytuje protokol TCP/IP, ale existuje celý rad štandardov, ktoré predstavujú súčasné aj budúce použitie. Používanie protokolov odráža zmes atribútov konkrétneho systému:

  • HTTP - Je to dominantný protokol pre počítačovo orientovaný internet vecí. Dobre funguje pri publikovaní veľkých dátových paketov, podobne ako to pozná väčšina používateľov v jeho známejšej implementácii. Protokol HTTP je však veľmi neefektívny, a to tak z hľadiska spotreby energie, ako aj dátovej réžie, čo poškodzuje jeho životaschopnosť pre internet vecí na základe jednej správy. K ďalším výčitkám voči HTTP patria:
    • ○ Model požiadavka-odpoveď je pre internet vecí nevhodný, pretože obmedzuje možnosť prenosu údajov. To spôsobuje aj slabú výkonnosť, pretože aspekty telemetrie a telekomunikácie sa môžu vykonávať len po jednom, čo bráni robustnosti rýchlosti reakcie systému na vyvíjajúce sa súbory údajov.
      Protokol HTTP je spojenie jeden k jednému; keď snímače posielajú údaje, môže vzniknúť potreba šíriť viacero dátových tokov súčasne. To sa pomocou protokolu HTTP nedá dosiahnuť.
    • ○ Synchrónna požiadavka medzi serverom a klientom si pred úspešným prenosom údajov vyžaduje ďalšie podania, čo ďalej spomaľuje rýchlosť prenosu, pretože oba konce spojenia musia prejsť potrebnými cyklami CPU.
      Protokol HTTP je postavený na cykloch TCP, čo znamená, že v porovnaní so štíhlejším protokolom sú na každé spojenie potrebné ďalšie zdroje.
    • ○ IoT funguje najlepšie ako systém riadený udalosťami - keď hodnota údajov dosiahne, prekročí alebo klesne pod určitú hranicu, vykoná sa určitá akcia - ale prirodzený mechanizmus HTTP request-response nemôže fungovať rovnakou rýchlosťou. Hoci sa HTTP dá využiť ako model riadený udalosťami, funguje oveľa horšie ako sieťový protokol špeciálne navrhnutý na tento spôsob komunikácie.
  • Bluetooth - Bluetooth má nízku spotrebu energie, nízke náklady a bezdrôtové pripojenie na krátku fyzickú vzdialenosť. Hoci posledný bod môže znieť škodlivo, zvyšuje to bezpečnosť systému. Bluetooth je vynikajúcim riešením s nízkymi nákladmi na prenos údajov spojených s internetom vecí.
  • Komunikácia v blízkom poli - podobne ako Bluetooth s obmedzením vzdialenosti je NFC veľmi efektívna, aj keď celkovo pomalá metóda prenosu údajov. Vďaka tomu je táto technológia vynikajúca na komunikáciu na krátku vzdialenosť, napríklad pre autentifikátory.
  • RFID - RFID je kľúčovým prvkom identifikačnej časti internetu vecí. Systém sa delí na tri aspekty: tagy, ktoré slúžia ako jedinečné identifikátory a úložisko údajov, čítačku, ktorá napája a sprístupňuje údaje, a softvér, ktorý slúži ako sprostredkovateľ medzi tagom a čítačkou. Tagy môžu byť označené na rôzne účely, od čítania až po úplné čítanie/zápis, a táto technológia sa využíva v širokej škále priemyselných odvetví.
  • Sieť LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) - tento protokol sa používa takmer výlučne na funkcie s nízkou spotrebou energie v sieťach s veľkým počtom zariadení, pričom sa spája so sieťami a upravuje spotrebu energie na základe nastavení okolia.
  • Iné - Bežné sieťové protokoly, ako napríklad Wi-Fi, možno simulovať pomocou uzlov v nových topológiách na lepšie štruktúrovanie hierarchií údajov. Patrí sem sieť mesh, ktorá rozdeľuje pripojenie smerovača medzi viaceré prístupové body v sieti. Tým sa zvyšuje spoľahlivosť siete poskytovaním viacerých permutácií smerovania z bodu do bodu v prípade straty spojenia. Celkový výkon sa zvyšuje aj v prípade uzlov siete, ktoré sú od bodu smerovača vzdialené na krátku vzdialenosť. Siete typu mesh sa zavádzajú v priemyselnom aj domácom prostredí, pričom Zigbee je obzvlášť populárna voľba na komunikáciu na krátke vzdialenosti.

Prepojenie údajov a sieťových protokolov s internetom vecí

Záver

Internet vecí bude len rásť so zavádzaním nových systémov a ďalšími úrovňami integrácie. Návrhári potrebujú sady nástrojov, ktoré dokážu splniť rastúci dopyt po rýchlosti signálu, nízkej spotrebe energie a ďalších obmedzeniach pomocou komplexného softvéru na návrh a analýzu PCB.

Informácia : Pokiaľ sa vám článok páčil, informácie v ňom boli pre vás užitočné a máte záujem o viac takýchto článkov, podporte drobnou sumou jeho autora. Ďakujeme
Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok?

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok a chceli by ste sa o to podeliť s viac ako 250.000 čitateľmi? Tak neváhajte a dajte nám vedieť, radi ju uverejníme a to vrátane obrazových a video príloh. Rovnako uvítame aj autorov teoretických článkov, či autorov zaujímavých videí z oblasti elektroniky / elektrotechniky.

Kontaktujte nás!


Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie, alebo podporte jeho autora.
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár k článku. Pridáte prvý? Berte prosím na vedomie, že za obsah komentára je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

PCBWay Promo

JLCPCB Promo
PCBWay Promo

JLCPCB Promo
PCBWay Promo

JLCPCB Promo
Webwiki Button