Uvod u internet inteligentnih uređaja

Internet inteligentnih uređaja (eng. Internet of Things, IoT) predstavlja novu oblast informacionih tehnologija koja se veoma brzo razvija. Tehnologije interneta inteligentnih uređaja omogućuju povezivanje većeg broja korisnika, uređaja, servisa i aplikacija na internet. Uređaji povezani s drugim uređajima i aplikacijama u stanju su da direktno i indirektno međusobno razmenjuju podatke.Krajnji korisnici putem veba i mobilnih aplikacija pristupaju ovim podacima, podešavaju konfiguracije uređaja i upravljaju i održavaju IoT sisteme.

Internet inteligentnih uređaja može se primeniti: u domaćinstvima, gradovima, poslovanju, trgovini, logistici, energetici, poljoprivredi, industriji, obrazovanju, zdravstvu, upravi i drugim oblastima.

Internet inteligentnih uređaja

Razvoj internet tehnologija i IPv6 protokola i nova dostignuća u nanotehnologijama omogućili su projektovanje, proizvodnju, postavljanje i umrežavanje velikog broja uređaja opremljenih senzorima i aktuatorima. Ovim uređajima može se pristupati i upravljati putem interneta u realnom vremenu. Уређаји повезани на интернет могу да комуницирају са другим уређајима. Такав вид комуникације назива се М2М комуникација.

Internet inteligentnih uređaja definiše se kao globalna mrežna infrastruktura koja omogućuje povezivanje fizičkih i virtuelnih uređaja interoperabilnim komunikacionim protokolima i inteligentnim interfejsima. Infrastrukturu čine tri osnovne komponente: inteligentni uređaji, mrežna infrastruktura za njihovo povezivanje i sistemi što koriste podatke koje generišu inteligentni uređaji. Uređaji povezani na internet mogu da komuniciraju sa drugim uređajima. Takav vid komunikacije naziva se M2M komunikacija.

Struktura interneta inteligentnih uređaja može se radi jednostavnije analize i projektovanja podeliti na tri sloja: hardver, infrastruktura, aplikacije i servisi.

Prvi i najniži IoT sloj je hardver za povezivanje fizičkih uređaja. Samo oni uređaji koji su povezani mogu međusobno razmenjivati informacije i učiti na osnovu iskustva. Cilj jeste da se naprave uređaji i sistemi sa ugrađenim računarskim funkcionalnostima i inteligencijom za proaktivno rasuđivanje i ponašanje.

Infrastruktura kao drugi IoT sloj omogućuje povezivanje uređaja na bežičnu ili neku drugačiju računarsku mrežu; treba da obezbedi okruženje za razvoj IoT aplikacija kroz kanale za upravljanje podacima informacijama i uređajima i kanale za decentralizovano upravljanje.

Treći i najviši IoT sloj predstavljaju aplikacije i servisi za pribavljanje poda-taka sa uređaja, obradu i isporuku. Usavršavanje aplikacija i servisa neophodan je uslov za razvoj pametnih okruženja i smislenu primenu IoT u različitim područjima ljudskog delovanja.

Pametni uređaji

Pametni uređaj je instrument ili mašina sa svojstvima računara. Glavna odlika mu je da može da komunicira s drugim uređajima u okruženju i izvodi inteligentne operacije.

Takav uređaj mora imati sledeće fizičke komponente: napajanje, memoriju, procesor i komunikacioni interfejs.

Pametni uređaji mogu se napajati preko električne mreže, baterija, solarnih panela itd. Memorija pametnih uređaja omogućuje čuvanje podataka iz senzora i realizaciju operacija za koje su uređaji programirani.IoT uređaj se sastoji od ulazno/izlaznih interfejsa za senzore i aktuatore, interfejsa za internet konekciju, interfejsa za skladište i memoriju i audio i video interfejsa. U IoT uređaje spadaju:

• Senzori za praćenje stanja i obaveštavanje o nastalim promenama u okruženju.
• Aktuatori koji na osnovu detektovanih promena u okruženju putem upravljačkih akcija izvršavaju fizičke aktivnosti.
• Moduli koji omogućuju prijem komandi u određenom okruženju.
• Mikrokontroleri (obično bazirani na mikroprocesorima) sa ugrađenom
• memorijom, časovnikom i hardverom za povezivanje na spoljne uređaje, kao što su senzori, aktuatori i primopredajnici za bežični prenos podataka.
• Mikroračunari („maleni“ računari) koji na jednom čipu imaju mikroprocesor, memoriju i ulazno-izlazne uređaje.

Karakteristike IoT uređaja su:

• Dinamička samoadaptivnost. Dinamički se prilagođavaju okruženju i reaguju na promene iz okruženja.
• Konfigurišu se uz minimalno učešće korisnika.
• Interoperabilnost komunikacionih protokola. Međusobnu komunikaciju ostvaruju putem standardizovanih interoperabilnih komunikacionih protokola.
• Jedinstveni identitet. Imaju jedinstven simbolički ili numerički identifikator, na primer IP adresu ili jedinstveni identifikator resursa (eng. Uniform Resource Identifier, URI). Pomoću jedinstvenog identifikatora korisnici pristupaju uređaju preko interneta, daljinski upravljaju uređajem, konfigurišu i prate u kakvom je statusu.
• Povezanost u mrežu. Povezani su u računarsku mrežu koja omogućuje da međusobno komuniciraju i da budu vidljivi ostalim uređajima i aplikacijama.

IoT uređaji mogu biti: kućni aparati, računari, pametni telefoni, štampači, automobili, industrijske mašine, uređaji u energetskim sistemima, uređaji u zdravstvenim sistema i drugi.

Umrežavanje pametnih uređaja

M2M komunikacija (eng. Machine to Machine, M2M) omogućuje povezivanje, razmenu i analizu prikupljenih podataka između IoT uređaja bez ljudskog uticaja. Glavno svojstvo M2M koncepta jeste da su mehanički i električni uređaji međusobno povezani i kontrolisani na daljinu korišćenjem jeftinih, skalabilnih i pouzdanih tehnologija. Komunikacija između pametnih uređaja omogućuje implementaciju brojnih aplikacija, kao što su pametna merenja, daljinsko upravljanje vozilima, udaljeno praćenje zdravstvenog stanja pacijenata, nadzor na daljinu, automatizacija u industriji i slično. Uspostavljanje M2M komunikacije je složen postupak, jer ne postoji jedinstvena arhitektura za M2M mreže, ni u pogledu organizacije, ni u pogledu veličine mreža.

Postojeće M2M mreže dele se na: potpune IP i hibridne mreže.Potpuno IP mreže uglavnom se zasnivaju na tehnologijama povezivanja kao što su: Ethernet i Wi-Fi. Karakterišu ih povećani troškovi realizacije, potencijalni nesklad između zahteva različitih aplikacija u pogledu latencije, mrežnih karakteristika i problemi vezani za bezbednost na internetu. U hibridnim mrežama fokus je na obezbeđenju funkcionisanja TCP/IP protokola na skromnom hardveru i interoperabilnost sa industrijskim standardima za umrežavanje uređaja, kao što je ZigBee.

 

Širenje M2M komunikacije nameće potrebu za standardizacijom i razvojem protokola koji bi bili deo jedinstvene arhitekture. Među značajnim komunikacionim protokolima namenjenim M2M komunikaciji su:

• Obezbeđuje operativni sistem i standardnu JME platformu za M2M aplikacije.
• Nudi XML zasnovan protokol za M2M komunikaciju koji obuhvata sintaksu, semantiku i formalne definicije za uređaje i gejtveje.
• Oracle M2M platforma za izradu aplikacija za filtriranje i procesiranje događaja u realnom vremenu.
• XML protokol za M2M komunikaciju sa implementacijom otvorenog kôda u Java i C programskim jezicima.
• MQTT (eng. Message Queue Telemetry Transport). Protokol za komunikaciju pametnih uređaja kod sistema koji zahtevaju minimalan protok u mreži i malu potrošnju energije.
• CoAP (eng. Constrained Application Protocol). Protokol sličan HTTP-u koji funkcioniše na klijent-server principu, a za konekciju koristi UDP protokol i ne zahteva dodatne računarske resurse.
• Cloud-based M2M platforma za povezivanje uređaja, procesa i aplikacija koja obezbeđuje pouzdan rad kroz ostvarenu redundantnost, kontrolu, automatsko kreiranje baza podataka i bekap.
  

  Platforme za razvoj interneta inteligentnih uređaja

IoT platforma je softversko i hardversko okruženje za efikasan razvoj IoT sistema.Upravljanje IoT platformom je kompleksno i obuhvata procese:  Otkrivanje resursa, Praćenje resursa, Rekonfiguraciju platforme.

Na serverskoj strani, komponente koje su odgovorne za pružanje funkcionalnosti upravljanja platformom su: Direktorijum resursa, Menadžer IoT resursa, Konfigurator za podešavanje podsistema za podršku aplikacijama, Konfigurator za podešavanje podsistema za testiranje, Crowdsourcing menadžer.

IoT čvorovi se razlikuju i po ulogama u platformi, tako da postoje sledeće vrste: Infrastrukturni čvorovi, Eksperimentalni IoT čvorovi, Čvorovi za pružanje servisa, Participativni čvorovi su ručni uređaji.

Prilikom razvoja platforme za internet inteligentnih uređaja neophodno je razmotriti potrebne funkcionalne elemente, kao što su:

• Uređaji koji imaju funkcije prikupljanja podataka i izvršavanja unapred definisanih akcija i nadgledanja i kontrole.
• Komunikacione komponente koje omogućuju povezivanje uređaja u okviru IoTplatforme.
• Servisi u okviru IoT platforme koji treba da omoguće nadgledanje uređaja, upravljanje uređajima, izveštavanje o prikupljenim podacima i otkrivanje uređaja na mreži.
• Upravljanje funkcionalnostima IoT platforme, kao što su konfigurisanje, praćenje performansi platforme i drugo.
• Sigurnosna komponenta koja se odnosi na realizaciju funkcionalnosti, autentifikacije, autorizacije, zaštite integriteta i privatnosti podataka.
• Aplikaciona komponenta koja se odnosi na pružanje mogućnosti korisnicimada nadgledaju i koriste funkcionalnosti IoT platforme i da njima upravljaju.

Komponente za razvoj platforme interneta inteligentnih uređaja su:

Hardverske:

• senzori (npr. za merenje temperature, vlažnosti vazduha, pritiska),
• aktuatori (npr. za kontrolu osvetljenja, klimatizacije),
• mikroračunari (npr. Raspberry Pi),
• mikrokontroleri (npr. Arduino) i
• mrežna infrastruktura (ruteri, svičevi, kablovi i sl.).

Softverske:

• razvojna okruženja (npr. Eclipse, Arduino IDE i dr.),
• operativni sistemi prilagođeni za uređaje (npr. Raspbian) i
• softver za specifično pametno okruženje.
  

  Tehnologije za razvoj interneta inteligentnih uređaja

Tehnologije koje se koriste za razvoj interneta inteligentnih uređaja su: mrežne tehnologije i protokoli, senzorske mreže, mobilne tehnologije, Cloud computing i Big data.

Inteligentni uređaji mogu se povezati u personalne (eng. Personal Area Network, PAN), lokalne (eng. Local Area Network, LAN), MAN (eng. Metropolitan Area Network), WAN (eng. Wide Area Network) i senzorske mreže.

Mobilne tehnologije koje su doprinele razvoju i primeni interneta inteligentnih uređaja su mreže mobilne telefonije i mobilnog interneta, Bluetooth, RFID, WiMAX, globalni sistem pozicioniranja (GPS), komunikacija u bliskom polju (NFC), ZigBee i druge.

Za izgradnju kvalitetne IoT infrastrukture, može se koristiti Cloud computing i Vig data infrastruktura.Cloud computing predstavlja paradigmu isporuke računarskih resursa kao servisa. IoT servise moguće je isporučiti i putem oblaka (eng. cloud). U pogledu integracije IoT-a s cloud-om, potrebno je zadovoljiti sledeće zahteve:

• Cloud servisi treba da olakšaju komunikaciju hardvera i softvera u IoT ekosistemu.
• Potrebna je podrška za cloud protokole, kao što su to Websocket, REST, MQTT, CoAP.
• Potrebna je podrška za sigurno daljinsko ažuriranje softvera na uređajima.
• Veb i mobilne aplikacije treba da omoguće prikaz podataka, procesiranje podataka i upravljanje udaljenim uređajima.
  

  Oblasti primene interneta inteligentnih uređaja

Internet inteligentnih uređaja može se primeniti u:

• Lične i poslovne svrhe: automatizacija kuća, zgrada, stanova i kancelacija.
• Gradskom okruženju: automatizacija gradova i njegovih glavih delova kao što su putevi, parkinzi, osvetljenje, sistemi nadzora i sistemi za reagovanje u vanrednim situacijama.
• Obrazovanju: automatizacija fakulteta, učionica i biblioteka.
• Zdravstvu: automatizacija bolnica, domova zdravlja, monitoring pacijenata i sportista, korišćenje odevnih (wearable) uređaja.
• Logistici: automatizacija transporta, praćenje isporuke robe i udaljeno dijagnostikovanje stanja transportnih vozila.
• Industriji: automatizacija fabrika, skladišta i magacina, nadgledanje mašina i alata.
• Okruženju: praćenje vremenskih prilika, zagađenosti vazduha, buke, požara i poplava.
• Energetskim sistemima: pametne elektroenergetske mreže i sistemi obnovljive energije.
• Maloprodaji: automatizacija procesa upravljanja inventarom i pametna plaćanja.
• Poljoprivredi: automatizacija sistema navodnjavanja i kontrola staklenih bašti.
• Robotici: pametni roboti.