Technologie a protokoly IoT
Seznamte se se světem technologií IoT. Tato příručka vám poskytne pevný základ v oblasti protokolů a technologií IoT, který vám pomůže dělat správná rozhodnutí pro účely vašeho projektu.
Příručka k technologiím a protokolům IoT
Internet věcí je konvergence integrovaných systémů, bezdrátových sítí senzorů, řídicích systémů a automatizace, která umožňuje propojení průmyslových výrobních továren, inteligentního maloobchodního prodeje, nové generace zdravotnictví, chytrých domácností a měst a nositelných zařízení. Technologie IoT umožňují transformaci podnikání díky přehledům založeným na datech, vylepšeným provozním procesům, novým oborům a efektivnějšímu využití materiálů.
Technologie IoT se neustále rozšiřují a každý rok vzniká nepřeberné množství poskytovatelů služeb, nejrůznější platformy a miliony nových zařízení. Před vývojáři, kteří chtějí vstoupit do ekosystému IoT, tak stojí celá řada rozhodnutí.
Tato příručka je navržená tak, aby vám pomohla porozumět běžným požadavkům na protokoly IoT, spotřebu a připojení. Pokud hledáte základní úvod do technologie IoT, podívejte se na Co je IoT? a kyberbezpečnost IoT webové příručky.
Ekosystém technologií IoT
Technologický ekosystém IoT se skládá z následujících vrstev: zařízení, data, připojení a uživatelé technologií.
Vrstva zařízení
Kombinace senzorů, ovladačů, hardwaru, softwaru, možností připojení a bran tvořících zařízení, které se připojuje k síti a komunikuje s ní.
Datová vrstva
Data, která se shromažďují, zpracovávají, odesílají, ukládají, analyzují, prezentují a používají v obchodních kontextech.
Obchodní vrstva
Obchodní funkce technologie IoT, včetně správy fakturace a tržišť dat.
Uživatelská vrstva
Lidé, kteří komunikují se zařízeními a technologiemi IoT.
Přečtěte si další informace o tom, jak správně připojit zařízení při sestavování s využitím služby Azure IoT Hub.
Technologický zásobník IoT, část 1:
Zařízení IoT
Zařízení IoT se velmi liší, ale většinou sdílejí tyto společné koncepty a slovník. Další informace o variantách zařízení využívajících technologii IoT najdete v tomto Katalog zařízení IoTkatalogu zařízení IoT.
Ovladače
Ovladače provádějí fyzické akce, když jim řídicí centrum předá pokyny, obvykle v reakci na změny zjištěné senzory. Jsou určitým typem měniče.
Integrované systémy
Vložené systémy jsou systémy založené na mikroprocesorech nebo mikrořadičích, které spravují určitou funkci v rámci většího systému. Zahrnují hardwarové i softwarové komponenty, jako je Azure RTOS.
Inteligentní zařízení
Zařízení, která mají výpočetní schopnosti. Často obsahují mikrořadič a mohou využívat služby, jako jsou Azure IoT Edge , k co nejlepšímu nasadit určité úlohy napříč zařízeními.
Jednotka mikrořadiče (MCU)
Tyto malé počítače jsou integrované v mikročipech a obsahují procesory, paměť RAM a paměť ROM. Přestože mikrořadiče obsahují elementy potřebné ke spouštění jednoduchých úloh, mají omezenější výkon než mikroprocesory.
Jednotka mikroprocesoru (MPU)
Jednotky mikrořadiče provádějí funkce procesorů v jednom nebo několika integrovaných obvodech. Přestože mikroprocesory k provádění úloh vyžadují periferie, výrazně snižují náklady na zpracování, protože obsahují pouze procesor.
Jiná než výpočetní zařízení
Zařízení, která se pouze připojují a přenášejí data, ale nemají schopnost provádět výpočty.
Měniče
Obecně jsou měniče zařízení, která převádějí jeden druh energie na jiný. V zařízeních IoT mezi ně patří interní senzory a ovladače, které přenášejí data, když zařízení reagují se svým okolím.
Senzory
Senzory rozpoznávají změny ve svém okolí a komunikují prostřednictvím elektrických impulsů. Senzory obvykle rozpoznávají změny prostředí, jako jsou změny teploty, chemické změny nebo změny fyzické pozice, a jsou určitým typem měniče.
Technologický zásobník IoT, část 2:
Protokoly a možnosti připojení IoT
Propojení zařízení IoT
Hlavním aspektem plánování projektu technologie IoT je určení protokolů IoT pro zařízení – jinými slovy, jak se zařízení připojují a komunikují. Ve zásobníku technologií IoT se zařízení propojují prostřednictvím bran firewall nebo s využitím integrovaných funkcí.
Co jsou brány IoT?
Brány jsou součástí technologie IoT, která se dá použít k usnadnění připojení zařízení IoT ke cloudu. I když ne všechna zařízení IoT vyžadují bránu, dají se použít k navázání komunikace typu zařízení-zařízení nebo k připojení zařízení, která nejsou založená na IP adrese a nemůžou se připojit přímo ke cloudu. Data shromážděná ze zařízení IoT procházejí bránou, předběžně se zpracovávají na hraničních zařízeních a pak se odesílají do cloudu.
Použití bran IoT může snížit latenci a zmenšit velikost přenosů. Brány jako součást protokolů IoT umožňují propojit také zařízení bez přímého přístupu k internetu a zajišťují další vrstvu zabezpečení tím, že chrání data přenášená oběma směry.
Jak připojit zařízení IoT k síti?
Typ připojení využívaný jako součást vašeho protokolu IoT se odvíjí od zařízení, jeho funkce a jeho uživatelů. Potřebný typ připojení IoT obvykle závisí na vzdálenosti, kterou data musí urazit (kratší, nebo delší dosah).
Typy sítí IoT
Sítě s nízkou spotřebou a krátkým dosahem
Tyto sítě s nízkou spotřebou a krátkým dosahem jsou vhodné pro domácnosti, kanceláře a další menší prostory. Obvykle vyžadují pouze malé baterie a jsou levné na provoz.
Běžné příklady:
Bluetooth
Technologie Bluetooth je vhodná pro vysokorychlostní přenos dat a dokáže odesílat hlasové i datové signály do vzdálenosti až 10 metrů.
NFC
Sada komunikačních protokolů pro komunikaci mezi dvěma elektronickými zařízeními na vzdálenost do 4 cm (1,5 palce). NFC nabízí nízkorychlostní připojení s jednoduchým ustavením, které je možné použít jako první krok k navázání výkonnějších bezdrátových připojení.
Wi-Fi/802.11
Díky nízkým provozním nákladům je Wi-Fi standardem pro domácnosti i kanceláře. Kvůli omezenému dosahu a nepřetržité spotřebě energie se však nemusí jednat o správnou volbu pro všechny scénáře.
Z-Wave
Smíšená síť používající nízkoenergetické rádiové vlny ke komunikaci mezi zařízeními.
Zigbee
Specifikace založená na standardu IEEE 802.15.4 pro sadu komunikačních protokolů vyšší úrovně, které se používají k vytváření osobních sítí s malými a nízkoenergetickými digitálními vysílači.
Rozlehlé sítě s nízkou spotřebou (LPWAN)
Sítě LPWAN umožňují komunikaci na vzdálenost minimálně 500 metrů, vyžadují minimální výkon a používají se pro většinu zařízení IoT. Mezi běžné příklady sítí LPWAN patří:
4G LTE pro IoT
Tyto sítě nabízejí vysokou kapacitu a nízkou latenci a jsou tak skvělou volbou pro scénáře IoT, které vyžadují informace nebo aktualizace v reálném čase.
5G pro IoT
Sítě 5G pro IoT ještě nejsou dostupné, ale očekává se, že umožní další inovace v oblasti IoT, protože nabídnou mnohem rychlejší stahování a připojení k mnoha dalším zařízením v dané oblasti.
Cat-0
Tyto sítě založené na technologii LTE představují nejlevnější možnost. Pokládají základy pro technologii Cat-M, která nahradí technologii 2G.
Cat-1
Tento standard pro mobilní zařízení IoT postupně nahradí technologii 3G. Sítě Cat-1 jsou snadno nastavitelné a nabízí skvělé řešení pro aplikace vyžadující hlasové rozhraní nebo rozhraní v prohlížeči.
LoRaWAN
Rozlehlé sítě s dlouhým dosahem (LoRaWAN) propojují mobilní, zabezpečená obousměrná zařízení na baterie.
LTE Cat-M1
Tyto sítě jsou plně kompatibilní se sítěmi LTE. Optimalizují náklady a spotřebu v čipech LTE druhé generace navržených speciálně pro aplikace IoT.
Narrowband nebo NB-IoT/Cat-M2
NB-IoT/Cat-M2 využívá modulaci DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) k odesílání dat přímo na server, čímž se eliminuje potřeba brány. Přestože jsou sítě NB-IoT nákladnější na nastavení, díky tomu, že nevyžadují bránu, je jejich provoz levnější.
Sigfox
Tento globální poskytovatel sítě pro IoT nabízí bezdrátové sítě umožňující propojení objektů s nízkou spotřebou, které nepřetržitě vysílají data.
Protokoly IoT: Způsob komunikace zařízení IoT se sítí
Zařízení IoT komunikují s využitím protokolů IoT. Protokol IP (Internet Protocol) představuje sadu pravidel, která určují způsob odesílání dat na internet. Protokoly IoT zajišťují, aby informace z jednoho zařízení nebo senzoru mohly číst a pochopit jiné zařízení, brána nebo služba. Různé protokoly IoT jsou navržené a optimalizované pro různé scénáře a použití. Vzhledem k tomu, že je dostupná řada různých zařízení IoT, je důležité ve správném kontextu používat správný protokol.
Jaký protokol IoT je pro mě nejvhodnější?
Typ protokolu IoT, který budete potřebovat, závisí na vrstvě architektury systému, kterou se budou přenášet vaše data. Dokumentace k modelu OSI (Open Systems 2016) Model OSI (Open Systems 2016) poskytuje mapu různých vrstev, které odesílají a přijímají data. Všechny protokoly IoT v architektuře systému IoT umožňují komunikaci mezi zařízeními, mezi zařízením a bránou, mezi bránou a datacentrem nebo mezi bránou a cloudem a také komunikaci mezi datacentry.
Aplikační vrstva
Aplikační vrstva slouží jako rozhraní mezi uživatelem a zařízením v rámci daného protokolu IoT.
Rozšířený protokol řízení front zpráv (AMQP)
Softwarová vrstva, která zajišťuje interoperabilitu mezi middlewarem pro zasílání zpráv. Zajišťuje standardizované zasílání zpráv v průmyslovém měřítku a umožňuje tak spolupráci široké škály systémů a aplikací.
Omezený aplikační protokol (CoAP)
Protokol s omezenou šířkou pásma a omezenými sítěmi navržený tak, aby zařízením s omezenou kapacitou umožňoval zapojit se do komunikace mezi počítači. Protokol CoAP je určený také k přenosu dokumentů, který probíhá přes protokol UDP (User Datagram Protocol).
DDS (Data Distribution Service)
Univerzální komunikační protokol peer-to-peer, který zajišťuje vše od provozu velmi malých zařízení až po propojování vysoce výkonných sítí. Protokol DDS zjednodušuje vývoj, zvyšuje spolehlivost a snižuje složitost.
MQTT (Message Queue Telemetry Transport)
Protokol zasílání zpráv navržený pro jednoduchou komunikaci mezi počítači, který se primárně používá pro připojení s nízkou šířkou pásma ke vzdáleným lokalitám. Protokol MQTT využívá vzor vydavatel-odběratel a je ideální pro malá zařízení, která vyžadují efektivní využívání šířky pásma a baterie.
Transportní vrstva
V každém protokolu IoT transportní vrstva umožňuje a chrání komunikaci dat při jejich přecházení mezi vrstvami.
Protokol TCP (Transmission Control Protocol)
Převládající protokol pro většinu připojení k internetu. Nabízí komunikaci mezi hostiteli, rozděluje velké sady dat na jednotlivé pakety a v případě potřeby pakety znovu odesílá a sestavuje.
Protokol UDP (User Datagram Protocol)
Komunikační protokol, který umožňuje komunikaci mezi procesy a běží na protokolu IP. Protokol UDP zrychluje přenos dat přes protokol TCP a je nejvhodnější pro aplikace, které vyžadují bezztrátový přenos dat.
Síťová vrstva
Síťová vrstva protokolu IoT pomáhá jednotlivým zařízením komunikovat se směrovačem.
IP
Řada protokolů IoT využívá protokol IPv4, zatímco novější realizace používají protokol IPv6. Tato nedávná aktualizace protokolu IP směruje provoz přes internet a vyhledává a identifikuje zařízení v síti.
6LoWPAN
Tento protokol IoT funguje nejlépe se zařízeními s nízkou spotřebou, která mají omezené možnosti zpracování.
Vrstva datového propojení
Datová vrstva je součástí protokolu IoT, která přenáší data v rámci architektury systému a identifikuje a opravuje chyby zjištěné ve fyzické vrstvě.
IEEE 802.15.4
Rádiový standard pro bezdrátové připojení s nízkou spotřebou. Společně se Zigbee, 6LoWPAN a dalšími standardy se používá k vytváření bezdrátových integrovaných sítí.
LPWAN
Sítě LPWAN (s nízkou spotřebou a velkým dosahem) umožňují komunikaci na vzdálenosti od 500 metrů až na některých místech přes 10 km. Příkladem sítě LPWAN je síť LoRaWAN optimalizovaná pro nízkou spotřebu energie.
Fyzická vrstva
Fyzická vrstva je komunikační kanál mezi zařízeními v rámci konkrétního prostředí.
Bluetooth Low Energy (BLE)
Technologie BLE výrazně snižuje spotřebu energie i náklady a zajišťuje podobný dosah připojení jako klasická technologie Bluetooth. Technologie BLE funguje nativně napříč mobilními operačními systémy a díky nízkým nákladům a dlouhé výdrži baterie se z ní rychle stává oblíbená volba pro spotřební elektroniku.
Ethernet
Toto kabelové připojení představuje levnější alternativu, která nabízí rychlé datové připojení a nízkou latenci.
LTE (Long Term Evolution)
Standard bezdrátové širokopásmové komunikace pro mobilní zařízení a datové terminály. LTE zvyšuje kapacitu a rychlost bezdrátových sítí a podporuje vícesměrové vysílání a streamy všesměrového vysílání.
Bezkontaktní komunikace (NFC)
Sada komunikačních protokolů využívajících elektromagnetická pole, která umožňuje komunikaci dvou zařízení na vzdálenost až čtyři centimetry. Zařízení s podporou NFC fungují jako identifikační karty a běžně se používají pro bezkontaktní mobilní platby, prodej vstupenek a čipové karty.
PLC (Power Line Communication)
Komunikační technologie, která umožňuje odesílání a příjem dat prostřednictvím stávajících napájecích kabelů. To umožňuje zařízení IoT napájet a řídit pomocí stejného kabelu.
Radiofrekvenční identifikace (RFID)
Radiofrekvenční identifikace využívá elektromagnetická pole ke sledování značek elektroniky, která je jinak bez napájení. Napájení poskytuje kompatibilní hardware, který s těmito značkami také komunikuje a čte jejich informace pro účely identifikace a ověřování.
Wi-Fi/802.11
Wi-Fi/802.11 je standard v domácnostech i kancelářích. Přestože se jedná o levnou variantu, kvůli omezenému dosahu a nepřetržité spotřebě energie nemusí být vhodná pro všechny scénáře.
Z-Wave
Smíšená síť používající nízkoenergetické rádiové vlny ke komunikaci mezi zařízeními.
Zigbee
Specifikace založená na standardu IEEE 802.15.4 pro sadu komunikačních protokolů vyšší úrovně, které se používají k vytváření osobních sítí s malými a nízkoenergetickými digitálními vysílači.
Technologický zásobník IoT, část 3:
Platformy IoT
Platformy IoT usnadňují tvorbu a spouštění projektů IoT tím, že nabízejí jedinou službu, která spravuje vaše nasazení, zařízení i data. Platformy IoT spravují hardwarové a softwarové protokoly, nabízejí zabezpečení a ověřování a poskytují uživatelská rozhraní.
Přesná definice platformy IoT neexistuje, protože více než 400 poskytovatelů služeb nabízí funkce od softwarových a hardwarových funkcí až po sady SDK a rozhraní API. Většina platforem IoT však zahrnuje následující:
- Cloudová brána IoT
- Ověřování, správa zařízení a rozhraní API
- Cloudová infrastruktura
- Integrace aplikací třetích stran
Spravované služby
Spravované služby IoT pomáhají podnikům aktivně provozovat a udržovat své ekosystémy IoT. K dispozici je celá řada spravovaných služeb IoT, , jako je Azure IoT Hub, které pomáhají zjednodušit a podporovat proces sestavování, nasazování, správy a monitorování projektu IoT.
Aplikace IoT současných technologií
Umělá inteligence a IoT
Systémy IoT shromažďují tak velké objemy dat, že je často potřeba k řazení a analýze dat využít umělou inteligenci a strojové učení, abyste mohli rozpoznávat vzory a provádět akce na základě přehledů. Umělá inteligence například může analyzovat data shromážděná z výrobních zařízení a předpovídat potřebu údržby a tím snížit náklady a zkrátit výpadky v případě neočekávaných poruch.
Blockchain a IoT
V současné době neexistuje žádný způsob, jak před prodejem nebo sdílením dat z IoT ověřit, jestli nedošlo k jejich manipulaci. Blockchain a IoT společně eliminují datová sila a podporují vztah důvěryhodnosti, aby se data mohla ověřovat a sledovat a aby byla spolehlivá.
Kubernetes a IoT
Díky modelu nasazení bez výpadků pomáhá Kubernetes zajistit aktualizace projektů IoT v reálném čase bez dopadu na uživatele. Kubernetes se snadno a efektivně škáluje s využitím cloudových prostředků a poskytuje tak společnou platformu pro nasazení na hraničních zařízení.
Open source a IoT
Technologie open source zrychlují IoT a umožňují vývojářům používat u aplikací využívajících technologie IoT libovolné nástroje.
Kvantové výpočty a IoT
Značné množství dat generovaných zařízeními IoT je přirozeně vhodné pro využití schopnosti kvantových výpočtů provádět rychle náročné výpočty. Kvantová kryptografie navíc pomáhá přidat požadovanou další úroveň zabezpečení, které však v současné době stojí v cestě nízký výpočetní výkon většiny zařízení IoT.
Bezserverová architektura a IoT
Bezserverová architektura umožňuje vývojářům rychleji vyvíjet aplikace, protože díky ní nemusejí spravovat infrastrukturu. Při použití bezserverových aplikací poskytovatel cloudových služeb automaticky zřizuje, škáluje a spravuje infrastrukturu vyžadovanou ke spuštění kódu. Projekty IoT mají proměnlivý provoz a bezserverová architektura nabízí cenově výhodný způsob dynamického škálování.
Virtuální realita a IoT
Virtuální realita a IoT vám při společném použití můžou pomoct vizualizovat složité systémy a rozhodovat se v reálném čase. Například pomocí formy virtuální reality označované jako rozšířená realita (označovaná také jako hybridní reality) můžete zobrazit důležitá data IoT jako grafiku nad skutečnými objekty (například zařízeními IoT) nebo pracovními prostory. Tato kombinace virtuální reality a IoT inspirovala technologické pokroky v oborech, jako jsou zdravotnictví, služby u zákazníků, doprava nebo výroba.
Digital Twins a IoT
Testování vašich systémů před uvedením do provozu může představovat výraznou úsporu nákladů i času. Služba Digital Twins přebírá data z více zařízení IoT a integruje je s daty z jiných zdrojů, aby nabízela vizualizaci způsobu, jakým bude systém interagovat se zařízeními, lidmi a prostory.
Data a analýzy IoT
Technologie IoT generují tak velké objemy dat, že k transformaci dat na užitečné přehledy jsou potřeba specializované procesy a nástroje. Běžné aplikace využívající technologie IoT a výzvy:
Aplikace: Prediktivní údržba
Modely strojového učení IoT navržené a natrénované k identifikaci signálů v historických datech je možné použít k identifikaci stejných trendů v aktuálních datech. Uživatelé díky tomu můžou automatizovat žádosti o preventivní služby a objednávat nové součástky předem, aby byly v případě potřeby vždy k dispozici.
Aplikace: Rozhodování v reálném čase
K dispozici je celá řada analytických služeb IoT navržených tak, aby zajišťovaly komplexní generování sestav v reálném čase, včetně:
- Velkoobsvazkového úložiště dat pomocíformátů, na které se můžou analytické nástroje dotazovat.
- Velkoobjemového zpracování datových proudů umožňující filtrování a agregaci dat před provedením analýzy.
- Analýzy s nízkou latencí s využitím analytických nástrojů Dokumentace k analytickým nástrojům v reálném časev reálném čase které tvoří sestavy a vizualizaci dat.
- Příjmu dat v reálném čase pomocí zprostředkovatelů zpráv.
Výzva: Úložiště dat
Rozsáhlé shromažďování dat vede k potřebě velkého úložiště dat. K dispozici je několik služeb úložiště dat, které se liší v různých možnostech, jako jsou organizační struktury, ověřovací protokoly a limity velikosti.
Výzva: Zpracování dat
Objem dat shromažďovaných prostřednictvím IoT představuje výzvy v oblasti jejich čištění, zpracování a rychlé interpretace. hraniční architekturaVýpočty na hraničních zařízeních tyto problémy řeší přesunutím většiny zpracování dat z centralizovaného systému na hranici sítě blíže zařízením, která data potřebují. Decentralizace zpracování dat však představuje nové výzvy například v oblasti spolehlivosti a škálovatelnosti hraničních zařízení a zabezpečení přenášených dat.
Zabezpečení IoT, bezpečnost a ochrana osobních údajů
Klíčovými aspekty jakéhokoli projektu IoT jsou zabezpečení IoT a ochrana osobních údajů. Technologie IoT sice můžou transformovat vaše obchodní operace, ale zařízení IoT můžou představovat hrozbu, pokud nejsou dostatečně zabezpečená. Kybernetické útoky můžou ohrozit data, zničit zařízení a dokonce i někomu ublížit.
Silné kybernetické zabezpečení IoT, jako je Azure Sphere, přesahuje standardní opatření důvěrnosti, která zahrnují modelování hrozeb. Pochopení různých způsobů, jakými útočníci můžou ohrozit váš systém, je prvním krokem k prevenci útoků.
Při plánování a vývoji vašeho systému zabezpečení IoT je důležité zvolit správné řešení pro každý krok platformy a systému, od OT po IT. Softwarová řešení, jako je Azure Defender, poskytují potřebnou ochranu v celém daném systému.
Zdroje do začátku
Pořad o Internetu věcí
Udržujte si přehled o nejnovějších oznámeních Microsoftu týkajících se IoT, ukázkách produktů a funkcí, vybraných řešeních pro zákazníky a partnery, předních oborových rozhovorech a podrobných materiálech na technická témata.