IoT-teknologi og -protokoller
Kom i gang med teknologien og verdenen av Tingenes Internett. Denne veiledningen gir deg et solid grunnlag i IoT-protokoller og -teknologi, slik at du kan ta de rette valgene for prosjektet ditt.
En veiledning i IoT-teknologi og -protokoller
Tingenes Internett er en konvergens av innebygde systemer, trådløse sensornettverk, kontrollsystemer og automatisering som gjør tilkoblede fabrikker for industriell produksjon, intelligent detaljhandel, neste generasjons helsetjenester, smarte hjem og byer og bærbare enheter mulig. IoT-teknologi gir deg muligheten til å forvandle bedriften din med datadreven innsikt, forbedrede driftsprosesser, nye bransjer og mer effektiv bruk av materiale.
Tingenes Internett-teknologien utvides stadig, med utallige tjenesteleverandører, en rekke plattformer og millioner av nye enheter som dukker opp hvert år. Dette gir utviklere mange beslutninger de må ta før de går inn i Tingenes Internett-økosystemet.
Denne veiledningen skal hjelpe deg med å forstå vanlige IoT-protokoller og krav til kapasitet og tilkobling. Hvis du ønsker en mer grunnleggende innføring i IoT-teknologi, kan du ta en titt på Hva er IoT? og nettveiledninger for IoT-nettsikkerhet .
Økosystemet for IoT-teknologi
IoT-teknologiøkosystemet består av følgende lag: enheter, data, tilkobling og teknologibrukere.
Enhetslag
Kombinasjonen av sensorer, aktuatorer, maskinvare, programvare, tilkobling og gatewayer som utgjør en enhet som kobles til og samhandler med et nettverk.
Datalag
Dataene som er samlet inn, behandlet, sendt, lagret, analysert, presentert og brukt i forretningssammenheng.
Forretningslag
Forretningsfunksjonene til IoT-teknologi, inkludert administrasjon av fakturerings- og datamarkedsplasser.
Brukerlag
Menneskene som kommuniserer med Tingenes Internett-enheter og teknologier.
Finne ut mer om hvordan du kobler til enheter riktig når du bygger med Azure IoT Hub.
IoT-teknologistakken, del 1:
IoT-enheter
Tingenes Internett-enheter varierer mye, men har en tendens til å dele disse vanlige konseptene og vokabularet. Du kan også finne ut mer om variantene av enheter som bruker IoT-teknologi i denne IoT-enhetskatalogen.
Aktuatorer
Aktuatorer utfører fysiske handlinger når deres kontrollsentral gir instruksjoner, vanligvis som respons på endringer som er identifisert av sensorer. De er en type transdusere.
Innebygde systemer
Innebygde systemer er mikroprosessorbaserte eller mikrocontrollerbaserte systemer som administrerer en bestemt funksjon i et større system. De inkluderer både maskinvare- og programvarekomponenter som Azure RTOS.
Intelligente enheter
Enheter som har muligheten til databehandling. De inkluderer ofte en mikrokontroller og kan bruke tjenester som Azure IoT EdgeAzure IoT Edge for best å distribuere bestemte arbeidsbelastninger på tvers av enheter.
Mikrokontrollerenhet (MCU)
Disse små datamaskinene er innebygd på mikrobrikker og inneholder CPU-er, RAM og ROM. Selv om de inneholder elementer som kreves for å utføre enkle oppgaver, har mikrokontrollere mer begrenset kapasitet enn mikroprosessorer.
Mikroprosessorenhet (MPU)
MPU-er utfører funksjonene til CPU-er på enkle- eller flere integrerte kretser. Selv om mikroprosessorer krever eksterne enheter for å fullføre oppgaver, reduserer de behandlingskostnader betydelig, fordi de bare inneholder en CPU.
Enheter som ikke støtter databehandling
Enheter som bare kobler til og overfører data og ikke har muligheten til databehandling.
Transdusere
Generelt sett er transdusere enheter som konverterer en form for energi til en annen. I Tingenes Internett-enheter inkluderer dette interne sensorer og aktuatorer som overfører data når enhetene engasjerer seg i miljøet.
Sensorer
Sensorer oppdager endringer i omgivelsene og skaper elektriske impulser for å kommunisere. Sensorer oppdager vanligvis miljøendringer som endringer i temperatur, kjemikalier og fysisk posisjon, og er en type transduser.
IoT-teknologistakken, del 2:
IoT-protokoller og -tilkobling
Tilkobling av IoT-enheter
Et viktig aspekt ved planlegging av et Tingenes Internett-teknologiprosjekt er å fastsette enhetenes Tingenes Internett-protokoller – med andre ord hvordan enhetene kobles og kommuniserer. I IoT-teknologistakken kobles enhetene til enten gjennom gatewayer eller innebygd funksjonalitet.
Hva er IoT-gatewayer?
Gatewayer er en del av Tingenes Internett-teknologien som kan brukes til å koble Tingenes Internett-enheter til skyen. Selv om ikke alle IoT-enheter krever en gateway, kan de brukes til å etablere enhet-til-enhet-kommunikasjon, eller til å koble enheter som ikke er IP-baserte og ikke kan koble direkte til skyen. Data som samles inn fra IoT-enheter, flyttes gjennom en gateway, forhåndsbehandles på kanten, og blir deretter sendt til skyen.
Bruk av IoT-gatewayer kan redusere ventetiden og redusere overføringsstørrelsene. Å ha gatewayer som en del av Tingenes Internett-protokollene lar deg også koble til enheter uten direkte Internett-tilgang og gi et ekstra sikkerhetslag ved å beskytte data som beveger seg i begge retninger.
Hvordan kobler jeg IoT-enheter til nettverket?
Hvilken type tilkobling du bruker som en del av Tingenes Internett-protokollen din, avhenger av enheten, dens funksjon og brukerne. Det som bestemmer hva slags IoT-tilkobling som kreves, er vanligvis hvor langt dataene må reise – enten kort eller langt.
IoT-nettverkstyper
Nettverk med kort rekkevidde og lavt strømforbruk
Nettverk med kort rekkevidde og lavt strømforbruk er godt egnet for hjem, kontorer og andre små miljøer. De trenger bare små batterier og er vanligvis rimelige å bruke.
Vanlige eksempler:
Bluetooth
Bluetooth sender både tale- og datasignaler i opptil 10 meter og egner seg til dataoverføring med høy hastighet.
NFC
Et sett med kommunikasjonsprotokoller for kommunikasjon mellom to elektroniske enheter over en avstand på 4 cm eller mindre. NFC gir en lavhastighetsforbindelse med enkelt oppsett som kan brukes til å starte mer kompatible trådløse tilkoblinger.
Wi-Fi/802.11
Den lave kostnaden av Wi-Fi gjør det til standard i hjem og på kontorer. Det er imidlertid ikke det riktige valget for alle scenarioer på grunn av det begrensede området og energiforbruket døgnet rundt.
Z-Wave
Et maskenettverk som bruker radioenergi med lav energi for å kommunisere fra apparat til apparat.
Zigbee
En IEEE 802.15.4-basert spesifikasjon for en rekke kommunikasjonsprotokoller på høyt nivå som brukes til å lage personlige nettverk med små, digitale radioer som er drevne av lite strøm.
Nettverk med stort område og lavt strømforbruk (LPWAN)
LPWAN-er muliggjør kommunikasjon over minimum 500 meter, krever minimal strøm og brukes til de fleste Tingenes Internett-enheter. Vanlige eksempler på LPWAN-er, er:
4G LTE IoT
Disse nettverkene, med høy kapasitet og lav latens, er et godt valg for Tingenes Internett-scenarioer som krever sanntidsinformasjon eller oppdateringer.
5G IoT
Selv om det ikke ennå er tilgjengelig, forventes det at 5G IoT-nettverk kommer til å gjøre det mulig med mer nyskapning i IoT, på grunn av en mye raskere nedlastingshastighet og tilkobling til mange flere enheter i et gitt område.
Cat-0
Disse LTE-baserte nettverkene er det rimeligste alternativet. De legger grunnlaget for Cat-M, en teknologi som vil erstatte 2G.
Cat-1
Denne standarden for mobil IoT vil etter hvert erstatte 3G. Cat-1-nettverk er enkle å konfigurere og tilbyr en fantastisk løsning for programmer som krever et stemme- eller nettlesergrensesnitt.
LoRaWAN
LoRaWANs kobler mobile, sikre, toveis batteridrevne enheter.
LTE Cat-M1
Disse nettverkene er fullstendig kompatible med LTE-nettverk. De optimaliserer kostnader og kraft i en andregenerasjon av LTE-brikker som er utviklet spesielt for IoT-programmer.
Smalbånd eller NB-IoT/Cat-M2
NB-IoT/Cat-M2 bruker DSSS-modulering med direkte spredningsspektrum (DSSS) for å sende data direkte til serveren, noe som eliminerer behovet for en gateway. Selv om det er dyrere å konfigurere NB-IoT-nettverk, er de billigere å kjøre, siden de ikke krever en gateway.
Sigfox
Denne globale Tingenes Internett-nettverksleverandørene tilbyr trådløse nettverk for å koble til objekter med lavt strømforbruk som kontinuerlig avgir data.
IoT-protokoller: Slik kommuniserer IoT-enheter med nettverket
IoT-enheter kommuniserer ved hjelp av IoT-protokoller. Internet Protocol (IP) er et sett med regler som dikterer hvordan data sendes til Internett. Tingenes Internett-protokoller sørger for at informasjon fra en enhet eller sensor leses og forstås av en annen enhet, en gateway, en tjeneste. Ulike Tingenes Internett-protokoller er designet og optimalisert for forskjellige scenarioer og bruk. Hvis du har en rekke ulike IoT-enheter tilgjengelig, er det viktig å bruke den riktige protokollen i den rette konteksten.
Hvilken IoT-protokoll er riktig for meg?
Hvilken type IoT-protokoll du trenger, avhenger av systemarkitekturlaget som dataene skal reise i. Dokumentasjonen for OSI-modellen (Open Systems Interconnection) OSI-modellen (Open Systems Interconnection) gir et kart over de ulike lagene som sender og mottar data. Hver IoT protokoll i IoT-systemarkitekturen muliggjør enhet-til-enhet-, enhet-til-gateway-, gateway-til-datasenter- eller gateway-til-sky-kommunikasjon i tillegg til kommunikasjon mellom datasentre.
Programlag
Programvarelaget fungerer som grensesnittet mellom brukeren og enheten innenfor en gitt Tingenes Internett-protokoll.
AMQP (Advanced Message Queuing Protocol)
Et programvarelag som oppretter interoperabilitet mellom meldingsmellomvare. Det hjelper en rekke systemer og programmer med å jobbe sammen, noe som skaper standardiserte meldinger i stor skala.
Constrained Application Protocol (CoAP)
En protokoll med begrenset båndbredde og begrenset nettverk som er utviklet for enheter med begrenset kapasitet til tilkobling i maskin-til-maskin-kommunikasjon. CoAP er også en dokumentoverføringsprotokoll som kjører over UDP (User Datagram Protocol).
Data Distribution Service (DDS)
En allsidig node-til-node-kommunikasjonsprotokoll som gjør alt fra å kjøre små enheter til å koble til nettverk med høy ytelse. DDS effektiviserer distribusjonen, øker påliteligheten og reduserer kompleksiteten.
Message Queue Telemetry Transport (MQTT)
En meldingsprotokoll utviklet for lett maskin-til-maskin-kommunikasjon som hovedsakelig brukes til tilkoblinger med lav båndbredde til eksterne plasseringer. MQTT bruker et utgiver-abonnent-mønster og er ideell for små enheter som krever effektiv båndbredde og batteribruk.
Transportlag
I en hvilken som helst Tingenes Internett-protokoll muliggjør og beskytter transportlaget kommunikasjonen av dataene mens de beveger seg mellom lagene.
Transmission Control Protocol (TCP)
Den dominerende protokollen for de fleste Internett-tilkoblinger. Den tilbyr vertsbasert kommunikasjon, deler store datasett i individuelle pakker og sender og setter sammen pakkene på nytt etter behov.
User Datagram Protocol (UDP)
En kommunikasjonsprotokoll som muliggjør prosess-til-prosess-kommunikasjon og kjører i tillegg til IP. UDP forbedrer dataoverføringspriser over TCP og passer best for programmer som krever dataoverføringer uten datatap.
Nettverkslag
Nettverkslaget til en Tingenes Internett-protokoll hjelper individuelle enheter med å kommunisere med ruteren.
IP
Mange Tingenes Internett-protokoller bruker IPv4, mens nyere utførelser bruker IPv6. Denne nylige oppdateringen av IP ruter trafikk over Internett og identifiserer og finner enheter på nettverket.
6LoWPAN
Denne Tingenes Internett-protokollen fungerer best med enheter med lav effekt som har begrenset prosesseringsevne.
Datakoblingslag
Datalaget er den delen av en Tingenes Internett-protokollen som overfører data innenfor systemarkitekturen, og identifiserer og korrigerer feil som er funnet i det fysiske laget.
IEEE 802.15.4
En radiostandard for trådløs tilkobling med lavt strømforbruk. Den brukes med ZigBee, 6LoWPAN og andre standarder til å bygge trådløse, innebygde nettverk.
LPWAN
LPWAN-nettverk gir kommunikasjon over distanser på 500 meter til over 10 km noen steder. LoRaWAN er et eksempel på LPWAN som er optimalisert for lavt strømforbruk.
Fysisk lag
Det fysiske laget er kommunikasjonskanalen mellom enheter i et spesifikt miljø.
Bluetooth Low Energy (BLE)
BLE reduserer strømforbruket og kostnadene dramatisk og opprettholder et lignende tilkoblingsområde som klassisk Bluetooth. BLE fungerer opprinnelig på tvers av mobile operativsystemer og har raskt blitt en favoritt for forbrukerelektronikk på grunn av den lave kostnaden og lange batterilevetiden.
Ethernet
Denne kabelbaserte tilkoblingen er et rimelig alternativ som gir rask datatilkobling og kort ventetid.
Long-term evolution (LTE)
En standard for trådløs bredbåndskommunikasjon for mobilenheter og dataterminaler. LTE øker kapasiteten og hastigheten til trådløse nettverk og støtter multikasting- og kringkastingstrømming.
Nærfeltskommunikasjon (NFC)
Et sett med kommunikasjonsprotokoller som bruker elektromagnetiske felter som gir to enheter mulighet til å kommunisere innenfra fire centimeter av hverandre. NFC-aktiverte enheter fungerer som identitetsnøkkelkort og brukes vanligvis til kontaktløse mobilbetalinger, billetter og smartkort.
Power Line Communication (PLC)
En kommunikasjonsteknologi som muliggjør sending og mottak av data over eksisterende strømkabler. Dette lar deg både drive og kontrollere en Tingenes Internett-enhet gjennom den samme kabelen.
Radiofrekvensidentifikasjon (RFID)
RFID bruker elektromagnetiske felt for å spore ellers ikke-drevne elektroniske merker. Kompatibel maskinvare leverer strøm og kommuniserer med disse enhetene for å lese informasjonen for identifikasjon og godkjenning.
Wi-Fi/802.11
Wi-Fi/802.11 er standard i private hjem og på kontorer. Selv om det er et rimelig alternativ, kan det hende at det ikke passer for alle scenarioer på grunn av det begrensede området og energiforbruket døgnet rundt.
Z-Wave
Et maskenettverk som bruker radioenergi med lav energi for å kommunisere fra apparat til apparat.
Zigbee
En IEEE 802.15.4-basert spesifikasjon for en rekke kommunikasjonsprotokoller på høyt nivå som brukes til å lage personlige nettverk med små, digitale radioer som er drevne av lite strøm.
IoT-teknologistakken, del 3:
IoT-plattformer
IoT-plattformer gjør det enkelt å utvikle og starte IoT-prosjektene dine ved å tilby én enkelt tjeneste som administrerer distribusjon, enheter og data. IoT-plattformer administrerer maskinvare- og programvareprotokoller, tilbyr sikkerhet og godkjenning og leverer brukergrensesnitt.
Den nøyaktige definisjonen av en IoT-plattform varierer, fordi mer enn 400 tjenesteleverandører tilbyr funksjoner fra programvare og maskinvare til SDK-er og API-er. De fleste IoT-plattformene inkluderer imidlertid:
- En IoT-skygateway
- Godkjenning, enhetsbehandling og API-er
- Skyinfrastruktur
- Integrasjon av tredjepartsapper
Administrerte tjenester
IoT-administrerte tjenester gir bedrifter hjelp med proaktiv drift og vedlikehold av IoT-økosystemet. En rekke IoT-administrerte tjenester, som Azure IoT Hub, er tilgjengelige for å strømlinjeforme og støtte prosessen med å bygge, rulle ut, administrere og overvåke IoT-prosjektet ditt.
Tingenes Internett-programmer av dagens teknologi
AI og IoT
IoT-systemer samler så store datamengder at det ofte er nødvendig å bruke AI og maskinlæring til å sortere og analysere dataene, slik at du kan oppdage mønstre og få innsikt som du kan handle etter. AI kan for eksempel analysere data som samles inn fra produksjonsutstyr, og forutse behovet for vedlikehold, slik at kostnader og nedetid fra uventede sammenbrudd reduseres.
Blokkjede og IoT
For øyeblikket er det ikke mulig å bekrefte at dataene fra IoT ikke er manipulert før de blir solgt eller delt. Blokkjeden og IoT samarbeider om å sortere datasiloer og fremme klarering, slik at data kan verifiseres, spores og være til å stole på.
Kubernetes og IoT
Distribusjonsmodellen med null nedetid i Kubernetes kan hjelpe IoT-prosjekter med å holde seg oppdatert i sanntid uten at brukerne påvirkes. Kubernetes skaleres enkelt og effektivt ved hjelp av skyressurser, noe som gir en felles plattform for distribusjon til kanten.
Åpen kilde og IoT
Åpen kilde-teknologi får fart på IoT, noe som gir utviklere muligheten til å bruke verktøyene de ønsker, på programmer med IoT-teknologi.
Kvantumdatabehandling og IoT
Den betydelige mengden data som genereres av IoT, egner seg til kvantumdatabehandlingens evne til å foreta tunge utregninger raskt. I tillegg bidrar kvantumkryptografi til å legge til et lag av sikkerhet som er nødvendig, men som for øyeblikket hindres av den lave databehandlingskraften i de fleste IoT-enheter.
Serverløs og IoT
Ved bruk av serverløs databehandling kan utviklere bygge programmer raskere ved å eliminere behovet for å administrere infrastrukturen. Med serverløse programmer kan skytjenesteleverandøren automatisk klargjøre, skalere og administrere infrastrukturen som krever for å kjøre koden. Med Tingenes Internett-prosjekters variable trafikk, gir det en serverløs og kostnadseffektiv måte å skalere dynamisk på.
Virtuell virkelighet og IoT
Brukt sammen kan virtuell virkelighet og Tingenes Internett hjelpe deg med å visualisere komplekse systemer og ta beslutninger i sanntid. Hvis du for eksempel bruker en form for virtuell virkelighet kalt utvidet virkelighet (også kjent som blandet virkelighet), kan du vise viktige IoT-data som grafikk på toppen av virkelige objekter (for eksempel IoT-enheter) eller arbeidsområder. Denne kombinasjonen av virtuell virkelighet og Tingenes Internett har inspirert til teknologiske fremskritt i bransjer som helsetjenester, feltservice, transport og produksjon.
Digital Twins og IoT
Å teste systemene dine før kjøring kan være et dramatisk kostnads- og tidsbesparende tiltak. Digital Twins tar data fra flere Tingenes Internett-enheter og integrerer dem med data fra andre kilder for å tilby en visualisering av hvordan systemet vil samhandle med enheter, mennesker og rom.
IoT-data og -analyse
IoT-teknologier produserer så store mengder data at det er nødvendig med spesialiserte prosesser og verktøy for å gjøre dataene om til innsikt du kan handle etter. Vanlige bruksområder og utfordringer for Tingenes Internett-teknologi:
Program: Prediktivt vedlikehold
IoT-maskinlæringsmodeller som er utformet for og opplært til å identifisere signaler i historiske data, kan brukes til å identifisere de samme trendene i gjeldende data. Dette betyr at brukere kan automatisere forebyggende tjenesteforespørsler og bestille nye deler på forhånd, slik at de alltid er tilgjengelige ved behov.
Program: Beslutninger i sanntid
En rekke IoT-analysetjenester er tilgjengelige, utformet for ende-til-ende sanntidsrapportering, inkludert:
- Lagring av store datamengder ved hjelp av formater som analyseverktøy kan spørre.
- Behandling av store datastrømmer for å filtrere og aggregere data før analysen utføres.
- Analysebehandling med kort ventetid ved å bruke analyseverktøy i sanntid som rapporterer og visualiserer data.
- Dataregistrering i sanntid ved hjelp av meldingsmeglere.
Utfordring: Datalagring
Store datasamlinger fører til store datalagringsbehov. Flere datalagertjenester er tilgjengelige, varierende i funksjoner som organisasjonsstrukturer, godkjenningsprotokoller og størrelsesgrenser.
Utfordring: Databehandling
På grunn av datamengdene som samles gjennom IoT, kan det være en utfordring å rydde, behandle og tolke raskt. Databehandling på kantenDatabehandling på kanten løser disse utfordringene ved å flytte mesteparten av databehandlingen fra et sentralisert system til kanten av nettverket, nærmere enhetene som trenger dataene. Desentralisert databehandling introduserer imidlertid nye utfordringer, blant annet påliteligheten og skalerbarheten til kantenheter og sikkerheten til dataene i transitt.
Sikkerhet, trygghet og personvern for tingenes internett
Sikkerhet og personvern i IoT er viktige vurderinger i ethvert IoT-prosjekt. Selv om Tingenes Internett-teknologien kan transformere forretningsdriften din, kan Tingenes Internett-enheter utgjøre trusler hvis de ikke er ordentlig sikret. Cyberangrep kan ødelegge data og utstyr og til og med forårsake skade.
Sterk IoT-cybersikkerhet, for eksempel Azure Sphere, strekker seg utover standard konfidensialitetstiltak for å inkludere trusselmodellering. Første skritt mot å forhindre angrep er å forstå de forskjellige måtene som systemet ditt kan angripes på.
Når du planlegger og utvikler ditt sikkerhetssystem for Tingenes Internett, er det viktig å velge riktig løsning for hvert trinn på plattformen og systemet ditt, fra OT til IT. Programvareløsninger som Azure Defender, gir deg beskyttelsen du trenger i hele systemet.
Ressurser for å komme i gang
Program om Tingenes Internett
Hold deg oppdatert med de nyeste Microsoft IoT-kunngjøringene, demonstrasjoner av produkter og funksjoner, søkelys på kunder og partnere, viktige bransjeforedrag og tekniske dypdykk.