IoT-tekniker och IoT-protokoll
Kom igång med IoT-teknik. Den här guiden ger dig en stark grund i IoT-protokoll och IoT-teknik så att du kan göra rätt val för ditt projekt.
En guide till IoT-tekniker och IoT-protokoll
Sakernas Internet inbegriper inbäddade system, trådlösa sensornätverk, kontrollsystem och automatisering som möjliggör anslutna fabriker för industriell tillverkning, intelligent återförsäljning, nästa generations hälso- och sjukvård, smarta hem och städer och kroppsnära teknik. Med IoT-tekniker kan du förändra din verksamhet i grunden med datadrivna insikter, optimerade operativa processer, nya verksamhetsområden och effektivare materialanvändning.
IoT-teknik fortsätter att expandera, med oräkneliga tjänstleverantörer, en mängd olika plattformar och miljontals nya enheter som utvecklas varje år. Allt detta innebär att utvecklare har många beslut att fatta innan man integrerar med IoT-ekosystemet.
Den här guiden beskriver vanliga IoT-protokoll, energiöverväganden och anslutningskrav. Om du vill ha en mer grundläggande introduktion till IoT-teknik kan du läsa guiderna Vad är IoT? och IoT-cybersäkerhet .
Ekosystemet för IoT-tekniken
Ekosystemet för IoT-tekniken består av följande lager: enheter, data, anslutningar och användare av tekniken.
Enhetslager
En kombination av sensorer, aktuatorer, maskinvara, programvara, anslutningar och gatewayer som tillsammans utgör en enhet som ansluter och interagerar med ett nätverk.
Datalager
Data som samlas in, bearbetas, skickas, lagras, analyseras, presenteras och används i affärssammanhang.
Affärslager
Affärsfunktionerna i IoT-teknik, inklusive hanteringen av fakturering och datamarknadsplatser.
Användarlager
De personer som interagerar med IoT-enheter och IoT-teknik.
Läs mer om hur du ansluter enheter på rätt sätt när du utvecklar med Azure IoT Hub.
IoT-teknikstacken, del 1:
IoT-enheter
Det finns stora variationer mellan olika IoT-enheter, men vanligtvis delar de dessa vanliga koncept och vokabulär. Du kan också läsa mer om varianter av enheter som använder IoT-teknik i den här IoT-enhetskatalogen.
Aktuatorer
Aktuatorer vidtar fysiska åtgärder när kontrollcentret ger instruktioner, vanligtvis som svar på ändringar som identifierats av sensorer. De är en typ av omvandlare.
Inbäddade system
Inbäddade system är mikroprocessorbaserade eller mikrostyrenhetsbaserade system som hanterar en viss funktion i ett större system. Båda innehåller maskinvaru- och programvarukomponenter som Azure RTOS.
Intelligenta enheter
Enheter som kan utföra beräkningar. De innefattar ofta en mikrostyrenhet, och de kan använda tjänster som Azure IoT Edge för att distribuera vissa arbetsbelastningar på bästa sätt mellan enheter.
Mikrostyrenhet (MCU)
Dessa små datorer är integrerade på mikrochip och innehåller processorer, RAM-minne och ROM. Även om de har alla element som behövs för att köra enkla uppgifter, är mikrostyrenheter mer begränsade än mikroprocessorer vad gäller kapacitet.
Mikroprocessorenhet (MPU)
Mikrostyrenheter utför funktionerna för processorer i en eller flera integrerade kretsar. Även om mikroprocessorer kräver kringutrustning för att utföra aktiviteter, minskar de bearbetningskostnaderna rejält eftersom de bara innehåller en processor.
Enheter som inte utför beräkningar
Enheter som endast kan ansluta och överföra data, men inte utföra beräkningar.
Omvandlare
Generellt kan man säga att omvandlare är enheter som omvandlar en form av energi till en annan. I relation till IoT-enheter handlar detta om de interna sensorer och aktuatorer som överför data när enheterna kommunicerar med sin miljö.
Sensorer
Sensorer identifierar ändringar i miljön och genererar elektriska signaler för kommunikation. Sensorer identifierar vanliga förändringar i miljön, t.ex. ändringar i temperatur, kemikalier och fysisk position, och är en typ av omvandlare.
IoT-teknikstacken, del 2:
IoT-protokoll och anslutningar
Anslutning av IoT-enheter
En viktig aspekt i planeringen av IoT-teknikprojekt är att bestämma enheternas IoT-protokoll, dvs. hur enheterna ska ansluta och kommunicera. I IoT-teknikstacken ansluter enheter antingen via gatewayer eller inbyggda funktioner.
Vad är IoT-gatewayer?
Gatewayer är en del av en IoT-teknik som kan användas för att ansluta IoT-enheter till molnet. Alla IoT-enheter behöver inte en gateway, men de kan användas till att upprätta kommunikation mellan olika enheter eller ansluta enheter som inte är IP-baserade och som inte kan ansluta direkt till molnet. Data som samlas in från IoT-enheter skickas genom en gateway, förbehandlas ”vid gränsen” och skickas sedan till molnet.
Det går att minska svarstiden och minska överföringsstorlekar med hjälp av IoT-gateways. Om du använder gateways som en del i dina IoT-protokoll kan du också ansluta enheter utan direkt Internetåtkomst, och de ger ett extra säkerhetslager genom att skydda data i båda riktningarna.
Hur gör jag för att ansluta IoT-enheter till nätverket?
Vilken typ av anslutning du ska använda som en del av ditt IoT-protokoll beror på enheten, dess funktion och dess användare. Normalt är det avstånd som data måste färdas över – en kortare eller längre sträcka – det som avgör vilken typ av IoT-anslutning som behövs.
Typer av IoT-nätverk
Energisnåla nätverk med kort räckvidd
Energisnåla nätverk med kort räckvidd passar bra för hem, kontor och andra begränsade miljöer. De behöver i regel bara små batterier och är vanligtvis billiga i drift.
Vanliga exempel:
Bluetooth
Bluetooth är bra vid snabb dataöverföring och skickar både röst- och datasignaler upp till 10 meter.
NFC
En uppsättning kommunikationsprotokoll för kommunikation mellan två elektroniska enheter på ett avstånd av 4 cm eller mindre. NFC erbjuder en låghastighetsanslutning med enkel konfiguration som kan användas för att starta trådlösa anslutningar med högre kapacitet.
Wi-Fi/802.11
Den låga kostnaden med Wi-Fi gör det till en standard i hem och på kontor. Men det kanske inte är det bästa valet för alla scenarier på grund av dess begränsade räckvidd och oavbrutna energiförbrukning.
Z-Wave
Ett mesh-nätverk som använder radiovågor med låg energiförbrukning för kommunikation mellan olika apparater.
Zigbee
En IEEE 802.15.4-baserad specifikation för en protokollsvit för kommunikation på hög nivå som används för att skapa personliga nätverk med små energisnåla digitala radioapparater.
LPWAN (Low-Power, Wide Area Network)
LPWAN möjliggör kommunikation över minst 500 meter, är mycket energisnåla och används för de flesta IoT-enheter. Vanliga exempel på LPWAN är:
4G LTE IoT
Eftersom dessa nätverk har hög kapacitet och korta svarstider är de ett bra val för IoT-scenarier som kräver information eller uppdateringar i realtid.
5G IoT
5G IoT-nätverk är inte tillgängliga än, men förväntas medföra nya innovationer inom IoT tack vare snabbare nedladdningshastigheter och anslutning till många fler enheter inom ett visst område.
Cat-0
Dessa LTE-baserade nätverk är alternativet med lägst kostnad. De lägger grunden för Cat-M, en teknik som kommer att ersätta 2G.
Cat-1
Den här standarden för mobilt IoT kommer på sikt att ersätta 3G. Cat-1-nätverk är enkla att konfigurera och är en bra lösning för program som kräver ett röst- eller webbläsargränssnitt.
LoRaWAN
LoRaWAN-nätverk (Long-Range Wide Area Network) ansluter mobila, säkra, dubbelriktade batteridrivna enheter.
LTE Cat-M1
Dessa nätverk är helt kompatibla med LTE-nätverk. De optimerar kostnaden och kapaciteten i andra generationens LTE-kretsar som utformats specifikt för IoT-program.
Narrowband eller NB-IoT/Cat-M2
NB-IoT/Cat-M2 använder DSSS-modulering (Direct Sequence Spread Spectrum) för att skicka data direkt till servern, vilket gör att ingen gateway behövs. NB-IoT-nätverk kostar mer att upprätta, men är billigare att köra eftersom ingen gateway behövs.
Sigfox
Den här globala IoT-nätverksprovidern erbjuder trådlösa nätverk för anslutning av energisnåla objekt som skickar kontinuerliga data.
IoT-protokoll: Så här kommunicerar IoT-enheter med nätverket
IoT-enheter kommunicerar med hjälp av IoT-protokoll. IP (Internet Protocol) är en uppsättning regler som avgör hur data skickas till Internet. IoT-protokoll ser till att information från en enhet eller sensor kan läsas och tolkas av en annan enhet, en gateway och en tjänst. Olika IoT-protokoll har utformats och optimerats för olika scenarier och användningsområden. Med tanke på de många olika IoT-enheter som finns är det viktigt att rätt protokoll används i rätt sammanhang.
Vilket IoT-protokoll är rätt för mig?
Vilken typ av IoT-protokoll du behöver beror på vilket lager i systemarkitekturen som data ska skickas i. OSI-modellen (Open Systems Interconnection) ger en karta över de olika lager som skickar och tar emot data. Varje IoT-protokoll i systemarkitekturen möjliggör ”enhet till enhet”-, ”enhet till gateway”-, ”gateway till datacenter”- eller ”gateway till moln”-kommunikation, samt kommunikation mellan datacenter.
Programlager
Programlagret fungerar som gränssnittet mellan användaren och enheten inom ett givet IoT-protokoll.
Advanced Message Queuing Protocol (AMQP)
Ett programvarulager som skapar interoperabilitet mellan mellanprogram för meddelandehantering. Det gör att en mängd olika system och program kan samarbeta, vilket ger standardiserad meddelandehantering i mycket hög skala.
CoAP (Constrained Application Protocol)
Ett protokoll för begränsad bandbredd och begränsade nätverk som gör att enheter med begränsad kapacitet kan delta i kommunikation mellan datorer. CoAP är också ett dokumentöverföringsprotokoll som körs via UDP (User Datagram Protocol).
DDS (Data Distribution Service)
Ett mångsidigt peer-to-peer-kommunikationsprogram som gör allt från att köra små enheter till att ansluta till nätverk med höga prestanda. DDS effektiviserar distributionen, ökar tillförlitligheten och minskar komplexiteten.
MQTT (Message Queue Telemetry Transport)
Ett meddelandeprotokoll som utformats för enkel kommunikation mellan datorer och som främst används för anslutningar med låg bandbredd till fjärranslutna platser. MQTT bygger på en ”utgivare-prenumerant”-modell och är idealiskt för små enheter som kräver effektiv bandbredd och batterianvändning.
Transportlager
I alla IoT-protokoll är det transportlagret som möjliggör och skyddar kommunikationen av data när de skickas mellan lager.
TCP (Transmission Control Protocol)
Det dominerande protokollet för de flesta Internetanslutningar. Det hanterar kommunikation mellan värdar och delar upp stora mängder data i enskilda paket och skickar om och monterar om paket om det behövs.
UDP (User Datagram Protocol)
Ett kommunikationsprotokoll som möjliggör kommunikation mellan processer och som körs ovanpå IP. UDP har högre dataöverföringshastighet än TCP och passar bäst för program som kräver förlustfri överföring av data.
Nätverkslager
Nätverkslagret för ett IoT-protokoll gör att enskilda enheter kan kommunicera med routern.
IP
Många IoT-protokoll använder IPv4 medan senare körningar använder IPv6. Den här nya uppdateringen av IP dirigerar trafik över Internet och identifierar och söker efter enheter i nätverket.
6LoWPAN
Det här IoT-protokollet fungerar bäst med energisnåla enheter som har begränsade bearbetningsfunktioner.
Datalänklager
Datalagret är den del av ett IoT-protokoll som överför data i systemarkitekturen och identifierar och korrigerar fel som påträffas i det fysiska lagret.
IEEE 802.15.4
En överföringsstandard för energisnål trådlös anslutning. Den används med ZigBee, 6LoWPAN och andra standarder för att skapa trådlösa inbäddade nätverk.
LPWAN
LPWAN (Low-Power, Wide Area Network) möjliggör kommunikation på 500 meters avstånd, och upp till 10 kilometers avstånd på vissa platser. LoRaWAN är ett exempel på LPWAN som är optimerat för låg energiförbrukning.
Fysiskt lager
Det fysiska lagret är kommunikationskanalen mellan enheter inom en viss miljö.
BLE (Bluetooth Low Energy)
BLE minskar energiförbrukningen och kostnaderna dramatiskt och har ungefär samma räckvidd som klassiska Bluetooth. BLE fungerar internt i mobila operativsystem och har snabbt blivit en favorit inom konsumentelektronik tack vare den låga kostnaden och långa batteritiden.
Ethernet
Den här trådbundna anslutningen är ett billigare alternativ som ger snabb dataanslutning och korta svarstider.
LTE (Long-Term Evolution)
En standard för trådlös bredbandskommunikation för mobila enheter och dataterminaler. LTE ökar kapaciteten och hastigheten i trådlösa nätverk och stöder multicast- och broadcast-strömmar.
NFC (Near Field Communication)
En uppsättning kommunikationsprotokoll som använder elektromagnetiska fält så att två enheter kan kommunicera när de är placerade inom fyra centimeter från varandra. NFC-aktiverade enheter fungerar som ID-nyckelkort och används ofta för kontaktlösa mobilbetalningar, biljetter och smartkort.
Elnätskommunikation (Power Line Communication, PLC)
En kommunikationsteknik som gör att du kan skicka och ta emot data via befintliga strömkablar. Det gör att du kan både ge IoT-enheten ström och styra den med samma kabel.
RFID (Radio Frequency Identification)
RFID använder elektromagnetiska fält för att spåra icke strömförande elektroniska taggar. Kompatibel maskinvara levererar ström och kommunicerar med taggarna genom att läsa informationen på dem för identifiering och autentisering.
Wi-Fi/802.11
Wi-Fi/802.11 är en standard i hem och på kontor. Även om det är ett billigt alternativ kanske det inte passar alla scenarier på grund av dess begränsade räckvidd och oavbrutna energiförbrukning.
Z-Wave
Ett mesh-nätverk som använder radiovågor med låg energiförbrukning för kommunikation mellan olika apparater.
Zigbee
En IEEE 802.15.4-baserad specifikation för en protokollsvit för kommunikation på hög nivå som används för att skapa personliga nätverk med små energisnåla digitala radioapparater.
IoT-teknikstacken, del 3:
IoT-plattformar
Med IoT-plattformar har du en enda tjänst som hanterar din distribution, dina enheter och dina data, så att du enkelt kan skapa och lansera dina IoT-projekt. IoT-plattformar hanterar maskinvaru- och programvaruprotokoll, erbjuder säkerhet och autentisering och tillhandahåller användargränssnitt.
Den exakta definitionen av en IoT-plattform varierar eftersom fler än 400 tjänstleverantörer erbjuder funktioner inom allt från program- och maskinvara till SDK:er och API:er. Men de allra flesta IoT-plattformarna inkluderar:
- En IoT-molngateway
- Autentisering, enhetshantering och API:er
- Molninfrastruktur
- Integrationer med tredjepartsappar
Hanterade tjänster
Med IoT-hanterade tjänster kan företag proaktivt hantera och underhålla sina IoT-ekosystem. Det finns en mängd olika IoT-hanterade tjänster, till exempel Azure IoT Hub, som kan effektivisera och underlätta utvecklingen, distributionen, hanteringen och övervakningen av ditt IoT-projekt.
IoT-tillämpningar för aktuella tekniker
AI och IoT
IoT-system samlar in enorma mängder data som ofta behövs för att använda AI eller maskininlärning för att sortera och analysera dessa data så att du kan identifiera mönster och vidta åtgärder baserat på de insikter du får. AI kan till exempel analysera data som samlas in från fabriksutrustning och förutsäga behovet av underhåll, vilket kan minska kostnaderna och avbrottstiden vid oväntade haverier.
Blockkedja och IoT
För närvarande finns det inget sätt att kontrollera att data från IoT inte har manipulerats innan de säljs eller delas. Blockkedjan och IoT arbetar tillsammans för att dela upp datasilor och skapa förtroende så att data kan verifieras, spåras och bli tillförlitliga.
Kubernetes och IoT
Med en distributionsmodell utan driftavbrott ser Kubernetes till att IoT-projekt hålls uppdaterade i realtid utan att användarna påverkas. Kubernetes skalas enkelt och effektivt med hjälp av molnresurser, vilket ger en gemensam plattform för distribution till gränsen.
Öppen källkod och IoT
Tekniker med öppen källkod påskyndar IoT och gör det möjligt för utvecklare att använda de verktyg som de föredrar med program för IoT-tekniker.
Kvantberäkning och IoT
Den stora mängden data som genereras av IoT lämpar sig naturligt för kvantberäkning och dess enorma databearbetningskapacitet. Kvantkryptografi medför dessutom ytterligare en säkerhetsnivå, som är nödvändig men som för närvarande hindras av den låga beräkningskraften hos de flesta IoT-enheter.
Serverlöst och IoT
Serverlös databehandling gör att utvecklare kan skapa program snabbare eftersom behovet av att hantera infrastruktur elimineras. Med serverlösa program utför molntjänstleverantören automatiskt etablering, skalning och hantering av den infrastruktur som krävs för att köra koden. Med den varierade trafiken i IoT-projekt är serverlös datahantering ett kostnadseffektivt sätt att skala dynamiskt.
Virtuell verklighet och IoT
När virtuell verklighet och IoT används tillsammans kan de hjälpa dig att visualisera komplexa system och fatta beslut i realtid. Med en form av virtuell verklighet som kallas förhöjd verklighet (även kallad mixad verklighet) kan du visa viktiga IoT-data som grafer på verkliga föremål (till exempel dina IoT-enheter) eller arbetsytor. Kombinationen av virtuell verklighet och IoT har inspirerat till tekniska framsteg inom hälsovård, fältservice, transport, tillverkning och andra branscher.
Digital Twins och IoT
Du kan tjäna mycket tid och pengar på att testa dina system innan du kör dem. Digital Twins tar data från flera IoT-enheter och integrerar dem med data från andra källor för att ge en visualisering av hur systemet kommer att interagera med enheter, personer och utrymmen.
IoT-stordata och analys
IoT-tekniker producerar sådana enorma mängder data att det krävs särskilda processer och verktyg för att omvandla data till användbara insikter. Vanliga tillämpningsområden och uppgifter för IoT-teknik:
Tillämpning: Förebyggande underhåll
IoT-maskininlärningsmodeller som utformats och tränats att identifiera signaler i historiska data kan användas för att identifiera samma trender i aktuella data. Detta gör det enkelt för användarna att förutse kommande serviceförfrågningar och beställa reservdelar i god tid så att de alltid är tillgängliga när de behövs.
Tillämpning: Beslut i realtid
Det finns en mängd olika IoT-analystjänster för rapportering i realtid från slutpunkt till slutpunkt, inklusive:
- Lagring av stora mängder data i format som analysverktyg kan köra frågor mot.
- Bearbetning av stora mängder dataströmmar för att filtrera och samla data innan en analys körs.
- Analyser med korta svarstide med hjälp av verktyg för realtidsanalys som rapporterar och visualiserar data.
- Datahantering i realtid med hjälp av meddelandekoordinatorer.
Uppgift: Datalagring
Stor datainsamling leder till stora datalagringsbehov. Flera datalagringstjänster är tillgängliga med olika funktioner såsom organisationsstrukturer, autentiseringsprotokoll och storleksgränser.
Uppgift: Databearbetning
Den enorma mängden data som samlas in via IoT innebär utmatningar när det gäller att rensa, bearbeta och tolka data i hög hastighet. Gränsberäkning är ett sätt att hantera dessa utmaningar genom att flytta merparten av databearbetningen från ett centraliserat system till nätverksgränsen, närmare de enheter som behöver data. Decentraliserad databearbetning medför dock nya utmaningar, t.ex. i fråga om gränsenheternas tillförlitlighet och skalbarhet och säkerheten hos data som överförs.
IoT – säkerhet, skydd och sekretess
Säkerheten och integriteten med IoT är viktiga aspekter att ha i åtanke i alla IoT-projekt. Även om IoT-teknik kan omvandla dina affärsaktiviteter kan IoT-enheter utgöra hot om de inte är skyddade på rätt sätt. Cyberattacker kan kompromettera data, göra utrustning obrukbar och orsaka skada.
Stark IoT-cybersäkerhet, till exempel Azure Sphere, kräver mer än de vanliga sekretessåtgärderna och inbegriper även hotmodellering. Att förstå på vilka olika sätt angripare kan kompromettera systemet är det första steget mot att förhindra attacker.
När du planerar och utvecklar IoT-säkerhetssystem är det viktigt att du väljer rätt lösning för varje steg i plattformen och systemet, från OT till IT. Programvarulösningar som Azure Defenderger dig det skydd du behöver i ditt system.
Resurser för att komma igång
Blogg om Sakernas Internet
Håll dig uppdaterad med de senaste Microsoft IoT-nyheterna, produkt- och funktionsdemonstrationer, kund- och partnerpresentationer, branschföreläsningar och tekniska djupdykningar.