IoT-systemarkitektur

Internet of Things forbinder den fysiske verden med dataservere i den digitale verden, og præsenterer indsigt for brugeren. En simpel model til at illustrere logikken er vist nedenfor:

Den fysiske ting kan opholde sig hvor som helst som en fast enhed – f.eks. fabriksmaskiner – eller en bevægelig genstand – f.eks. kølebeholdere. Sensorer registrerer en fysisk egenskab på den fysiske ting, såsom temperatur eller mekanisk placering af et stykke bevægeligt maskineri. Aktuatorer betjener tingen, og handler på digitale kontrolkommandoer for at åbne, dreje, køle, flytte osv. Ofte er lag 1 & 2 integreret og kører et autonomt lukket kredsløbskontrolsystem, for eksempel ved at styre servomekanismer eller opretholde den indstillede temperatur, ved at betjene en varmtvandsventil.

Data indsamlet af sensorer og kontrolkommandoer fra den digitale tjeneste sendes og modtages gennem forbindelseslaget, som vælges til at dække transmissionens fysiske afstand og den nødvendige båndbredde til formålet. Forbindelse kan opdeles i f.eks. lokal trådløs forbindelse på webstedet, og derefter bruge offentligt internet til at oprette forbindelse til serverne i den digitale verden.

Installationen i den fysiske verden kaldes også Edge.

I den digitale verden, Cloud, lagres og normaliseres data for at forbedre digitale råformater med informative metadata og supplerende oplysninger såsom tidsstempel, placeringskode, samplingsfrekvens osv. Hostet på et centralt computersystem. “Cloud” er blot endnu et udtryk for en meget skalérbar serverfarm, men ordet indikerer en abstraktion af mindre bekymring for hvor behandlingen udføres, så længe slutbrugeren oplever det ønskede output på en dedikeret pc, tablet eller mobilterminal.

Analytics modellerer data ved hjælp af almindelige statistikværktøjer såsom trendlinjer, gennemsnit, varians yderligere forbedret ved at anvende korrelations- og regressionsalgoritmer – alt sammen med det formål at lære mønstre og senere sammenligne dem på tværs af datasæt. Forskellige træningsmetoder til forudsigelse anvendes, indtil modellen opnår et ønsket niveau af nøjagtighed på træningsdataene.

Den digitale tjeneste præsenterer data som direkte aflæsninger – tidslinjer, målere, varmekort osv. – samt visualiserer de mønstre, der læres under analysen. Dette kan præsenteres som store displaydashboards eller sendes til en håndholdt enhed til direkte kunde- eller operatørinteraktion.

En fabrikskvalitetsoperatør kan nu fra et instrumentbræt se et farvekort over komponenter, der indikerer den risiko, der snart indtræffer, baseret på deres produktionshistorie sammenlignet med mange års erfaring, som maskinleverandøren har samlet fra lignende dele over en verdensomspændende installationsbase.

Afsnittene nedenfor eksemplificerer yderligere eller uddyber visse egenskaber, der skal tages i betragtning for hvert lag:

Fysiske ting

Enheden eller apparatet med fysisk tilstedeværelse: Elektrisk transportbånd, hydraulisk positionsservo, automatisk dør, afløbspumpe, blodtryksmåler. Det er den enhed, der skal måles eller kontrolleres.

Sensorer/aktuatorer

Sensorer udsender et elektrisk signal som en aflæsning af position, temperatur, GPS-modul, kraftdissipation, tryk, vibration, lyd osv.

Aktuatorer bruger energi til at flytte eller aktivere luftventiler, hydraulik, elektriske motoraksler, servomekanismer, afløbspumper, vibratorer osv.

Energimangel

Sensorer på fjerntliggende steder kan være begrænset af meget lav effekt, der er tilgængelig på målepunktet. På ethvert tidspunkt undersøges nye måder at minimere vedligeholdelse af installerede enheder inklusiv udskiftning af batterier, hvilket har ført til fremkomsten af avancerede energihøstningsprincipper: Et piezo-element, der genererer strøm fra klemning, kan fange minimale bevægelser for at generere strøm til en sensor og sender; en sensor på en enhed med en tydelig temperaturforskel kan høste energi via Peltier-effekten. Endnu andre enheder stræber efter at indsamle solenergi til et forseglet batteri, der ikke skal udskiftes før om 10 år.

IoT-relevante komponenter med priserosion

Visse komponenter er tilbøjelige til en dramatisk volumenforøgelse på markedet, da andre domæner opfanger funktionaliteten, der udløser umiddelbar mangel og derefter en hård konkurrence, der fører til kraftig priserosion. Matrixen af sensorer, der er implementeret i smartphones såsom accelerometre, digitalt kompas, GPS-modtager, medium- og high-definition kamera, lyssensorer, mikrofoner osv., giver en rig kilde til muligheder for grænseflade til industri- eller kundeudstyr til ethvert andet formål.

Når først en sensor er blevet almindelig inden for smartphone-domænet (forsendelsesmærket på 1 milliard LTE-smartphone blev overgået i 2016), er en komponent som et accelerometer tilgængelig til ca. 0,50 USD – i 1980’erne var omkostningerne over 500 USD pr. stk.

Dataindsamling

Dataindsamling etablerer en buffer mellem målingerne fra sensorer og den forbindelse, der bruges til at videresende dataene. Båndbredden er muligvis ikke den samme, eller andre data kan være samlet inden videresendelse. Yderligere kan dataindsamlingspunktet udføre indledende beregninger eller kontrol af de tilknyttede data og aktuatorer.

Eksperimenterende enheder

Til eksperimentering og forretningsverifikationsformål er der en række generelle modulære enheder tilgængelige, der forbinder via standardgrænseflader til sensorer og udfører datahåndtering/transmission. Dette forenkler forbindelsen til eksterne sensorer og et valg af trådløs forbindelse. Et intuitivt softwaremiljø (SDK) understøtter hurtig eksperimentering og fjernopdatering distribueret til enheder på stedet eller i et laboratorium.

En smule ”nørdet” eksperimentel tilgang er at erhverve et enkeltstående computerkort, f.eks. C.H.I.P. (9 USD) Raspberry Pi Zero (fra 5 USD). Som kernen i en lang række opfindelser baseret på Linux, Windows-10 eller andre COTS-operativsystemer er økosystemet omfattende, men skrøbeligt og beregnet til fortsat udforskning for at få fordel af allerede offentlige drivere osv.

Kontrol loop

Uanset hvor pålidelig og hurtig forbindelsen ville være på et 4G / LTE-netværk, ville styringen af ​​et atomkraftværk aldrig blive styret via en fjernforbindelse – konsekvenserne, hvis de blev afbrudt, ville være fatale.

Der kræves meget korte responstider til styring af tidskritiske systemer som automatiserede lukkede sløjfer, der regulerer og afbalancerer undersystemer, f.eks. aktualitet af et fabriks transportbånds hastighed til at synkronisere med andre procestrin.

Overordnet kontrol af systemet – som f.eks. ændring af referencetemperaturindstillingspunktet – er uafhængig af nøjagtig rettidighed og kan ske på afstand på operatørens instrumentbræt eller en knap for at kontrollere processen.

Den ydre overvågningssløjfe er ikke direkte involveret i at kontrollere, men overvåger og reagerer på observationer over tid, f.eks. overvågning af gennemsnit og varians af temperaturstabilitet, sammenligning på tværs af alle temperatursensorer; benchmarking af energiforbrug med indendørs komfort på tværs af etager eller bygninger og efterfølgende fra bedste praksis foreslår korrigerende handlinger på systemkontrollen.

Forbindelse (digital infrastruktur)

Dedikerede datatransmissionsprotokoller er udviklet og optimeret med det formål at minimere energiforbruget og kun transmittere et minimum af information i netværk, hvor enheder kan gå i dvaletilstand og vågne op, når det er nødvendigt.

Milliarder af kompakte radiomoduler, protokollogik og antenner, der er implementeret på tværs af håndholdte enheder, giver mulighed for at udstyre IoT-enheder med kort (NFC, Bluetooth), medium (WiFi) eller lang rækkevidde (3G, 4G, 5G, NB-IoT) -tilslutning tilgængelig som integrerede moduler til meget lave omkostninger.

Den digitale infrastruktur skal optimeres til den fulde rute fra oprindeligt at forbinde en simpel sensor mod en hub eller router, som igen forbinder forbindelsen til serverne og skyfunktionalitet. Flere systemer kan implementeres for at supplere kravene for brugsscenariet.

En producent af et standard trådløst modul fremhæver: ”Det ideelle til IoT-applikationer og -enheder, er det at det indeholder forskellige funktioner såsom smart utility måling, smart betaling og salgssteder, og er i stand til bærbare enheder som action kameraer. Med end-to-end sikkerhedsfunktioner som sikker boot, transportlag og mere er den klar til LTE World. ”

At designe en robust digital infrastruktur kræver analyse og beslutninger om 1) valg af moduler til optimal datakapacitet i forhold til omkostninger, 2) markedskrav, 3) dækning af begrænsninger på tværs af regional regulering, 4) forbindelse i forskellige geografiske områder, 5) over kortere eller længere afstande gennem forhindringer.

Figuren foroven repræsenterer et hypotetisk eksempel på at forbinde bevægelige maskiner med sensorer på et fabriksgulv inden for trådløse ZigBee-netværker med kort rækkevidde. Disse er igen forbundet via WiFi til både tablets og kablet (Ethernet) cloud-servere via offentligt internet.

 

Fortsæt læsningen: Cloud og IoT – hvad skal man vælge?