O que você precisa saber sobre a Internet das coisas: programa educacional fundamental

Hoje, a IoT diz quase de todo ferro ("inteligente"). Além disso, nessas conversas, geralmente faltam coisas básicas: o que é a Internet das coisas, em que consiste e quem pode responder a essas perguntas como "órgãos autorizados". Enquanto isso, essas questões são muito relevantes. Então, digamos, seu (falando sobre IoT) ferro "inteligente" - ele pertence à Internet das coisas? Neste post, falaremos sobre a arquitetura da Internet das coisas: em quais componentes ela consiste, quais tecnologias são de particular importância, quais soluções podem simplificar a implantação em massa e quem é o responsável pela IoT no mundo.

Qual é a internet das coisas?

A empresa de pesquisa Gartner define IoT como uma rede de objetos físicos que contêm ferramentas para interagir com o ambiente externo e entre si, além de transmitir informações sobre sua condição e receber comandos.

A McKinsey oferece uma definição menos abstrata: IoTs são sensores e unidades incorporados em dispositivos físicos e conectados à Internet por redes com ou sem fio.

Não apenas fabricantes de dispositivos, mas também organizações especializadas estão envolvidas no desenvolvimento da IoT, incluindo a União Internacional de Telecomunicações (ITU), o Industrial Internet Consortium e o IETF.

Nas recomendações da Y.2060 da União Internacional de Telecomunicações , chamada Visão geral da Internet das Coisas , a Internet das Coisas aparece como "uma infraestrutura global que fornece serviços sofisticados, conectando coisas físicas e virtuais com base nas tecnologias de informação e comunicação interoperáveis ​​existentes e em desenvolvimento". Uma coisa nessa definição significa um objeto do mundo físico ou virtual que pode ser identificado e conectado às redes de comunicação. Um dispositivo no contexto da IoT é um equipamento que possui os recursos de comunicação necessários e pode medir, operar sob certas condições, inserir, armazenar e processar dados.

Tipos de dispositivos IoT e sua interação. Fonte: ITU-T Y.4000 / Y2060

Conforme recomendado pelo Setor de Padronização de Telecomunicações da União Internacional de Telecomunicações (ITU-T), a IoT é uma rede de dispositivos intimamente relacionados. O toque e os atuadores interagem com as coisas físicas do ambiente. Os dispositivos de coleta de dados leem informações de itens físicos ou gravam em itens físicos, interagindo com dispositivos de transferência de dados ou suportes de dados conectados ou conectados a um objeto físico.

Em outras palavras, a IoT é:

Objetos físicos / virtuais
+
controladores / sensores / atuadores
+
a internet

Portanto, uma instância física de um elemento IoT é um objeto que

• inteligente: possui microcontrolador e software para controle;
• pode informar ou agir: contém um sensor para medir quaisquer parâmetros físicos ou um atuador cuja operação pode ser controlada;
• disponível através da rede.

As recomendações Y.2060 também contêm o modelo de referência da IoT, que serve como base para a padronização. A arquitetura de referência fornece aos desenvolvedores uma compreensão de quais recursos são necessários na IoT e como eles interagem.


Modelo de referência da IoT. Fonte: ITU-T Y.4000 / Y2060

A arquitetura da IoT também está sendo desenvolvida pelo IoT World Forum (IWF). Este é um evento anual em que representantes de empresas, estados e universidades participam. O Comitê de Arquitetura da IWF publicou sua versão do Modelo de Referência da IoT em 2014. Ela complementa bem a opção proposta pelo ITU-T, porque a IWF presta atenção não apenas aos níveis de dispositivos e gateway, mas também aos níveis superiores, que são mais importantes para o desenvolvimento de aplicativos, middleware e suporte para a Internet industrial das coisas.


Modelo de referência da IoT de acordo com a IWF. Fonte: Cisco

Quais são os principais elementos da IoT?

O primeiro são protocolos. Os protocolos padrão da Internet são redundantes para a IoT ou não fornecem as características necessárias para casos em que é necessário um tempo de resposta curto e alta confiabilidade da rede. Além disso, os processadores de dispositivos IoT normalmente têm baixo desempenho para manter baixo o consumo de energia. Isso requer o desenvolvimento de protocolos de rede especificamente adaptados para uso na Internet das coisas.

Vários grupos de trabalho dentro da IETF e W3C estão envolvidos nisso. Por exemplo, a adaptação do IPv6 para redes host com recursos limitados é tratada pelo grupo de trabalho 6lo. Esse grupo herdou o desenvolvimento do grupo 6LoWPAN, que desenvolveu métodos para compactar cabeçalhos de pacotes e otimizar a descoberta de vizinhos. O grupo 6lo está focado em uma ampla gama de protocolos: Bluetooth Low Energy, ITU-T G.9959, DECT Ultra Low Energy, além do protocolo MS / TP para redes RS-485.

A lista de outros grupos de trabalho da IETF IoT e o que eles fazem é assim:

• DICE - DTLS em ambientes restritos - perfil TLS / DTLS adequado para dispositivos com recursos limitados;
• ACE - Autenticação e autorização para ambientes restritos - (RFC
• 7744) - mecanismos de autenticação para acessar recursos em ambientes restritos;
• COSE - Assinatura e criptografia de objetos CBOR - Análogos CBOR simplificados
• para métodos de assinatura e criptografia;
• 6TiSCH - IPv6 no modo TSCH do IEEE 802.15.4e - implementação do IPv6 para salto de canal com fenda no tempo;
• LWIG - Lightweight Implementation Guidance (RFC 7228) - terminologia geral para redes com nós limitados (CoAP e IKEv2);
• ICNRG - Rede Centrada na Informação - Aplicabilidade de tecnologias para cenários de IoT;
• CFRG - Fórum de criptografia - Métodos fundamentais de criptografia adequados para a IoT.

Nenhuma tecnologia menos importante para a IoT é a conexão de quinta geração. A implementação de muitos cenários de uso da IoT requer a atualização de redes de dados para 5G. As redes de quinta geração podem reduzir a latência e se adaptar a aplicativos que envolvem várias conexões, ajudar a reduzir o consumo de energia e obter uma enorme taxa de transferência de dados móveis: mais de 10 Gb / s. Nesse caso, o atraso do sinal em 5G é reduzido para 1 ms. Para comparação, em 4G o atraso é de 10 ms e em 3G - 100 ms.

Os sensores estão na parte inferior da pilha de tecnologia que compõem o modelo de referência da IoT. Eles fornecem a interação do mundo físico e virtual, coletando dados analógicos e convertendo-os em formato digital. Para transmitir as informações coletadas, os sensores se conectam à rede e interagem com servidores e gateways usando os protocolos Bluetooth, NFC, RF, Wi-Fi, LoRaWAN e NB-IoT.


Diferentes tipos de sensores. Fonte: CircuitDigest

Os próprios sensores registram apenas a quantidade física e convertem o valor medido em um formato digital para enviar ao microcontrolador, que é a parte "inteligente" do sensor.


Toshiba 32C100U2 IR Sensor Board Sensor infravermelho

O desenvolvimento da tecnologia torna os sensores muito compactos. Por exemplo, o sensor de aceleração BHA250 de 14 bits fabricado pela Bosch Sensortec tem dimensões 2,2 × 2,1 × 0,95 mm, mas também contém um microcontrolador de 32 bits.

Finalmente, as plataformas IoT desempenham um papel crucial. Segundo um relatório da McKinsey , cerca de 40% do valor econômico da IoT está relacionado à interoperabilidade, ou seja, como os dispositivos podem interagir entre si. Para revelar todas as vantagens da Internet, não são necessários apenas canais de comunicação rápidos e protocolos econômicos, mas também a padronização de todos os níveis de IoT, de acordo com os modelos de referência.

As plataformas de IoT removem parcialmente a gravidade desse problema; no entanto, não há unidade entre elas. Em meados de 2017, o IoT Analytics contava 450 empresas oferecendo suas plataformas de IoT. Esse número é menor que a lista de dispositivos IoT fabricados no mundo, mas é mais que suficiente para criar problemas de compatibilidade.

O que são plataformas IoT e por que são necessárias?

Em resumo, são soluções que fornecem conectividade unificada entre dispositivos finais da IoT e serviços de processamento de dados. E para explicar por que eles são importantes, começaremos de longe.

Um estudo da Cisco descobriu que 75% dos projetos relacionados à IoT falham. A pesquisa contou com a participação de mais de 1800 executivos de empresas e líderes de TI, o objetivo da pesquisa foi identificar as principais barreiras à introdução da Internet das coisas nas empresas. De acordo com as conclusões do estudo, os principais obstáculos para as organizações que desejam implementar a IoT são os custos e o cronograma dos projetos. Outro fator de parada foi o conhecimento especializado limitado dos membros da equipe.

Esses problemas podem ser eliminados pelo uso de soluções que fornecem interação unificada entre dispositivos finais da IoT e serviços de processamento de dados, as mesmas plataformas da IoT.

Vamos explicar: se a empresa já possui uma frota de equipamentos, ao implementar a IoT, será necessário conectá-lo à nova infraestrutura. Ao mesmo tempo, alguns dos dispositivos "antigos" podem cumprir com êxito suas funções de produção, mas não conseguem se conectar à Internet. A substituição desse equipamento por um dispositivo compatível com IoT acarretará grandes custos. Isso aumentará o período de retorno do investimento, uma vez que você precisará descartar máquinas e montagens totalmente funcionais.

Porém, mesmo que o equipamento seja compatível com a IoT, permanece a questão de quais dados precisam ser coletados e usados, como realizar uma análise aprofundada das informações coletadas e fornecer feedback imediato. As plataformas IoT apenas fornecem integração perfeita de hardware usando vários tipos de conexões, transferência de dados para dispositivos conectados ou entre eles.

As plataformas IoT são oferecidas por muitas empresas de alta tecnologia e TI. O desenvolvimento da Toshiba para integrar dispositivos e serviços de IoT é chamado SPINEX. No desenvolvimento da plataforma SPINEX IoT, a vasta experiência da Toshiba foi usada em energia, produção de componentes semicondutores, bem como no campo da Internet de coisas, inteligência artificial, reconhecimento de voz e vídeo (ou seja, em tudo o que falamos regularmente na Habr).


Plataforma SPINEX. Fonte: Toshiba

O SPINEX fornece um espaço único para a coleta de dados de equipamentos, dispositivos e produtos conectados, armazenamento, visualização e análise dos dados coletados. Através do uso de uma arquitetura aberta, o SPINEX pode interoperar com vários provedores e dispositivos em nuvem. A plataforma oferece aos usuários três tecnologias principais:

• computação periférica: para minimizar a latência da rede e executar o processamento de dados complexos, o SPINEX divide o processo em duas partes: operações básicas são realizadas em tempo real em dispositivos de borda e análises avançadas são realizadas por servidores poderosos na infraestrutura de nuvem;
• dobras digitais: o SPINEX usa inteligência artificial para criar modelos digitais de objetos reais, o que permite monitorar com mais eficiência as mudanças no ambiente e transmitir os comandos necessários aos dispositivos;
• análise de mídia: a tecnologia de análise de mídia da Toshiba é usada para identificar com precisão voz e imagens.

Em 2016, a Toshiba lançou o serviço de nuvem IoT Standard Pack baseado em SPINEX. O serviço é uma solução unificada para muitas tarefas relacionadas à Internet das coisas. Ele permite implantar rapidamente uma rede IoT na empresa usando modelos para coletar dados e conectar rapidamente dispositivos à infraestrutura IoT usando a tecnologia plug-n-play.

Quão relevante é tudo isso e para onde está indo o mercado da Internet das coisas?

Às vezes, parece que o mundo corajoso da Internet das coisas nada mais é do que uma imagem fantástica. Isto não é verdade. Um relatório da Fortune Business Insights indica que o mercado global da Internet das Coisas, avaliado em US $ 190 bilhões em 2018, chegará a US $ 1,11 trilhão em 2026, mostrando uma taxa de crescimento combinada de 24,7% ao ano.


Previsão do volume de mercado da IoT para 2018-2026. Fonte: Fortune Business Insights

O maior segmento de mercado deve ser o setor bancário e o de serviços financeiros.

Analistas do Gartner relatam que em 2019 o número de dispositivos de IoT alcançou 14,2 bilhões.A empresa também prevê que até 2025 o número de dispositivos conectados chegará a 25 bilhões.


Previsão da IDC para o crescimento da conectividade IoT

Os IDCs fornecem uma previsão ainda mais otimista : até 2025, 152.200 dispositivos estarão conectados à Internet das Coisas a cada minuto. Multiplicando 152.200 por 525.600 (o número de minutos por ano), obtemos que em 2025 a Internet das Coisas conterá cerca de 80 bilhões de dispositivos.

De acordo com o estudo da IoT, a Internet da Transformação 2018, publicada pela Juniper Research, América do Norte, Europa Ocidental, Extremo Oriente e China continuam sendo os principais mercados da IoT. Essas regiões fornecerão mais de 60% de toda a renda relacionada à Internet das coisas.