Internet-of-Things informatikus-mérnöki szemmel. GAMF, 2013 március 20

Internet-of-Things informatikus-mérnöki szemmel

GAMF, 2013 március 20.

Internet-of-Things: Bevezető ●

Internet hozzáférés: –

Fix: 2012Q3 – USA háztartások 90%-a rendelkezik szélessávú hozzáféréssel

–

Mobil: 2011 óta a világ lakosságának 90%-a 2G fedettségű, illetve 45%-a 3G fedettségű területen él. Iparági becslések alapján ez utóbbi 2017-re 85%-ra emelkedik.

Internet-of-Things: Jövőkép

Internet-of-Things: Bevezető ●

●

●

A csatlakoztatott eszközök számát 2020-ra 50 milliárdra becslik A létrehozható kollektív tudás felbecsülhetetlen Az egyes szakterületekhez kapcsolódó informatikai tudás, illetve szolgáltatások iránti igény megsokszorozódik

Internet-of-Things: Áttekintés

Internet-of-Things Tehát az Internet-of-Things ●

●

●

●

az Interneten keresztül központi rendszerrel kommunikáló szenzor/aktuátor végpontok, illetve a központi rendszerhez integrált alkalmazások, a szenzorok és aktuátorok által, illetve azokról gyűjtött valamint a központi és kiegészítő rendszer(ek) által feldolgozott, generált és eltárolt adatok, az egyes végpontok vagy végponthalmazok irányítását definiáló szabályok, logikák, mindezek elérését valamint az adatátvitelt biztosító elemek, felületek és protokollok

összessége.

Internet-of-Things

Hozzávalók

Internet-of-Things: Hozzávalók ●

Olcsó mikrokontrollerek 8-32bites rendszerek, alacsony áramfogyasztású, 3.3-5V rendszerek: Atmel, Microchip, ARM, ...

●

Olcsó prototípusozó rendszerek Arduino (Atmel/AVR, PIC: ChipKit MAX32), Raspberry Pi, Microchip Developer kit

●

Megfizethető szenzorok és aktuátorok Digitális és analóg szenzorok, aktuátorok

Internet-of-Things: Hozzávalók ●

Internet hozzáférés

●

Olcsó vezetéknélküli technológiák –

Internet-hozzáféréshez ● ●

–

Wi-Fi 2G, 3G, (4G)

Helyi vezetéknélküli szenzor/aktuátorhálózat kiépítéséhez ● ●

Bluetooth, Z-wave, ZigBee, MiWi RFID

Internet-of-Things: Hozzávalók ●

“Internet” - “web 2.0/3.0” –

Alkalmas hosting infrastruktúra ● ●

–

Alkalmas szoftver-környezet ●

–

Dedikált hardver vagy VPS/Cloud Megfelelő hálózati elemek és uplink Apache, Tomcat, Enterprise JavaBeans, Ruby-OnRails, PHP, ...

Adatbázis-környezet ●

Oracle, MySQL, Postgres, …

Internet-of-Things Főbb tervezendő, fejlesztendő elemek: –

Specifikáció: mit is szeretnénk?

–

Folyamatok, protokollok

–

Végpontok: hardver+szoftver

–

Központi rendszer(ek): szoftver

–

Felhasználói felületek

Internet-of-Things

Folyamatok, protokollok

Internet-of-Things Folyamatok, protokollok Eszközmenedzsment felület (WWW GUI) BOOT

REGISZTRÁCIÓ

LOOP CORE

NEM

Reg.üzenet

Konfiguráció Utasítások Periodikus bejelentkezés (+log), Valósidejű adattovábbítás

Platform: eszköznyilvántartás, konfiguráció, adatfeldolgozás, továbbítás

API hívások Konfigurált?

IGEN

LOOP OPs

Adattovábbítás, értesítések

IoT: Folyamatok, protokollok ●

Végpontok folyamatai –

Boot, konfiguráció → üzemi működés előkészítése

–

Üzemi működés (loop, vagy RTOS esetén a task-ok folyamatai) ● ●

szenzorok lekérdezése szabályzási program végrehajtása –

● ● ●

aktuátorok kezelése

adatnaplózás kommunikáció a központtal ...

IoT: Folyamatok, protokollok ●

A központi rendszer folyamatai, feladatai –

regisztráció, provizionálás → nyilvántartás ●

–

végpontok üzemi működés folyamatainak támogatása (adatnaplózás, utasítások küldése, nyugtázása, stb.) ● ● ● ●

–

felhasználók, végpontok nyilvántartása, felhasználókhoz történő rendelése, halmazképzés

adattovábbítás külső rendszereknek számított adatok generálása visszacsatolás a végpont irányításába más végpontok irányítása

megjelenítés, távoli kezelőfelület, adatfeldolgozás, adatbányászat – alkalmazási terület szerint

Internet-of-Things

Végpontok, végpontok fejlesztése

Internet-of-Things Rendszerek fejlesztése: Áttekintés WWW Végpont Felhasználói felület

Központ

Regisztráció, konfiguráció Szenzorok, aktuátorok (+vn) Szabályzási kör vh. Adatnaplózás Vezetéknélküli komm.

Vezetéknélküli szenzorok/aktuátorok Szenzorok, aktuátorok Vezetéknélküli komm.

Egyéb, külső rendszerek

Internet-of-Things: Végpontok Fő feladatok ●

Szenzorok lekérdezése, aktuátorok vezérlése

●

Kommunikáció a központtal

●

Feladatkritikus szabályzás, sziget-elvű működés támogatása

●

Üzemhibák automatikus hibafelismerése és javítása

●

Helyi adatnaplózás

●

Moduláris, bővíthető és skálázható felépítés

●

Kezelőfelület

●

Vezetéknélküli szenzor/aktuátor alhálózat kezelése

Internet-of-Things: Végpontok Főbb alkotóelemek ●

Mikrokontroller + szükséges hardver –

a végpont vezérlése, szabályzási kör,

–

perifériák kezelése, kommunikáció a szenzorokkal/aktuátorokkal és a központtal

●

Perifériák, vezetéknélküli hálózat vezérlője

●

Szenzorok

●

Aktuátorok

●

Kiegészítő elektronika

IoT: Végpontok fejlesztése Mikrokontroller alapú végpontok gyorsan: Arduino –

8-32 bites mikrokontrollerek széles skálája

–

Open Source hardver: nyílt kapcsolási rajz, szabadon felhasználható bármilyen célra

–

Számos szenzor, aktuátor illesztése megoldott, információval és kóddal támogatott

–

Open Source szoftver: nyílt forráskódú (jogállásfüggően felhasználható) programok, kódrészletek számos feladat támogatására (pl. RTC, SD, Ethernet...)

–

olcsó :)

IoT: Végpontok fejlesztése Egyéb lehetőségek: ●

●

PIC/Microchip –

PIC32-n van Arduino kompatibilis implementáció

–

Microchip Developer Kit

Raspberry Pi –

ARM 700MHz

–

letölthető linux disztribúciók

–

GPIO pinek az elektronikákhoz

IoT: Végpontok fejlesztése Arduino alapokon Kellékek az induláshoz: ●

●

●

●

Arduino (vagy mikrokontroller és szükséges komponensek) próbapanel, alkatrészek (szenzorok, aktuátorok, ellenállások, ledek, diódák, kábelek, stb.) multiméter forrasztó-felszerelés, egyéb elektrotechnikai szerszámok és műszerek

IoT: Végpontok fejlesztése Arduino alapokon Az Arduino programozása –

C/C++

–

AVR GCC toolchain backend ●

Arduino IDE frontend –

●

Eclipse IDE frontend –

●

– ●

Arduino boardok támogatása az Arduino library-kban (a mikrokontroller-specifikus direktívák, stb.) AVR plugin a mikrokontroller specifikus támogatáshoz, Arduino board támogatáshoz

...

Arduino library-k, AVR C library-k

Architektúra –

Egyszálú (setup + loop) vs. multitasking (FreeRTOS)

IoT: Végpontok fejlesztése Arduino alapokon

demo

Internet-of-Things

Központi kiszolgálók, fejlesztésük

Internet-of-Things Rendszerek fejlesztése: Áttekintés WWW Végpont Központ Felhasználói felület Végpontkezelés Regisztráció

Egyéb, külső rendszerek

Konfiguráció

Adatgyűjtés, feldolgozás

Adatnaplózás Irányítás Integrációs felület

Irányítás Megjelenítés ...

IoT: Központi kiszolgálók ●

Miért van rájuk szükség? –

erőforrás-gazdálkodás, feladatmegosztás

–

üzenetforgalmazás, komplex irányítás

–

adattárolás, adatbányászat, analízis

–

rendszerüzemeltetés, karbantartás, végpontok menedzsmentje

–

egységesített szolgáltatások

–

platform-szolgáltatások

IoT: Központi kiszolgálók Főbb jellemzői ●

Interneten elérhetőek –

●

●

●

Dedikált hardveren vagy virtuális szervereken, “felhőben”

Implementálnak valamilyen protokollt, amely segítségével kommunikálnak a kompatibilis végpontokkal Egyedileg azonosítják a végpontokat, azokat valamilyen rendszerbe szervezik Felületet biztosítanak ember és gép, illetve gép és gép között

IoT: Központi kiszolgálók ●

Központi kiszolgálók jellemző feladatai –

nyilvántartás, adattárolás

–

üzenetforgalmazás, folyamatirányítás

–

végpontok menedzsmentje

–

adatbányászat, analízis

–

felhasználói felületek

–

platform-szolgáltatások

IoT: Központi kiszolgálók ●

nyilvántartás, adattárolás –

felhasználók nyilvántartása ●

–

végpontok nyilvántartása ●

–

eszközök/végpontok tulajdonosai, szerepek és jogosultságok egyéb felhasználóknak szenzorok, aktuátorok

mérési / irányítási adatok feldolgozása, tárolása ●

számított értékek generálása

–

konfigurációs beállítások nyilvántartása

–

egyéb adatok tárolása

IoT: Központi kiszolgálók ●

folyamatirányítás, üzenetforgalmazás –

mérési / irányítási adatok feldolgozása ●

●

● ●

irányítási visszacsatolás a végpontnak a feldolgozott adatok alapján adatok vagy irányítási utasítások közvetítése más végpontok részére adattovábbítás / üzenetkézbesítés külső rendszereknek felhasználók értesítése/riasztása

IoT: Központi kiszolgálók ●

végpontok menedzsmentje –

eszközök online azonosítása

–

konfigurációs beállítások küldése / fogadása

–

mérési / irányítási adatok fogadása

–

irányítási utasítások küldése

IoT: Központi kiszolgálók ●

felhasználói felület –

felhasználási területre optimalizált megjelenítés, kezelőfelület

–

hozzáférés az eszközökhöz ● ● ●

beállítások, üzemi paraméterek hozzáférés a naplózott mérési adatokhoz lehetőség az eszközök távoli vezérlésére, illetve a szabályzási kör módosítására

IoT: Központi kiszolgálók ●

●

platform-szolgáltatások –

integrációs felület külső alkalmazások számára

–

végpontok csoportosítása

–

adat-aggregáció

–

távoli irányítási felület biztosítása

adatbányászat, analízis –

a naplózott mérési, irányítási adatok visszakeresése, feldolgozása, jellemzően valamilyen tudományos szakterület vonatkozó diszciplínái és képletei alapján

IoT: Központi kiszolgálók fejlesztése ●

kommunikáció –

szabványos TCP/IP, illetve HTTP (és HTTPS) alapokon

–

szükséges az eszköz feladataira szabott kommunikációs protokoll definíciója és implementációja

–

vezetéknélküli szenzor és aktuátor hálózatok tervezése esetén szabványos rádiós protokollok használhatók a kommunikáció alapjaként

IoT: Központi kiszolgálók fejlesztése ●

Biztonság –

Személyes adatok, kihatás a személyes környzetre – így gyakoriak lehetnek a biztonságkritikus alkalmazások ●

●

Kommunikáció biztonsága, illetéktelen behatolás, illetéktelen használat... Tárolt adatok, központi rendszerek biztonsága

–

Fizikai védekezés

–

Kódolás, azonosítás

IoT: Központi kiszolgálók fejlesztése Ajánlások ●

●

Architektúrák, logikák –

Service Oriented Architecture és Event Driven Architecture

–

Fuzzy logic

Protokollok –

TCP/IP, HTTP, HTTPS

–

SOAP vs. REST ●

●

●

XML, JSON, ...

eszközök / szoftverplatformok –

HTML5+CSS, JavaScript

–

Java, Ruby-on-Rails, PHP

–

MySQL, Postgres, Oracle

környezet –

Linux (+...) + Apache (+ …) + adatbázis (+ ...) ● ●

Open-source szoftverek, stabil, bizonyított, nagy felhasználói és fejlesztői tábor jól skálázhatóak, fürtözhetőek (cluster), professzionális felhasználásra is elterjedtek

Internet-of-Things Rendszerek fejlesztése: Áttekintés WWW Végpont Felhasználói felület

Központ

Regisztráció, konfiguráció

Felhasználói felület

Szenzorok, aktuátorok (+vn)

Végpontkezelés

Szabályzási kör vh.

Regisztráció

Egyéb, külső rendszerek

Adatnaplózás

Konfiguráció

Adatgyűjtés, feldolgozás

Vezetéknélküli komm.

Adatnaplózás Irányítás

Vezetéknélküli szenzorok/aktuátorok Szenzorok, aktuátorok Vezetéknélküli komm.

Integrációs felület

Irányítás Megjelenítés ...

Internet-of-Things Rendszerek fejlesztése – platform alapokon

Lássuk, mit spórolhatunk :)

IoT: Az APDuino koncepciórendszer End-to-End IoT alkalmazás-platform –

Hardver: ●

–

Arduino Mega 2560 + WizNet W5100 EtherShield + támogatott szenzorok, aktuátorok

Szoftver:

feltöltésre kész általános szenzor/aktuátorkezelő bináris, mely tartalmazza a következő alapfunkciókat: ● ●

●

–

SD-kezelés: teljes konfiguráció beolvasása SD-ről Hálózati kommunikáció: regisztráció szerveren, távoli menedzsment (beállítások, utasítások), adatnaplózás sziget-rendszerű működés (ha már van konfiguráció)

Központi rendszer: ● ● ● ●

eszköznyilvántartás, online konfiguráció (kapcsolás, sziget szabályzási program), eszközkezelés, távoli menedzsment, mérési / irányítási adatok naplózása, továbbítása külső rendszereknek, HTTP API külső rendszerek számára, visszacsatolás a végpontokhoz

Internet-of-Things Az APDuino koncepciórendszer ●

Mit jelent ez a gyakorlatban? –

Hardver: Az elérhető áron kapható alaplap és shield, illetve szenzorok és aktuátorok tárházának köszönhetően számos valós feladat automatizálásához adott az elektronikai háttér

–

Szoftver: Az alapfunkciókat és fő vázat megvalósító szoftver segítségével a végpontok fejlesztési ideje jelentősen lerövidíthető, illetve a beágyazott rendszer szoftverfejlesztése akár szükségtelen is.

–

Központi rendszer: A meglevő központi rendszerhez integrálva a központi rendszer fejlesztési ideje jelentősen csökkenthető.

Internet-of-Things Az APDuino koncepciórendszer Eszközmenedzsment felület (WWW GUI) BOOT

REGISZTRÁCIÓ

LOOP CORE

NEM

Reg.üzenet

Konfiguráció Utasítások Periodikus bejelentkezés (+log), Valósidejű adattovábbítás

Platform: eszköznyilvántartás, konfiguráció, adatfeldolgozás, továbbítás

API hívások Konfigurált?

IGEN

LOOP OPs

Adattovábbítás, értesítések

Internet-of-Things Az APDuino koncepciórendszer

Internet-of-Things Az APDuino koncepciórendszer ●

bootabot.com → 10 perc –

Mikro-oldal: Ruby-on-Rails+sqlite

–

Elektronika

–

Kapcsolási és szabályzási konfiguráció – 10 perc

–

Raspberry Pi + webkamera + szoftver konfiguráció

–

Szerver konfiguráció ●

apduino.org → 30 perc –

akva-/hidropóniás termőkabin mikrorendszer; szekrény, víztározó közeg, termőközeg, világítás, fűtés/hűtés/szellőztetés

–

elektronika, műszerdoboz, csatlakozók, forrasztások, kábelezés

–

Kapcsolási és szabályzási konfiguráció – 30 perc

Internet-of-Things Az APDuino koncepciórendszer

demo

Internet-of-Things informatikus mérnöki szemmel

Köszönöm a figyelmet! Schreiber György [email protected]

Internet-of-Things informatikus mérnöki szemmel

Függelék – Források, hivatkozások, linkek

Internet-of-Things informatikus mérnöki szemmel http://en.wikipedia.org/wiki/Internet_of_Things Eszközök számának alakulása a Cisco szerint: CISCO, IBSG http://www.cisco.com/web/about/ac79/docs/innov/IoT_IBSG_041 1FINAL.pdf 2013 öt legjelentősebb technológiai trendje a Forbes magazin (prof. David Alan Grier írása szerint) http://www.forbes.com/sites/ericsavitz/2012/12/07/technologies-of -the-future-5-trends-to-watch-for-2013/

Internet-of-Things informatikus mérnöki szemmel REST – Representational State Transfer http://en.wikipedia.org/wiki/Representational_state_transfer SOAP – Simple Object Access Protocol http://en.wikipedia.org/wiki/SOAP Representational State Transfer - http://en.wikipedia.org/wiki/Representational_state_transfer Event Driven Architecture - http://en.wikipedia.org/wiki/Event-driven_architecture Service Oriented Architecture - http://en.wikipedia.org/wiki/Service-oriented_architecture Complex Event Processing - http://en.wikipedia.org/wiki/Complex_event_processing Fuzzy Logic - http://en.wikipedia.org/wiki/Fuzzy_logic

Internet-of-Things informatikus mérnöki szemmel Arduino : http://arduino.cc Arduino Library-k: http://playground.arduino.cc/Main/LibraryList Arduino Mega 2560 : http://www.arduino.cc/en/Main/arduinoBoardMega2560 Arduino EtherShield: http://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoEthernetShield APDuino Project: http://apduino.com, http://apduino.org Raspberry Pi http://raspberrypi.org