Internet Wszechrzeczy

Standardową technologią telemetrii, jeszcze przed wynalezieniem Internetu, była komunikacja M2M (Machine-to-Machine), która oznacza interakcję między dwoma lub więcej urządzeniami bez udziału człowieka. Nowa generacja technologii M2M została wprowadzona w 1995 roku wraz z wprowadzeniem przesyłania danych poprzez sieci GSM. Komunikacja bezprzewodowa znalazła niezliczone zastosowania, od automatów do telemedycyny.

Rozwój rozwiązań M2M bazujących na połączeniach analogowych trwał do ok. 2010 roku, potem technologia rozpoczęła cyfrową rewolucję. Najnowszy rozdział w historii systemów M2M to Internet Rzeczy (IoT). Zachowano podstawy połączeń sprzętowych, ale technologia jest bardziej zaawansowana. Zestawienie struktury obu technologii pokazane na rysunku 1 doskonale obrazuje różnice oraz ich możliwości.

Rysunek 1. Zestawienie struktury technologii M2M i IoT

Kolejnym etapem rozwoju było dołączenie technologii chmurowych, które stało się popularne w 2012 r. Wkład takich gigantów jak Apple, Google czy Microsoft w znacznym stopniu przyczynił się do rozwoju rozwiązań IoT i określił jego miejsce na rynku. Dzisiaj jesteśmy świadkami przechodzenia do kolejnego etapu określanego jako Internet wszystkiego lub Internet Wszechrzeczy (IoE).

Koncepcja Internetu Wszechrzeczy bazuje na idei wszechstronnej łączności, w której wymiana informacji nie jest ograniczana do komputerów i smartfonów oraz urządzeń, którymi możemy sterować lub z których możemy pobierać dane. Każdy obiekt można wyposażyć w funkcje cyfrowe i połączyć ze wspólną siecią innych obiektów, osób i procesów w celu generowania istotnych informacji i ich wymiany. Połączenia mogą obejmować urządzenia, bazy danych, a także ludzi i procesy wirtualne (rysunek 2). Dodatkowo celem technologii IoE jest też przekształcanie zebranych informacji w uporządkowane struktury, prezentowanie tych danych w sposób łatwy do interpretowania oraz podejmowanie działań w odniesieniu do nich.

Rysunek 2. IoE określa połączenia, które mogą obejmować urządzenia, bazy danych, a także ludzi i procesy wirtualne

Elementy składowe Internetu Wszechrzeczy

Systemy Internetu Wszechrzeczy tworzą cztery kluczowe elementy: sprzęt, oprogramowanie, ludzie i procesy, wszystkie zestawione we wzajemnie powiązany system pokazany na rysunku 3.

Rysunek 3. Cztery kluczowe elementy systemu Internetu Wszechrzeczy

• Sprzęt odzwierciedla niemal czystą koncepcję IoT. Różne urządzenia fizyczne z wbudowanymi czujnikami i elementami wykonawczymi generują dane o swoim stanie i wysyłają je do określonego miejsca docelowego w sieci. Komunikacja odbywa się na poziomie M2M (Machine to Machine);
• Oprogramowanie jest odpowiedzialne za przeanalizowanie, sklasyfikowanie i podsumowanie informacji, które będą bazą do dalszych działań. Surowe dane generowane przez urządzenia nie mają dużej wartości. Jest to element o dużym znaczeniu biznesowym;
• Ludzie są najważniejszym elementem IoE – korzystają z wyników działania sprzętu i oprogramowania, co pomaga im szybko rozwiązywać problemy i podejmować decyzje. Dostosowują oprogramowanie do swoich wymagań i decydują o zadaniach wykonywanych przez sprzęt. Jednocześnie udostępniają swoje spostrzeżenia i potrzeby za pośrednictwem stron internetowych i aplikacji. Dodatkowo urządzenia, z których korzystają (np. smartfony lub urządzenia do monitorowania kondycji i zdrowia), dostarczają wielu danych o ich sposobie życia.
• Elementem który uzupełnia całą powyższą strukturę, są procesy, umieszczone w centralnym punkcie grafu. Są to przede wszystkim działania sterowane inteligentnymi technologiami, które analizują wszystkie dane, aby zrozumieć ludzkie problemy i dostarczają rozwiązania zgodne z osobistymi lub biznesowymi potrzebami. Dbają o to, aby właściwe informacje trafiły do właściwej osoby we właściwym czasie.

Połączone, inteligentne i autonomiczne

Urządzenia IoE powinny mieć te trzy cechy. Kiedy wysyłają i odbierają informacje pomiędzy sobą – mówimy, że są połączone. Umożliwia to na przykład wysyłanie zebranych danych z czujników i otrzymywanie instrukcji, jak zareagować na takie parametry. System monitorowania może wykryć, że ktoś jest przy drzwiach i przesłać obraz tej osoby. Użytkownik systemu może zdecydować, co dalej i wysłać instrukcje, aby nie aktywować alarmu, a zamiast tego otworzyć drzwi, ponieważ przy drzwiach czeka krewny itp.

Bez łączności, która może odbywać się za pośrednictwem sieci komórkowej, sieci Wi-Fi itd., przesyłanie danych z czujnika (w tym przypadku danych wideo) i odpowiednich instrukcji (czyli anulowanie alarmu i otworzenie drzwi) może być trudne. Oprócz tego, że urządzenia IoE są połączone, mogą zbierać informacje o swoim otoczeniu i przetwarzać je (np. wykonywać obliczenia), to odznaczają się pewnym stopniem inteligencji rozumianej jako zdolność do analizowania danych i podejmowania działań. Jednak nie można powiedzieć, że na przykład klimatyzator jest inteligentny, ponieważ potrafi mierzyć temperaturę w pomieszczeniu i dostosować swoją moc wyjściową tak, aby zapewnić w pomieszczeniu komfortową temperaturę. W tym przypadku system nazwiemy inteligentnym, jeśli będzie w stanie trafnie prognozować swoją wydajność. Prognozowanie może bazować na zapamiętanych wcześniejszych ustawieniach wprowadzanych przez użytkownika (np. temperatura zwiększana zwykle ok. godz. 16). System może też szacować swoją wydajność np. na bazie prognoz pogody. Rozwiązań jest wiele, im więcej informacji zostanie uwzględnionych, tym trafniejsze będą prognozowania, komfort będzie zapewniony w najwłaściwszym momencie, a zużycie energii będzie zoptymalizowane.

Urządzenie loE powinno być w dużym stopniu autonomiczne. Badanie otoczenia pozwala w dużym stopniu rozumieć i odpowiednio reagować na zachodzące zmiany, eliminując w ten sposób lub przynajmniej minimalizując potrzebę interwencji człowieka. Na przykład inteligentna lodówka może mieć kilka stopni autonomii. Może przygotowywać zamówienie w sklepie, śledząc na bieżąco produkty, które są zużywane. Może również badać otoczenie i jeśli wychwyci (usłyszy), że planowane jest zaproszenie gości, to zleci odpowiednio duże zamówienie.

Funkcjonalności odpowiadające terminom: połączone, inteligentne i autonomiczne, trudno jednoznacznie wydzielić. Realizacja dowolnej funkcjonalności wymaga użycia elementów z każdej kategorii.

Wyzwania stawiane IoT i IoE

Urządzenia IoE stają się kluczową częścią rynku. Usprawniają nasze funkcjonowanie, ułatwiają nam podejmowanie decyzji i wykonują za nas część czynności. Takie zadania wymagają dobrze zaprojektowanych i bezpiecznych aplikacji, zarówno pod względem sprzętu, jak i oprogramowania. Elementem IoE są ludzie, dlatego wiele przetwarzanych i przesyłanych informacji będzie zawierało dane użytkowników, zarówno biznesowe, jak i prywatne. Aby zezwolić aplikacji na dostęp do tych danych, musimy mieć pewność, że będą właściwie chronione.

Bezpieczeństwo jest najważniejszym aspektem, na jaki zwracają uwagę deweloperzy podczas prac nad nowymi projektami. Jest to także ich główna obawa przed implementowaniem rozwiązań IoE. Zagadnienia bezpieczeństwa i prywatności danych w IoE są brane pod uwagę już na etapie koncepcji i projektu (secure by design). Standardem jest ochrona haseł poprzez szyfrowanie komunikacji np. za pomocą TLS 1.2 (Transport Layer Security), poza tym do standardów przemysłowych możemy zaliczyć takie funkcjonalności jak:

• autoryzowana aktualizacja oprogramowania urządzenia – wymaga funkcji zwanej secure boot. Jej zadaniem jest blokowanie nieautoryzowanego dostępu do pamięci programu;
• obszary pamięci o specjalnym przeznaczeniu – niektóre dane, takie jak numer seryjny, numer id urządzenia, mac adres, powinny być przechowywane w pamięci tylko do odczytu bez możliwości zmiany;
• zabezpieczenia przed modyfikacjami urządzenia – dotyczy to zarówno modyfikacji fizycznych, jak i programowych oraz szeroko rozumianych działań z zakresu reverse enginering;
• chroniony obszar pamięci (secure storage) – pamięć tego typu jest przeznaczona do przechowywania zaszyfrowanych informacji, np. kluczy kryptograficznych i haseł. Zabezpieczenie może polegać na blokowaniu dostępu do tego obszaru pamięci przy próbie odczytu za pomocą programatora/debuggera. Tylko działająca aplikacja ma do nich dostęp;
• blokowanie cofania wersji firmware (anti roll back protection) – niektóre próby złamania zabezpieczeń mogą polegać na symulowanym autoryzowanym załadowaniu starego oprogramowania, które zawiera luki w zakresie bezpieczeństwa danych.

Co z IIoT?

Przemysłowy Internet Rzeczy – IIoT odnosi się do zastosowania technologii IoT w produkcji i branżach pokrewnych, takich jak rolnictwo, gaz i ropa naftowa, usługi komunalne i transport, w celu tworzenia inteligentnych, samoregulujących się systemów. Przemysłowy Internet Rzeczy otwiera nową erę wzrostu gospodarczego i konkurencyjności, która zmieni firmy i kraje. Podstawową ideą IIoT jest zapewnienie maszynom systemu wymiany danych i zdalnego ich sterowania i konfigurowania. Kolejnym etapem jest zapewnienie pewnego rodzaju inteligencji, która na podstawie zebranych i przeanalizowanych danych w czasie rzeczywistym będzie podejmowała odpowiednie działania produkcyjne. Dotyczy to również identyfikowania, kiedy wymagają konserwacji i czynności serwisowych. Ma to wpływ na zapobieganie awariom i skrócenie przestojów, zwiększając ogólną zdolność produkcyjną i przepustowość. Jednak dopiero aktywne połączenie inteligentnych maszyn, danych i ludzi będzie miało duży wpływ na produktywność i wydajność w szerokiej perspektywie czasu oraz dopasowanie produktów do wymagań użytkowników.

Przechwytywanie większej ilości danych na temat produktów i procesów oraz ich odpowiednie przetwarzanie pozwala na zmianę praktyk biznesowych i podejmowanie decyzji. Umożliwia automatyzację niektórych procesów i może skrócić czas wprowadzania produktów na rynek. Dodanie człowieka do systemu IIoT umożliwi obserwowanie funkcjonowania produktu i analizę jego cyklu życia. W efekcie produkty będą na bieżąco udoskonalane w odpowiedzi na potrzeby klientów. Ewolucja IoT do IoE wskazała kierunek rozwoju technologii internetowych, IIoE wydaje się być tylko kwestią czasu.

Damian Sosnowski, EP