Internet of Things

Το Διαδίκτυο των πραγμάτων (IoT) αποτελείται από έξυπνες συσκευές που επικοινωνούν μεταξύ τους. Δίνει τη δυνατότητα σε αυτές τις συσκευές να συλλέγουν και να ανταλλάσσουν δεδομένα. Εκτός αυτού, το IoT έχει τώρα ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στην καθημερινή μας ζωή, όπως στη βιομηχανία, στις μεταφορές, στην υγειονομική περίθαλψη, στο περιβάλλον και φυσικά στην πόλη. Οι έξυπνες συσκευές μπορούν να έχουν ενσύρματη ή ασύρματη σύνδεση. Όσον αφορά την ασύρματη σύνδεση, υπάρχουν πολλές διαφορετικές τεχνολογίες επικοινωνίας και πρωτόκολλα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη σύνδεση αυτών των συσκευών. Μερικά από αυτά είναι το IPv6, το 6LoWPAN (over Low power Wireless Personal Area Networks), το ZigBee, το BLE (Bluetooth Low Energy), το Z-Wave, το NFC (Near Field Communication) κ.ά.

Το 2020 ήταν η χρονιά όπου για πρώτη φορά ο αριθμός των συνδεδεμένων συσκευών IoT ξεπέρασε τον αριθμό των συσκευών που βρίσκονταν εκτός σύνδεσης IoT. Εκείνη τη χρονιά υπήρχαν περισσότερες από 11,7 δισεκατομμύρια συνδεδεμένες συσκευές, όπως smartphones, υπολογιστές και άλλες έξυπνες οικιακές συσκευές. Οι «εκτός» IoT συσκευές άγγιξαν τα 10 δισεκατομμύρια-και σε εκείνο το σημείο- διάφοροι ερευνητές εκτίμησαν πως ο αριθμός των συνδεδεμένων συσκευών θα αυξηθεί στα 30,9 δισεκατομμύρια μέχρι το 2025.

Η διαθεσιμότητα και η επέκταση των πρωτοκόλλων IoT, συμπεριλαμβανομένου του νέου δικτύου πέμπτης γενιάς 5G και των δικτύων χαμηλής κατανάλωσης WAN, οδηγεί και υποστηρίζει μεγάλο μέρος αυτής της ανάπτυξης. Γιατί όμως είναι σημαντικά τα πρωτόκολλα IoT; Το όφελος και η αξία του IoT προέρχεται από τη δυνατότητα επικοινωνίας των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων κάθε συσκευής. Αυτή η ικανότητα επικοινωνίας είναι που μετακινεί δεδομένα από τις endpoint συσκευές μέσω του «αγωγού» IoT, σε κεντρικούς server. Αυτή η επικοινωνία πραγματοποιείται μέσω των πρωτοκόλλων IoT, τα οποία διασφαλίζουν ότι τα δεδομένα που αποστέλλονται από τις συσκευές, όπως οι αισθητήρες, λαμβάνονται και γίνονται κατανοητά από τις επόμενες συσκευές, είτε αυτές είναι gateways είτε εφαρμογές, κ.λπ.

Με απλά λόγια, τα πρωτόκολλα των Διαδικτύων των Πραγμάτων είναι τόσο κρίσιμα για την ύπαρξη του IoT όσο και τα ίδια τα πράγματα. Τα πρωτόκολλα είναι απαραίτητα για να λειτουργήσει το IoT, ωστόσο δεν δημιουργούνται όλα ίσα. Με άλλα λόγια κάθε πρωτόκολλο έχει δημιουργηθεί για να λειτουργεί ανάλογα με την περίσταση ή την εγκατάσταση. Ορισμένα πρωτόκολλα λειτουργούν καλά για χρήση του IoT σε κτίρια και άλλα χρησιμοποιούνται για δημόσιες υποδομές ή κρίσιμες υποδομές. Υπάρχουν πολλά διαθέσιμα πρωτόκολλα IoT, με το καθένα να προσφέρει ορισμένες δυνατότητες ή συνδυασμούς χαρακτηριστικών που το καθιστούν προτιμότερο από άλλες επιλογές. Κάθε πρωτόκολλο IoT επιτρέπει την επικοινωνία συσκευής με συσκευή, από συσκευή σε gateway ή από συσκευή Cloud σε υπηρεσία ή κέντρο δεδομένων επικοινωνίας (ή και συνδυασμούς αυτών). Η γεωγραφική τοποθεσία, η κατανάλωση ενέργειας και γενικότερα το κόστος, είναι οι κρισιμότεροι παράγοντες και αυτοί που θα καθορίσουν ποιο πρωτόκολλο ταιριάζει σε κάθε περίσταση. Μπορούμε να επιλέξουμε ανάμεσα από δεκάδες πρωτόκολλα κατά την κατασκευή ενός δικτύου για να εξυπηρετήσουμε το οικοσύστημά IoT. Τα πιο συνηθισμένα είναι τα εξής:

Bluetooth-BLE

Αναμφίβολα μια από τις σημαντικότερες τεχνολογίες επικοινωνιών μικρής εμβέλειας είναι το Bluetooth, το οποίο χρησιμοποιείται στον κλάδο της πληροφορικής, αλλά και σε πληθώρα διάφορων καταναλωτικών προϊόντων, όπως smartphones. Το νέο Bluetooth Low Energy (BLE) – ή αλλιώς Bluetooth Smart, είναι εξίσου σημαντικό για εφαρμογές IoT. Παρόλο που προσφέρει παρόμοια εμβέλεια με το Bluetooth, έχει σχεδιαστεί για να προσφέρει σημαντικά μειωμένη κατανάλωση ενέργειας. Το BLE δεν είναι πραγματικά σχεδιασμένο για μεταφορά αρχείων, ωστόσο έχει ένα σημαντικό πλεονέκτημα έναντι άλλων «ανταγωνιστικών» τεχνολογιών, καθώς είναι ενσωματωμένο σχεδόν σε όλα τα smartphone της αγοράς και σε πολλές άλλες συσκευές.

AMQP

Το Advanced Message Queuing Protocol-AMQP, επιτρέπει τη διαλειτουργικότητα ανταλλαγής μηνυμάτων μεταξύ των συστημάτων, ανεξάρτητα από τις πλατφόρμες που χρησιμοποιούνται. Προσφέρει ασφάλεια και διαλειτουργικότητα, καθώς και μεγάλη αξιοπιστία, ακόμη και σε μεγάλες αποστάσεις ή όταν τα δίκτυα είναι αναξιόπιστα. Υποστηρίζει επικοινωνίες, ακόμη και όταν τα συστήματα δεν είναι ταυτόχρονα διαθέσιμα.

Zigbee

Το ZigBee, έχει σχεδιαστεί για να μεταφέρει μικρά πακέτα δεδομένων σε μικρές αποστάσεις, διατηρώντας παράλληλα την κατανάλωση ενέργειας σε χαμηλά επίπεδα. Χρησιμοποιεί μια έκδοση του προτύπου 802.15.4 του ΙΕΕΕ (Ινστιτούτου Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών) και τη ζώνη συχνοτήτων ISM 2,4 GHz και δεδομένου ότι πρόκειται για παγκόσμιο πρότυπο, οι εφαρμογές του μπορούν να χρησιμοποιηθούν σχεδόν οπουδήποτε. Η εμβέλεια του όσον αφορά τη μετάδοση φτάνει έως και 100 μέτρα, έχοντας μέγιστη ταχύτητα τα 250 Kbps. Το ZigBee έχει μερικά σημαντικά πλεονεκτήματα όπως λειτουργία χαμηλής ισχύος, υψηλή ασφάλεια, υψηλή επεκτασιμότητα και είναι σε θέση να εκμεταλλευτεί ασύρματα δίκτυα ελέγχου και αισθητήρων σε εφαρμογές M2M και IoT. Ωστόσο, πηγές αναφέρουν πως έχει παρουσιάσει διάφορα προβλήματα διαλειτουργικότητας, καθώς δύο από τα προφίλ του, μπορούν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.

UPB

Το UPB (Universal Powerline Bus) είναι ένα ενσύρματο πρωτόκολλο που δημιουργήθηκε το 1999 και παραμένει μέχρι σήμερα ένα από τα τεχνολογικώς πιο προηγμένα πρωτόκολλα. Χρησιμοποιεί την υπάρχουσα ηλεκτρική καλωδίωση του σπιτιού για την επικοινωνία μεταξύ των συσκευών, χαρακτηριστικό που δεν είναι τόσο φιλικό προς τον χρήστη, αλλά μπορεί να παρέχει περισσότερη αξιοπιστία εάν πρόκειται για υψηλότερη προτεραιότητα. Όπως συμβαίνει με τα ZigBee και Z-Wave, οι συμβατές με το UPB συσκευές συνδέονται μεταξύ τους χρησιμοποιώντας έναν κεντρικό οικιακό controller. Κάθε συσκευή πρέπει να ρυθμίζεται χειροκίνητα στο δίκτυο, καθιστώντας έτσι την εγκατάσταση πιο χρονοβόρα. Επειδή χρησιμοποιεί τα ηλεκτρικά καλώδια του σπιτιού, δεν αντιμετωπίζει τα προβλήματα παρεμβολών και εμβέλειας που εμφανίζουν τα ασύρματα πρωτόκολλα, με αποτέλεσμα να θεωρείται μια εξαιρετική επιλογή για τον έξυπνο οικιακό αυτοματισμό. Μειονέκτημά του αποτελεί το γεγονός ότι σε σύγκριση με άλλα πρωτόκολλα είναι συμβατό με μικρότερο αριθμό προϊόντων οικιακού αυτοματισμού. Επίσης, το UPB συνδέεται δύσκολα με ασύρματες συσκευές, περιορίζοντας την δυνατότητα αναβάθμισης του έξυπνου οικιακού συστήματος με επιπλέον εξοπλισμό.

Z-Wave

Το Z-Wave είναι μια τεχνολογία επικοινωνιών που χρησιμοποιεί ραδιοκύματα χαμηλής ισχύος και έχει σχεδιαστεί κυρίως για οικιακό αυτοματισμό και προϊόντα όπως ελεγκτές λαμπτήρων και αισθητήρες κ.ά. Λειτουργεί σε συχνότητες κάτω του 1GHz και είναι αδιαπέραστo από παρεμβολές Wi-Fi και άλλων ασύρματων τεχνολογιών που λειτουργούν στη συχνότητα 2,4 GHz, όπως το Bluetooth και το ZigBee. Υποστηρίζει δίκτυα mesh και είναι επεκτάσιμο, επιτρέποντας τον έλεγχο έως και 232 συσκευών.

6LowPAN

Το 6LoWPAN είναι ένα ακρώνυμο της IPv6 που έχει σχέση με ασύρματα δίκτυα προσωπικής περιοχής που καταναλώνουν χαμηλή ενέργεια. Το 6LoWPAN είναι το όνομα του working group στην περιοχή διαδικτύου της IETF (Internet Engineering Task Force). Το σχέδιο του 6LoWPAN προήρθε από την ιδέα ότι το πρωτόκολλο του διαδικτύου θα πρέπει να είναι ικανό να χρησιμοποιείται και σε ακόμα μικρότερες συσκευές. Συσκευές οι οποίες χρησιμοποιούν χαμηλή ενέργεια με περιορισμένες ικανότητες επεξεργαστή και πρέπει να είναι ικανές να συμμετέχουν στη σύνδεση στο διαδίκτυο.

Thread

Το Thread είναι ένα νέο πρωτόκολλο δικτύωσης IPv6 ιδανικό για χρήση σε οικιακούς αυτοματισμούς. Βασίζεται στο 6LowPAN, ωστόσο δεν είναι ένα πρωτόκολλο IoT όπως το Bluetooth ή το ZigBee, αφού σχεδιάστηκε πρωτίστως ως συμπλήρωμα του WiFi. Δημιουργήθηκε στα μέσα του 2014 από την ομάδα Thread και βασίζεται σε διάφορα πρότυπα όπως το IEEE802.15.4 (ως πρωτόκολλο ασύρματης διασύνδεσης), το IPv6 κ.ά. Το Thread υποστηρίζει ένα δίκτυο mesh χρησιμοποιώντας πομποδέκτες IEEE802.15.4 και είναι σε θέση να διαχειριστεί μέχρι 250 κόμβους με υψηλά επίπεδα ελέγχου ταυτότητας και κρυπτογράφησης.

Wi-Fi

Η συνδεσιμότητα Wi-Fi είναι συχνά μια προφανής επιλογή για πολλούς προγραμματιστές, διαθέτει μια ευρεία υφιστάμενη υποδομή και προσφέρει γρήγορη μεταφορά και διαχείριση δεδομένων. Επί του παρόντος, το πιο συνηθισμένο πρότυπο Wi-Fi που χρησιμοποιείται στα σπίτια και σε πολλές επιχειρήσεις είναι το 802.11n, το οποίο προσφέρει μεγάλη απόδοση (εκατοντάδες megabits ανά δευτερόλεπτο) κάτι που το καθιστά ιδανικό για μεταφορές αρχείων. Ωστόσο μπορεί να καταναλώσει πολλή ενέργεια σε διάφορες εφαρμογές του IoT.

Κυψελοειδή δίκτυα

Οποιαδήποτε εφαρμογή IoT που απαιτεί λειτουργία σε μεγαλύτερες αποστάσεις μπορεί να επωφεληθεί από τις δυνατότητες της κυψελοειδούς επικοινωνίας GSM / 3G / 4G και του νέου φυσικά 5G. Η μέθοδος αυτή είναι σαφώς ικανή να αποστείλει μεγάλες ποσότητες δεδομένων, ειδικά για το 4G, ωστόσο η κατανάλωση ενέργειας θα είναι υπερβολικά υψηλή για πολλές εφαρμογές, αλλά μπορεί να είναι ιδανική για προγράμματα που βασίζονται σε αισθητήρες χαμηλού εύρους ζώνης, τα οποία θα στείλουν πολύ χαμηλά ποσά δεδομένων μέσω του διαδικτύου. Το 3G ήταν το πρώτο κυψελοειδές δίκτυο “υψηλής ταχύτητας” και είναι ένα όνομα που αναφέρεται σε μια σειρά τεχνολογιών που πληρούν τα πρότυπα IMT-2000. Το 4G είναι η δημιουργία κυψελοειδών προτύπων που ακολούθησαν το 3G και είναι αυτό που οι περισσότεροι άνθρωποι χρησιμοποιούν σήμερα στα κινητά τους. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε συσκευές 3G και 4G για συσκευές IoT, αλλά θα χρειαστείτε σταθερή πηγή ενέργειας (τακτική φόρτιση). Το 5G θα είναι η επόμενη γενιά πρωτοκόλλου κυψελοειδούς δικτύου.

NFC

Το NFC (Near Field Communication) είναι μια τεχνολογία που επιτρέπει απλές και ασφαλείς αμφίδρομες αλληλεπιδράσεις μεταξύ ηλεκτρονικών συσκευών, όπως τα smartphones, επιτρέποντας στους καταναλωτές να πραγματοποιούν συναλλαγές χωρίς επαφή, να έχουν πρόσβαση σε ψηφιακό περιεχόμενο και να συνδέουν ηλεκτρονικές συσκευές. Ουσιαστικά επεκτείνει την τεχνολογία της ασύρματης κάρτας και επιτρέπει στις συσκευές να μοιράζονται πληροφορίες σε απόσταση μικρότερη από 4 εκατοστά.

MQTT

Αναπτύχθηκε το 1999 για πρώτη φορά και είναι γνωστό και ως Message Queuing Telemetry Transport. Το MQTT χρησιμοποιεί μια αρχιτεκτονική δημοσίευσης-συνδρομής για να ενεργοποιήσει την επικοινωνία M2M. Σχεδιάστηκε για να λειτουργεί σε καταστάσεις χαμηλού εύρους ζώνης, όπως για αισθητήρες και κινητές συσκευές, όπου τα δίκτυα είναι αναξιόπιστα. Το MQTT, το οποίο ξεκίνησε ως ιδιόκτητο πρωτόκολλο, είναι πλέον το κορυφαίο πρωτόκολλο ανοιχτού κώδικα για τη σύνδεση IoT σε βιομηχανικές συσκευές.

Sigfox

Μια εναλλακτική τεχνολογία ευρείας εμβέλειας είναι η Sigfox. Το Sigfox χρησιμοποιεί μια τεχνολογία που ονομάζεται Ultra Narrow Band (UNB) και έχει σχεδιαστεί μόνο για να χειρίζεται χαμηλές ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων από 10 έως 1.000 bits ανά δευτερόλεπτο. Έχοντας ήδη αναπτυχθεί σε δεκάδες χιλιάδες συνδεδεμένα αντικείμενα και σε μεγάλες πόλεις σε όλη την Ευρώπη, συμπεριλαμβανομένων δέκα πόλεων στο Ηνωμένο Βασίλειο, το Sigfox προσφέρει ένα ισχυρό, οικονομικά αποδοτικό και κλιμακωτό δίκτυο, που μπορεί να επικοινωνήσει με εκατομμύρια συσκευές που λειτουργούν με μπαταρία σε διάφορα τετραγωνικά χιλιόμετρα, καθιστώντας το κατάλληλο για διάφορες εφαρμογές, όπως έξυπνες συσκευές μέτρησης, συσκευές παρακολούθησης ασθενών, συσκευές ασφαλείας, φωτισμός και περιβαλλοντικούς αισθητήρες.

Άλλα γνωστά πρωτόκολλα που μπορεί να συναντήσουμε είναι το LoRaWAN, το οποίο έχει σχεδιαστεί για δημόσια δίκτυα μεγάλης κλίμακας, το Ingenu και το NB-IoT, του οποίου ενεργοί υποστηρικτές είναι η Huawei, η Ericsson και η Qualcomm. Μερικά ακόμα το DDS, το CoAP και το LWM2M.