Kun internet kehittyy, yhä suurempi osa laitteista ei ole ihmisten käsissä. Esineiden internetin myötä informaatio ei enää siirry pääsääntöisesti käyttäjien välillä.

Koneet ovat alkaneet generoida ja kuluttaa sisältöä, ja tämä trendi kasvaa nopeasti. Ihmisten internetiä täydentää esineiden internet, joka tuottaa valtavasti uutta informaatiota ja mahdollistaa uusia automaation muotoja. Mutta IoT-tietoliikenteellä on erityisvaatimuksia. Energiaa keräävillä anturisolmuilla näihin vaatimuksiin voidaan vastata.

IoT:n ja IPv6:n avulla käyttävät pääsevät suoraan käsiksi kulloiseenkin tilanteeseen reaaliaikaisen laskennan ja aktaattorien lykkään hallinnan kautta.

Tarvittavat verkot, jotka on rakennettu antureista, aktuaattoreista ja prosessoreista, voidaan rakentaa ja joustavasti modifioida oikean tarpeen mukaan. Tässä prosessissa datan tallennus voidaan tehdä paikalliseti tai pilvipohjaisessa infrassa (Infrastructure as a Service – IaaS). Täten käyttäjä voi komentaa lämmitysjärjestelmää internetin yli miellyttävälle tasolla, kun palataan matkalta kotiin. Tässä komennon sisällön generoi ihminen, kun lämmitysjärjestelmä prosessoi datan ja nostaa lämpöä tiettynä aikana. Lisäksi ulko- ja sisäilman lämpötilaa mittaavia langattomia antureita voidaan yhdessä sääennusteen kanssa käyttää kotiautomaatiojärjestelmässä laskemaan tarvittava lämmityksen nosto. Laitteet (anturit, aktuaattorit, ohjausjärjestelmät) kommunikoivat nyt suoraan käyttäjien tai toisten koneiden kanssa laajasti internetin yli.

Esineiden internetin hyödyt

Suuresta antureista, aktuaattoreista ja toistensa kanssa yhteen toimivista ohjausyksiköistä koostuva verkko voi tuoda useita selviä hyötyjä.

Syötteen eli datan määrän kasvu yleensä johtaa parempaan näkymään järjestelmän tilasta. Tämä lisäinformaatio mahdollistaa paremman päätöksentekoprosessin, jossa voidaan ottaa huomioon laaja määrä muuttujia. Esimerkiksi teollisuuden prosessinohjauksessa ja automaatiossa, rakenteiden monitoroinnissa ja maataloudessa tämä pitää selvästi paikkansa. Toisin kuin standardissa ratkaisussa, jossa yksi tai useampi anturi liitetään yhteen keskitettyyn ohjausyksikköön, IoT mahdollistaa käytettävissä olevan informaation jakamisen eri osapuolten kesken. Siksi järjestelmä kerää datan vain kerran, mutta tuotettua informaatiota käytetään moniin eri sovelluksiin.

Tämänhetkiset ohjausjärjestelmät ovat yleensä paikallisia: antureita, ohjausyksiköitä ja aktuaattoreita käytetään usein lähellä ja suoraan toisiinsa joko kiinteästi tai langattomasti liitettynä. Esineiden internet ei enää vaadi tällaista läheisyyttä. Se mahdollistaa keskitettyjen tai jopa ulkoistettuja laskentaresurssien hyödyntämisen (pilvipohjainen laskenta), mikä alentaa järjestelmän kustannuksia.

IoT:n avulla on myös mahdollista luoda ohjausverkkoja dynaamisesti. Verkko voidaan muodostaa tai purkaa dynaamisesti ajan, sijainnin tai muiden parametrien perusteella. Esimerkiksi autot voivat automaattisesti tiedustella tienvarren lämpötila-antureilta, onko teiden jäätyminen vaarana, jolloin kuljettajaa voidaan varoittaa. Tämä esimerkiksi osoittavat esineiden internetiin liittyvän valtavan potentiaalin. Kaikki tällaisten verkkojen muodostamiseen vaadittavat tekniikat ovat jo olemassa – anturit, aktuaattorit, paikalliset tai pilvipohjaiset ohjausyksiköt ja IPv6 liittävät nämä kaikki toisiinsa.

Verkottuneen maailman vaatimukset

• Laskentateho on aina heti käytettävissä sekä paikallisesti että pilvestä. Suurin haaste liittyy siihen, miten otetaan käyttöön suuri joukko anturi- ja aktuaattorisolmuja ja yhdistetään ne sopivalla tavalla.
• Asennus: suuri joukko anturi- ja aktuaattorisolmuja täytyy ottaa käyttöön, usein olemassa olevassa infrastruktuurissa.
• Skaalaaminen ylös: käyttöön otettujen anturin lisääminen verkon laajentamisen takia.
• Yksittäisten solmujen vaatiman huollon ja ylläpidon pitää olla minimaalista, kun rakennetaan suuria verkkoja. Suuren enemmistön solmuista tällaisissa verkoissa täytyy olla huoltovapaita.
• Eri osien välinen datansiirto: todellinen IoT-verkko voi toteutua vain, jos kaikkiin sen solmuihin päästään käsiksi IP-protokollan välityksellä. Solmujen itsensä ei tarvitse fyysisesti kommunikoida IPv6:n välityksellä, kunhan käännös solmun oman protokollan ja IPv6:n välillä on läpinäkyvä. Samaan aikaan turvattu datansiirto on avainvaatimuksia, kun anturi-informaatiota ja aktuaattorikäskyjä siirretään internetin yli.
• Lopulta kustannus on lähes aina rajoittava tekijä, joten kokonaiskustannusten täytyy olla alhaisia. Langattomat järjestelmät voivat helppoine asennuksineen ja skaalautumisineen täyttää nämä kaikki vaatimukset. Huoltovapaa, ilmainen anturien ja aktuaattorien toiminta voidaan saavuttaa vain energiaa keräävillä langattomilla anturisolmuilla.

Energianlähteet

Energiaa keräävät laitteet käyttävät pääsääntöisestyi kolmeen pääkategoriaan kuuluvia energianlähteitä.

Kuva 1. Energiaa kerätään pääsääntöisesti kolmella eri periaatteella.

Lisäksi käytetään harvemmin ympäröiviä energianlähteitä kuten sähkömagneettisia aaltoja sekä kemiallisia ja biosähköisiä järjestelmiä. Avainhaaste näiden kaikkien energianlähteiden kanssa on se, että ne tuottavat hyvin pieniä määriä energiaa. Energiaa voi vapautua joko lyhyinä purskeina tai jatkuvana pienenä norona. Molemmissa tapauksissa energiaa pitää tyypillisesti kerätä pidempiä aikoja tai muuntaa (korkeampiin jännitteisiin), jotta sitä voi käyttää.

Tämä asettaa merkittäviä haasteita energia keräävien langattomien anturisolmujen suunnittelulle. Erityisesti näiden laitteiden järjestelmäsuunnittelun pitää olla erittäin energiatehokasta ja käyttää alhaista kuormajaksojen määrää (laitteet ovat enimmäkseen unitilassa) ja tulla toimeen hyvin pienellä valmiusvirralla unitilassa. Tällaisten laitteiden käyttämä tietoliikenneprotokolla pitää optimoida energiatehokkaaksi, jotta sen aktiivitoiminta-aika on mahdollisimman lyhyt.

Energiatehokas järjestelmäsuunnittelu

Koska useimmat energiankeruulaitteet generoivat vain pieniä tehomääriä, on välttämätöntä kerätä sitä pidemmän aikaa, kun järjestelmä on levossa ja menettää vain pieni osa tehosta sitä kerätessä.

Siksi tällaisen energiatehokkaan järjestelmän kaikkein keskeisin vaatimus on, että joutovirta on äärimmäisen alhainen. Tänä tarkoittaa, että järjestelmän ollessa lepo- tai unitilassa energiaa kulutetaan vain erittäin vähän. Standardin kulutuselektroniikan virrankulutus valmiustilassa mitataan nykyisin muutamissa milliampeereissa, kun teho-optimoiduissa sulautetuissa suunnitteluissa päästään tyypillisesti muutamiin mikroampeereihin, eli puhutaan 1000-kertaisesta parannuksesta. Vertailun vuoksi EnOceanin uusimman polven energiankeruuanturit vaativat 100 nanoampeerin tai sitä pienemmän virran, mikä on jo 10000-kertainen parannus. Tämän tasoinen parannus edellyttää erittäin edistyneitä suunnittelutekniikoita ja kattavaa jokaisen komponentin optimointia.

Toinen vaatimus näissä järjestelmissä on se, että ajan mittaan kerätty energia täytyy käyttää mahdollisimman tehokkaasti, kun järjestelmä on aktiivinen. Langattomissa anturilaitteissa kaksi tärkeintä tehtävää aktiivitilassa ovat ulkoisen suureen mittaaminen ja sen arvon välittäminen langattomasti lähettämällä. Molemmat tehtävät täytyy optimoida minimaalisen tehonkulutuksen saavuttamiseksi. Langattoman lähettämisen osalta tämä tarkoittaa, että valitun protokollan pitää olla mahdollisimman tehokas. Antureiden tuottama datakuorma on usein hyvin pieni (muutamia tavuja), joten protokollan pitää olla mahdollisimman kevyt.

Tämä viimeisin vaatimus on vaikea saavuttaa IPv6:n avulla edes yksittäisen anturin tasolla, koska siihen sisältyy paljon ylimääräistä: IPv6-otsikko jo vaatii 40 tavua protokolladataa (ks. kuva 1). Sen lisäksi UDP, joka on ehkäpä yksinkertaisin IPv6:n päällä toimiva tietoliikenneprotokolla, vaatii 8 tavua lisää protokolladataa (kuva 2). IPv&:n ja UDP-otsikon rakenteen perusteella 1-tavuisen anturidatan vaatisi 48 tavua alhaisen tason protokolladataa. IPv6/UDP ei siksi sovi kovin hyvin energiatehokkaaseen viestintään verkon anturitasolla.

Jos verrataan johtavaan EnOceaonin protokollaan, se tarvitsee ISO/IEC 145543-3-10 -standardin mukaisissa energiankeruusovelluksissa vain 7 tavua protokolladataa yhden anturidatan lähettämiseen (kuva 3). Käännös tällaista energiatehokkaasta protokollasta IPv6:een tehdään dedikoiduilla IP-yhdyskäytävillä, jotka kuvaavat jokaisen verkkoon liitetyn anturisolmun tilan ja toimivat näiden edustajina IPv6-verkossa.

IoT:n perusta

Protokollakäännöksen integroitu lähestymistapa antaa eri osapuolille mahdollisuuden viestiä langattomien energiankeruuanturien ja aktuaattorien kanssa IPv6:n yli.

Näin anturin ja yhdyskäytävän välillä voidaan käyttää ultravähävirtaseen tiedonsiirtoon ja energiankeruusovelluksiin optimoitua protokollaa kuten ISO/IEC 14543-3-10. Tämä mahdollistaa langattomasti yhdistettyjen huoltovapaiden ja kustannustehokkaiden laitteiden käyttämisen verkossa.

Yhdessä IPv6-yhdyskäytävien kanssa nämä solmut muodostavat esineiden internetin perusta ja mahdollistavat seuraavan teknologisen vallankumouksen. Hyvä esimerkki tällaisesta on EnOcean Pi:een yhdistetty Raspberry Pi. Tämä antaa käyttäjille IP-yhdyskäytävän, joka toimii kaikkien EnOcean-ekosysteemien kanssa samalla, kun tarjoaa IP-liitännän. Raspberry Pin kautta käyttäjä voi ladata avoimen ohjelmiston kuten OpenHabin, jolla saadaan helppo IP-liitäntä EnOcean-tietoliikenteeseen. OpenHab kuuluu EnOcean Alliancen tapaan AllSeen Allianceen, jonka avoimen Alljoyn-tekniikan avulla antaa kehittäjille mahdollisuuden koodata sovelluksia, jotka löytävät lähellä olevia laitteita ja viestivät toistensa kanssa suoraan valmistajasta, tuotekategoriasta, dataliikenteestä ja käyttöjärjestelmästä riippumatta.

Tämän lähestymistavan ansiosta voidaan yksittäisten anturien dataa siirtää, vaikka ne ovat unitilassa ja siksi suoran datansiirron ulottumattomissa. Herättyään anturit päivittävät tilatietonsa yhdyskäytävästä ja noutavat niille tarkoitetut viestit ja komennot.