Esineiden internetin pitäisi mennä, mutta millä laitteilla, millä verkkotekniikalla ja minkälaisilla pilvipalveluilla? Avnet Silican alusta voi auttaa suunnitteluratkaisuja tekeviä.
| Artikkelin kirjoittaja John Jones toimii Avnet Silicalla innovaatiojohtajana. Hän tarkastelee tässä artikkelissa, mitä haasteita ja valintoja IoT-järjestelmien ja -sovellusten kehittämiseen sisältyy, ja kuinka Visible Things -alusta voi nopeuttaa turvallisten ja skaalautuvien yritysratkaisujen kehitystä erilaisiin teollisuussovelluksiin. |
Esineiden internet eli IoT tuo teknologisen vallankumouksen, joka voi tarkoittaa parempaa tehokkuutta ja tuottavuutta nykyisissä laiteympäristöissä. Tämän lisäksi pilvipohjaisista it-teknologioista on tulossa yhä suorituskykyisempiä, datan reaaliaikainen analyysi voi mahdollistaa autonomisen päätöksenteon ja luoda mahdollisuuksia uusille palveluille ja yritysten myyntituloille. IoT voi olla myös monimutkainen, pirstaloitunut ja kireäkin siirtymä monille, erityisesti teollisuudessa toimiville.
Esimerkiksi teollisuuden laitteisto on usein kymmeniä vuosia vanhaa, eikä sitä voi helposti tai kustannustehokkaasti korvata. Uudet sulautetut liitäntätekniikat – niin laitteet kuin ohjelmistot – joill älykkäitä antureita kytketään pilveen ja yritysten ohjelmistoihin, useissa tapauksissa internet-yhdyskäytävän kautta, tuo mukaan kysymykset liitettävyydestä, yhteensopivuudesta, tietoturvasta ja skaalattavuudesta. Nämä kaikki voivat olla vakavia haasteita vanhojen järjestelmien laitteiden liittämisessä verkkoon, erityisesti jos puhutaan usean valmistajan toimittamista järjestelmistä.
Markkinat ja sovellukset
Tällä hetkellä IoT-markkinoiden koon arvioissa on suurta hajontaa, mutta esimerkiksi IHS:n ennusta povaa nopeaa laajentumista lähivuosien aikana. Vuoteen 2025 mennessä internetiin liitetään yli 50 miljardia laitetta, eli yli 12 miljardia joka vuosi, IHS ennustaa. Iso osa näistä laitteista on teollisuudessa, sillä noin 20 miljardia niistä liittyy teollisuusautomaatioon, rakennus- ja kotiautomaatioon, älyetämittareihin sekä hälytys- ja turvatuotteisiin ja -järjestelmiin.
Tätä kasvua vauhdittavat useat uudet sovellukset. Klassinen IoT-sovellus on ennustava ylläpito, jossa esimerkiksi tuotanto- tai toimintadataa kerätään laitteisiin tai niiden lähelle asennetuista antureista ja se lähetetään pilveen reaaliaikaista analyysiä varten. Tämän ansiosta voidaan tarkasti diagnosoida ja estää laitteiden pettäminen, mikä voi olla merkittävä etu tuotantoyrityksille ja elintärkeää kriittisille järjestelmille. Ennustava ylläpito voi vaikuttaa suuresti korkean teknologian tuotantoon ja älytehtaisiin siinä kehityksessä, jota Saksassa kutsutaan Teollisuus 4.0 -vallankumoukseksi.
Toinen avainsovellus on kuljetuksen ja logistiikan paikannus ja seuranta. Matalatehoisten ohutkaistalähettimien asentaminen ajoneuvoihin tai suuriin tavaroihin mahdollistaa – yhdessä pilven data-analytiikan kanssa – toimitusten reaaliaikaisen seurannan, joka parantaa toimituksia ja helpottaa kuljetusten vakuuttamista. Sen avulla voidaan myös optimoida kuljetusreittejä ja varastokapasiteettia. Lisäesimerkin muodostavat palohälyttimien asentaminen kotiin, joissa verkkoliitännän lisääminen mahdollistaa lisäpalveluja kuten asukkaiden läsnäolon havaitsemisen tiloissa. Tämä mahdollistaa aivan uudenlaisia sovelluksia ja palveluja kuluttajalle.
Haasteet ja liitäntämahdollisuudet
IoT-järjestelmiä ja -sovelluksia kehittelevillä yrityksellä on monia haasteita. Niihin kuuluvat solmulaitteiden alhainen virrankulutus (erityisesti pienillä paristoilla toimivissa laitteissa), skaalattavuus ja kyky hallita tuhansia tai jopa miljoonia laitteita, moninaiset hankalat tietoturvaongelmat ja erillisratkaisujen yhteensopivuus IoT-ketjun eri tasoilla.
Liitettävyyden suhteen voi tehdä monenlaisia valintoja. Perinteisiin mahdollisuuksiin kuuluvat lyhyen kantaman langattomat ratkaisut kuten wlan, bluetooth (BLE) tai zigbee solmulaitteista reitittimeen/yhdyskäytävään, joka on yleensä liitetty pilveen ethernetin tai wlanin välityksellä. Toinen mahdollisuus on mobiiliyhteys yhdyskäytävään tai jopa suoraan solmulaitteisiin, jolloin niistä voidaan lähettää data suoraan pilveen. Tämä tarkoittaa kuitenkin suuritehoista viestintää, mikä ei aina sopi hyvin IoT-datan tyypillisesti vaatimien pienten datapakettien lähettämiseen.
On kuitenkin olemassa vaihtoehtoisia alhaisen tehonkulutuksen ohutkaistatekniikoita LPWAN-verkkojen (Low-Power Wide-Area Network) muodossa kuten LoRaWAN ja Sigfox. Niiden peruskonsepti sanoo, että monissa IoT- ja M2M-laitteissa tarvitsee lähettää vain pieniä määriä dataa pariston voimalla. Nämä LPWA-tekniikat mahdollistavat selvästi pienemmät kustannukset ja paremman tehonkulutuksen, ja lisäksi niillä voidaan toteuttaa suuria verkkoja, joissa on miljoonia paristokäyttöisiä solmuja.
LoRan datanopeus yltää 0,3 kilobitistä aina 22 kilobittiin sekunnissa, kun taas Sigfox hyödyntää UMB-tekniikkaa (UltraNarrowBand), mikä tekee siitä sopivamman vieläkin pienempien datamäärien lähettämiseen 1-1000 bitin sekuntivauhdilla. Sigfox-modeemin tyypillinen virrantarve on 20-70 milliampeeria ja käytännössä nolla valmiustilassa. Tämä mahdollistaa vuosikausien toiminnan paristovoimalla, erityisesti jos datanlähetys tapahtuu vain silloin tällöin. Sigfox-verkoissa peitto on tällä hetkellä rajoitettu: se löytyy suuremmista Länsi-Euroopan kaupungeista esimerkiksi Benelux-maissa, Ranskassa, Portugalissa, Espanjassa ja Iso-Britanniassa.
Lisäksi on olemassa uusi, nouseva LPWA-standardi NB-IoT (NarrowBand IoT), jota tukevat suurimmat mobiilioperaattorit ja laitevalmistajat ympäri maailman. Tekniikka on osa GSM Associationin Mobile IoT -hanketta, jolla tuodaan edullinen ja alhaisen tehonkulutuksen tietoliikenne IoT-verkkoihin mobiilitekniikoiden avulla. Hanke on edelleen alkuvaiheissaan, mutta se lupaa paljon.
Visible Things
Helpottaakseen yrityksiä hyödyntämään IoT:n tarjoamia mahdollisuuksia Avnet Silica on koonnut yhteen kaikki joustavan ja kattavat IoT-alustan arviointiin ja kehitykseen tarvittavat rakennuspalikat. Laajalle sovellusalueelle tarkoitettu Visible Things -alusta on yksi ensimmäisiä elektroniikan komponenttien ja järjestelmien jakeluyrityksiltä tulleita IoT-järjestelmien ja -sovellusten alustoja. Alusta pitää sisällään testattuja, kentällä koeteltuja, tietoturvallisia ja integroituja laitteita ja sulautettuja ohjelmistoja, joilla älykkäitä antureita ja sulautettuja laitteita liitetään yhdyskäytäväratkaisuihin tai LPWA-verkkoihin, aina pilveen ja yritysohjelmistoihin ja -sovelluksiin asti. Se on suunniteltu hyvin joustavaksi alustaksi, jossa asiakkaat saavat valikoida erilaisista vaihtoehdoista aina solmusta yrityksen järjestelmään asti.
Alusta tukee lyhyen kantaman yhteyksiä yhdyskäytävään, sekä wifi-, 3G- ja 4G-mobiiliyhteyksiä pilveen ja yritysten sovelluksiin. Se tukee myös Sigfox- ja LoRa-verkkoja, jotka on suunniteltu tuomaan tietoturvallinen, edullinen ohutkaistayhteys IoT:n ja älykaupungin vaatimuksiin, koneiden välisiin yhteyksiin (M2M) ja teollisuuden sovelluksiin.
Kuvat 1. Visible Things -alustan kattavuus.
Tietoturvan kannalta alusta sisältää sulautetun turvatun UbiquiOS-yhdyskäytäväohjelmiston, johon on integroitu salaustekniikoita sekä IP-yhteyksien TLS 1.2 -salausprotokolla (Transport Layer Security v1.2), sekä OCSP-palvelinsertifikaatti ja asiakassertifiointien autentikoiminen. Lisäturvallisuutta alusta saa piipohjaisten tekniikoiden käyttöönotosta, joissa esimerkiksi anturilaitteeseen voidaan integroida tietoturvaelementti.
Aloituspaketit
Helpon käyttövalmiin järjestelyn tuottamiseksi on tehty tarjolle kolme referenssisuunnittelun aloituspakettia, joiden avulla suunnittelijat saavat sovelluksensa toimimaan nopeasti. Jokaiseen aloituspakettiin kuuluu ARM Cortex -pohjaisen mikro-ohjaimen ohjaama kortti. Perustason Visible Things -aloituspaketti sisältää älyanturikortin, jossa on mukana Bluetooth Smart -yhteys, liike-, lämpötila/kosteus- ja valo/läheisyys-anturit yhdessä yhdyskäytäväkortin kera, joka hallitsee liitäntää pilvipalveluun wifin yli. Laajennusosana on tarjolla GSM-moduuli sulautetulla SIM-kortilla ja SIM-liitännällä, joiden avulla laite saadaan liitettyä yrityksen ohjelmistopalveluihin. Sigfox- ja LoRa-pohjaiset aloituspaketit sisältävät ko. moduulit, sekä liike- ja valoantureita. Visible Things -alustaan kuuluu myös iOS- ja Android-laitteissa toimiva mobiilisovellus, jolla päästään helposti kiinni paikalliseen laitekonfiguraatioon ja voidaan liittää laite pilvipalveluihin.
Pilvipalvelut
Avainelementti alustassa on Devicepoint-pilvipalvelu. IBM:n ohjelmistokomponenttien tukema palvelu lisää anturi- ja solmudataan konteksti-informaatiota sekä daaa muista lähteistä, joiden avulla voidaan tehdä reaaliaika-analyysiä ja pitkän tähtäimen liiketoimintaratkaisuja. Työkalu voidaan myös räätälöidä niin, että anturidataa voidaan manipuloida enemmän analytiikkaa, raportointia ja työnkulun hallintaa varten.
Kuva 2. Visible Things -pilvipalvelu.
Verkon reunalta yritykseen
Vaikka IoT-järjestelmien ja -sovellusten kehityksessä on monenlaisia haasteita ja valintoja, mahdollisuudet parantaa tehokkuutta ja kehittää uusia palveluja asiakkaille ovat vielä suuremmat. Visible Things -alusta on kattava ja joustava IoT-kehitysratkaisu, joka tarjoaa testattuja, kentällä koeteltuja ja integroituja komponentteja, joiden avulla yritykset voivat erittäin nopeasti ottaa käyttöön verkon solmusta yrityksen ohjelmistoon yltäviä ratkaisuja. Alustaa lisäksi parannellaan jatkuvasti uusilla laitteilla ja ohjelmistoilla, kuten NB-IoT-tuella, paremmilla pilvipalveluilla, edistyneemmillä SIM-palveluilla ja lisätyllä solmujen tietoturvalla.
Autoteollisuus on siirtymässä yhä monimutkaisempiin ohjelmistopohjaisiin järjestelmiin, joissa virheetön ohjelmisto on elintärkeää turvallisuuden ja suorituskyvyn varmistamiseksi. Ohjelmiston laatu ja luotettavuus eivät ole enää vain valinnaisia ominaisuuksia, vaan kriittisiä vaatimuksia erityisesti autonomisessa ajamisessa, kehittyneissä kuljettajaa avustavissa järjestelmissä (ADAS) ja yhdistetyissä ajoneuvojärjestelmissä.
Kestävä digitaalinen infrastruktuuri on kriittinen, jotta tietoliikenneverkot voidaan tehokkaasti valjastaa tekoälyinnovaatioiden ja pilvipohjaisten palveluiden tarpeisiin. Tekoälyyn liittyvien datarikkaiden sovellusten lisääntyvä kysyntä edellyttää tietoliikenneverkkoa, joka kykenee käsittelemään suuria tietomääriä alhaisella viiveellä, kirjoittaa Orange Businessin kumppaniratkaisuista vastaava Carl Hansson.
Euroopan unioni ottaa merkittävän askeleen avaruusteknologian kehittämisessä allekirjoittamalla sopimuksen uuden IRIS²-satelliittijärjestelmän toteuttamisesta. Tämä 290 satelliitin verkko on suunniteltu vahvistamaan Euroopan itsenäisyyttä ja turvallista yhteydenpitoa.
Jotta voidaan vastata uuden teknologian vaatimuksiin ja pitää järjestelmät toimimassa ”kellon tavoin”, on aika harkita ajoitusratkaisuja uudelleen. Tässä kaksiosaisessa "Precision Timing" -artikkelissa opit, miksi mikroelektromekaanisiin järjestelmiin eli MEMS-komponentteihin perustuvat piiajoituslaitteet päihittävät kvartsin elektroniikkasuunnittelun uudella aikakaudella. 
Matalatehoisten langattomien ratkaisujen asiantuntija Nordic Semiconductor ja eSIM-ratkaisuja kehittävä Kigen ovat julkistaneet yhteistyön, joka sujuvoittaa massiivisten IoT-verkkojen käyttöönottoa. Yhdessä he esittelevät CES 2025 -messuilla ratkaisun, joka yhdistää Nordic Semiconductorin nRF9151-moduulin ja Kigenin SGP.32 IoT eSIM-teknologian sekä laitteiden hallinta-alustan.
