Internet věcí

Pojem Internet věcí (internet of things) je v současné době velmi používaný pojem v oblasti informačních a komunikačních technologií (ICT). O internetu věcí se velmi mnoho mluví a píše, ale často je tento pojem těžké pochopit a zařadit. Je to z důvodu, že problematika IoT se týká téměř všech oborů lidské činnosti a je tedy rozsáhlá. Zde se tak pokusím „stručně“ a srozumitelně shrnout nejdůležitější poznatky týkající se tohoto pojmu.

Definice

Existuje mnoho definic pojmu internetu věcí a je tedy často těžké pochopit význam tohoto pojmu. Z mého pohledu je nejvýstižnější následující definice [Internet of things in 2020, Internet of Things]

“Internet věcí” znamená: síť propojených objektů (věcí), které jsou jednoznačně adresovatelné s tím, že tato síť je založena na standardizovaných komunikačních protokolech umožňující výměnu a sdílení dat a informací, jejichž analýzou bude možné docílit vyšší přidané hodnoty.

Síť: Slovo síť, nemusí představovat pouze Internet (jak evokuje pojem IoT) – tedy celosvětový systém navzájem propojených počítačových sítí, ve kterých mezi sebou počítače komunikují pomocí rodiny protokolů TCP/IP, ale může znamenat i lokální síť (LAN), v rámci které mohou věci komunikovat, avšak s prostupem do Internetu pro možnost sdílení výsledků. Síť zajišťuje konektivitu.

Věc: Věc z pohledu IoT představuje neživý objekt (fyzický nebo virtuální) obsahující elektroniku, software a senzory, pomocí kterých snímá určitou veličinu nebo veličiny a poskytuje schopnost sloužit k danému účelu. Jedná se tedy o zařízení (systém), které autonomně poskytuje data (osobní počítač, který neposkytuje data nepředstavuje věc z pohledu IoT), která jsou kabelově nebo bezdrátově sdílena s dalšími věcmi nebo systémy. Paradoxem však je, že v rámci Internetu věcí nejsou základem věci, ale data, která tyto věci poskytují.

Internet věcí tedy představuje koncept, v rámci kterého si fyzické a virtuální objekty (věci) vyměňují data přes síť Internet. Věci (systémy) mohou být v rámci Internetu věcí libovolně pospojovány za účelem dosažení vyšších cílů (nových funkčností, složitějších úloh, apod.).

Současný stav

Pojem „Internet věcí“ poprvé použil ve stejnojmenné prezentaci pan Kevin Ashton v roce 1999. V prezentaci poukázal na to, že téměř veškerá data na Internetu jsou vytvářena lidmi a o co lepší vnímání světa bychom získali použitím propojených senzorů a sdílením dat mezi systémy.

Další důležitý milník z pohledu IoT bylo období mezi roky 2008 a 2009, kdy podle odhadu společnost Cisco překročil počet zařízení (obecně) připojených k internetu počet světové populace a tedy právě mezi roky 2008 a 2009 je datován vznik Internetu věcí.

Nejprve byly připojeny do Internetu zejména počítače. Pak se přidaly chytré telefony a tablety. Nyní jsou do Internetu připojovány věci (příklady uvedeny níže).

Obrázek 1: Internet věcí se zrodil mezi roky 2008 a 2009 [Zdroj: Cisco IBSG, April 2011]

Je předpoklad, že v roce 2020 bude do internetu připojeno zhruba 50 miliard zařízení, tedy v řádu o polovinu více než dnes (2015). Na jednoho člověka na zemi, tak bude připadat mezi šesti až sedmi zařízeními. Z tohoto počtu bude řádově polovina tvořit věci z pohledu internetu věcí (podle serveru gartner), tedy bez počítačů, tabletů a chytrých telefonů.

Dále je předpoklad, že celosvětově trh IoT (obsahuje infrastrukturu, zařízení, platformy, analytické nástroje a aplikace) bude kolem roku 2020 dosahovat hodnoty v řádu bilionu dolarů (cca 2*10^12 dolarů), tzn. trojnásobek dnešní hodnoty. V České republice se toto číslo bude pohybovat kolem miliardy dolarů (cca 1×10^9), tzn. dvojnásobek dnešní hodnoty. Hodnota investic, které jsou do internetu věcí v současnosti investovány společnostmi, se pohybuje v řádech milionů až miliard dolarů. Mezi nejvýznamnější společnosti, které nejvíce investují do IoT patří, podle serveru IoT Analytics, americké firmy IBM, Google, Intel, Microsoft, Cisco a Apple (v tomto pořadí). V České republice je předpoklad, že největší investice budou do monitorování nákladní dopravy, provozu průmyslové výroby, správy výrobních prostředků, monitorování a zabezpečení domácností. Z výše uvedeného tak vyplývá jednoznačný závěr.

IoT představuje obrovský potenciál v hledání nových příležitostí.

Cíl (Důvod)

Cílem IoT je propojení zařízení, systémů a služeb za účelem poskytnutí více dat, která mohou být převedena na informace a informace na znalosti, které lze následně aplikovat. IoT systémy tak mohou na základě získaných znalostí vytvářet rozhodnutí a autonomně provádět činnosti.

To znamená, čím více budou zařízení schopna poskytovat data o reálném světě, tím budeme mít k dispozici více dat, která lze analyzovat, a tím více znalostí bude možné využít. To umožní docílit pokrok v dané doméně a ve výsledku to může znamenat pokrok pro celé lidstvo. A to ať už se bude jednat o zjednodušení každodenního života (CIoT = Consumer IoT = spotřebitelský internet věcí) nebo zefektivnění využívaní zdrojů (IIoT = Indurstrial IoT = průmyslový internet věcí). Zefektivnění využívání zdrojů, a tím dosažení výrazných úspor bude hlavním důvodem pro investování do IoT (zejména tedy do IIoT).

O IoT tak můžeme mluvit jako o evoluci Internetu, kdy bude umožněno propojení různých zařízení, systémů a sítí v různých doménách, mezi kterými bude umožněno sdílení dat. Toto propojení bude umožněno kdykoliv a kdekoliv (samozřejmě v případě, pokud je to fyzikálně možné a mezi jednotlivými uzly sítě existuje spojení).

Požadavky na IoT

Hlavní požadavky na IoT vycházejí z výše uvedených cílů. Architektura tvořící IoT musí umožnit

  • sběr dat/informací/znalostí,
  • uložení dat/informací/znalostí,
  • analýzu dat/informací/znalostí,
  • sdílení výsledků.

Dále musí architektura splňovat přísné požadavky na

  • bezpečnost.

Mezi dílčí požadavky můžeme zařadit například interoperabilní a efektivní přenos a sdílení dat a tedy volba vhodného přenosového standardu a datového modelu (viz strana Integrace). Dalším požadavkem na systémy IoT je zpracovávání velkých objemů datově heterogenních dat generovaných zařízeními připojenými do IoT. Pro možnost data, informace a znalosti kombinovat a skládat (fúzovat) je nutné také docílení sémantické interoperability (viz strana Integrace).

Z pohledu výsledného řešení (z pohledu uživatele) je pak také důležité, aby řešení bylo snadno nasaditelné, snadno integrovatelné s ostatními aplikacemi a systémy, a aby bylo dosaženo přehledné organizace a prezentace zpracovaných dat.

Směry vývoje IoT

V rámci IoT se vytvořily dva hlavní směry. Jedná se o

  • průmyslový internet věcí (Industrial IoT)
  • spotřebitelský internet věcí (Consumer IoT)

Obrázek 2: Hlavní směry IoT

Průmyslový internet věcí:

Segment internetu věcí, který se zaměřuje na klíčové nebo kritické úlohy. Vychází z M2M a rozšiřuje ho o možnost analýzy dat např. v cloudu (viz Cloud computing). Jedná se o IoT zařízení a systémy, které jsou používány v průmyslových odvětvích, jako jsou: průmyslová automatizace, dopravní průmysl, energetický průmysl, zdravotnictví. Hlavním zaměřením tohoto segmentu internetu věcí je efektivnější využívání zdrojů, snížení provozních nákladů, zvýšení pracovní produktivity a bezpečnosti pracovníků, předcházení výpadkům pomocí monitorování a včasné údržby a tím dosažení výrazných úspor (a tedy i navrácení investic). Tento segment IoT bude převládající.

Spotřebitelský internet věcí:

Segment internetu věcí, které se zaměřuje na spotřebitele. Zejména na spotřebitelská zařízení, spotřebiče, IT a telekomunikační zařízení a další jiná . Jsou zde využívána elektronická zařízení, která umožní zjednodušit každodenní život pomocí automatizace v domácnosti, chytrých zařízení (pračky, televize, lednice, osvětlení) nebo pomocí nositelné elektroniky. Hlavním zaměřením tohoto segmentu internetu věcí je zvýšení uživatelského zážitku.

Vlastnosti jednotlivých segmentů znázorňuje následující obrázek.

Obrázek 3: Vlastnosti jednotlivých segmentů

Charakteristika prostředí

Základem celého IoT jsou DATA.

Trocha teorie. Data představují nezpracovaná data (např. „1234“). Přiřazením významu k datům (pomocí vztahů) vzniká informace (např. „1234“ je heslo). Zasazení informace do souvislostí (kontextu) vzniká znalost (např. heslo „1234“ je moje heslo). Následným aplikováním znalosti vzniká porozumění (např. použití hesla „1234“ pro přihlášení do mého telefonu – ale mohl by to být klidně notebook – kdo ví).

Je předpoklad, že IoT bude generovat v roce 2018 až 33 ZB (cca 33*10^21 bytů = 33*1000^7 bytů) dat každý měsíc (zdroj Cisco). Z tohoto objemu dat bude pouze „malá“ část (až 8 ZB) předávána do cloudu k uložení a následné analýze. Takto velké objemy dat se „již opravdu“ dají označit jako BIG DATA.

Sběr, uložení, analýzu a sdílení dat/informací/znalostí musí zabezpečit architektura IoT systému.

Každá architektura IoT systému obsahuje základní stavební bloky (komponenty), kterými jsou

  • Hardware,
  • Middleware,
  • Software.

Jako hardware lze označit veškeré fyzické věci generující data, komunikační a výpočetní infrastrukturu, datová úložiště (privátní , veřejná, hybridní, komunitní).

Middleware je programové vybavení, která překrývá heterogenitu aplikací, operačních systémů, komunikačních systémů a hardwaru v distribuovaném systému tím, že poskytuje jednotné rozhraní aplikacím. Middleware umožní propojení jednotlivých prvků internetu věcí a dále pak sběr, uložení a sdílení výsledků mezi různými systémy (např. pomocí cloudového úložiště).

Nad získanými daty pak bude použit software pro analýzu, skládání a kombinování velkých objemů heterogenních dat a vytváření informací a dále znalostí (fúze dat). Výsledky ze zpracování (fúze) dat mohou vést až k automatickému nebo poloautomatickému ovlivnění situace nebo alespoň pro podporu v rozhodovacích a organizačních procesech. Software také bude sloužit pro sdílení (např. služba cloudového úložiště) a prezentaci výsledků. Cloudové služby pro analýzu a prezentaci dat budou zásadní pro většinu IoT řešení.

Způsoby propojení v rámci IoT

Propojení mezi prvky IoT systému bude vždy závislé na určení systému. Je několik způsobů, jakým mohou být prvky propojeny a jakým způsobem tedy mezi nimi probíhá komunikace. Komunikace tak může, většinou v kombinaci, probíhat

  • Mezi zařízeními navzájem (Fog Computing)
  • Od zařízení do Cloudu
  • Mezi Cloudy

Komunikace mezi zařízeními (věcmi) bude použita v systémech, kdy využití Cloudu pro ukládání, vyhodnocování a sdílení dat není pro dané řešení vyhovující. Může to být například v případech, kdy není k dispozici dostatečná kapacita linky pro zasílání všech dat, nebo zasílání velkého množství dat je prostě finančně drahé. V některý případech je důležité, aby IoT systém fungoval i v případě omezeného, časově nestálého nebo nefunkčního připojení do Cloudu. A na příklad u systémů pracujících v reálném čase nebo v čase blízkému reálnému času je zase doba pro zaslání dat do Cloudu a zpět nepřijatelná. Pro některé systémy tedy není centralizované Cloudové řešení vhodné a místo něho se využívá decentralizovaný Fog computing, kde spolu zařízení (věci) komunikují přímo mezi sebou (peer-to-peer). Fog computing tak doplňuje Cloud Computing o možnost provádět sběr, ukládání, analýzu a sdílení blíže zařízením a jejich datům (lokální zpracování). Tím je umožněno dosáhnout lepší škálovatelnosti, spolehlivosti, rychlejších odezev systému a snížení nákladů. Tento přístup je využíván zejména v Průmyslovém internetu věcí (IIoT), kde je kladen důraz na spolehlivost a definované odezvy systémů. Výsledky zpracování dat jsou poté předávány do Cloudu.

Obrázek 4: Fog computing, cloud computing v rámci IoT.

Komunikace od zařízení do Cloudu je často využívána v rámci spotřebitelského internetu věcí (CIoT), kde není kladen takový důraz na rychlost odezvy a případný výpadek spojení nemá závažné dopady. Cloud (cloudové služby a aplikace a cloudová úložiště) v tomto případě může být veřejný, privátní, hybridní nebo komunitní.

Komunikace mezi Cloudy bude použita v případě nutnosti sdílení dat mezi různými doménami. Tedy například mezi privátním a veřejným Cloudem.

Obrázek 5: Rozdíl mezi Fogem a Cloudem

Aplikace IoT

Příkladů IoT aplikací je nepřeberné množství a každým dnem vznikají nová řešení. Zde bude uvedeno několik příkladů z několika kategorií (výčet kategorií není úplný a příklady mohou postupně přibývat).

Průmyslový internet věcí:

  • průmyslová automatizace
    • Automatická diagnostika přístrojů a monitorování jejich stavu s možností upozornění na případné závady
    • Zabezpečení prostor proti neoprávněnému vstupu pro zajištění bezpečnosti
    • Detekce výbušných a nebezpečných látek
  • dopravní průmysl
    • Automaticky řízené automobily
    • Kontrola kvality přepravy – monitorování vibrací, nárazů nebo otevření
    • Sledování a lokalizace zásilek např. ve velkých skladech
  • energetický průmysl
    • Monitorování a řízení spotřeby energie
  • zdravotnictví
    • Sledování stavu pacientů – monitorování stavu pacientů v nemocnicích nebo starých lidí žijících doma
    • Detekce pádů
  • chytrá města (např. Barcelona, Chicago, Hamburg, Nice, Písek…)

Světová urbanizace (neboli koncentrace obyvatelstva do měst) stále stoupá a v současnosti se nachází podle „The World Factbook“ na 54 % s růstem 2,05 % za rok. Globální městská populace tak dnes (2015) převyšuje počet obyvatel vesnic. V České republice se urbanizace pohybuje okolo 75 %, což znamená, že na vesnici žije pouze čtvrtina obyvatel.

  • Snadnější parkování – monitorování parkovacích míst umožňující snadno najít volné místo
  • Omezení dopravních zácp – monitorování stavu dopravy umožňující navrhnout optimální trasy. To umožní také snížit objem emisí.
  • Inteligentní osvětlení – Osvětlení reagující na přítomnost objektů a klimatických podmínek umožní šetření energie.
  • Inteligentní svoz komunálního odpadu – Detekce úrovně zaplnění kontejnerů, které umožní optimalizovat svoz odpadu.
  • Inteligentní silnice – silnice poskytující informace a varovné zprávy informující o klimatických podmínkách a nehodách na silnici.
  • Zvýšení bezpečnosti obyvatel a snížení zločinnosti.
  • Chytré budovy – Budovy umožňující šetření energie inteligentním topením a osvětlením.

Spotřebitelský internet věcí:

  • Chytré domácnosti – dálkové ovládání spotřebičů pro větší komfort nebo šetření energie. Dále pak detekce otevření dveří a oken pro prevenci před zloději. Monitorování spotřeby elektrické energie a vody pro možnost dosažení úspor.
  • Inteligentní nakupování – aplikace umožní poradit při nákupu např. podle zákazníkových zvyků, preferencí, či velikostí, nebo podle přítomnosti alergických látek, nebo doby exspirace.
  • Platby za zboží a služby pomocí NFC obsaženého v mobilním telefonu nebo nositelné elektronice.

Problémy zavedení

Vytvoření IoT systému s sebou přináší jisté problémy, které je nutné řešit. Mezi ty nejzásadnější patří zejména:

  • Interoperabilita – Jedním z nejzávažnějších problémů je interoperabilita, tedy schopnost věcí (systémů, aplikací, jednotek či organizací) poskytovat data jiným věcem a akceptovat od nich a používat takto sdílená data pro efektivní společnou činnost. Problémy při řešení spolupráce věcí v rámci iot vycházejí z toho, že věci jsou vytvářeny často různými subjekty a používají tedy různé způsoby komunikace a různé datové modely. Tak dochází k tomu, že není dosažena interoperabilita. K dosažení interoperability je potřeba využívat standardy všude tam, kde je to možné a to jak pro komunikaci, tak pro datové modely. Problematikou integrace a interoperability se detailně věnuje článek Integrace.
  • Bezpečnost – Řešení bezpečnosti v IoT systému nelze v žádném případě opomenout. IoT systém musí podporovat bezpečnostní funkce jak u koncových uzlů, tak pro přenos a sdílení dat mezi které patří autentizace (ověření identity), autorizace (oprávnění použít určitý zdroj dat), šifrování komunikace, použití digitální podpis pro zajištění integrity a nepopíratelnosti přenosu a další.

Další faktory, které mohou brzdit rozvoj IoT byly v článku Industrial Internet of Things: Unleashing the Potential of Connected Products and Services identifikovány tyto:

  • Nejasný způsob návratu vložených investic
  • Vysoká cena nutná pro rozšíření stávajících zařízení
  • Neznalost současných technologií a trendů v budování distribuovaných systémů

Řešení technologických problémů se zavedením IIoT se snaží adresovat konsorcium průmyslového internetu (Industrial internet consorcium = ICC). Konsorcium vzniklo v roce 2014 a dnes ho tvoří více než 170 společností (2015) a mezi zakládající společnosti patří například IBM,CISCO, GE, Intel, AT&T. Cílem tohoto konsorcia je vytvořit a ověřit společnou architekturu vhodnou pro průmyslový internet věcí, která umožní komunikaci mezi věcmi (senzory, systémy, aplikacemi), ale také předávání výsledků do cloudu, zabezpečí vzájemnou součinnost mezi různými výrobci a umožní její nasazení v různých odvětvích. Toto konsorcium navrhlo referenční architekturu pro průmyslový internet věcí (Industrial Internet Reference Architecture – IIRA), která představuje otevřenou architekturu založenou na standardech vhodných pro průmyslový internet věcí.

Závěr:

Tento článek se ve „stručnosti“ věnoval konceptu Internetu věcí, jehož cílem je propojení zařízení, systémů a služeb za účelem poskytnutí více dat, která mohou být převedena na informace a informace na znalosti, které lze následně aplikovat.

Propojení jednotlivých prvků internetu věcí a dále pak sběr, uložení a sdílení výsledků mezi různými systémy, což zabezpečuje middleware, je nutnou avšak ne postačující podmínkou pro vznik internetu věcí. Dalšími velmi důležitými aspekty pro vznik internetu věcí je také dosažení interoperability mezi spolupracujícími systémy a bezpečnost. Poté již bude možné data analyzovat a výsledky použít. Dalším předpokladem pro vznik IoT je spolupráce mezi jednotlivými dodavateli prvků, připojených do internetu věcí. Bude tak docházet k [integraci] různých dat a informací za účelem vytvoření nových informací nebo dosažení nového cíle.

Internet věcí se dělí na dva segmenty na průmyslový internet věcí (Industrial IoT) a spotřebitelský internet věcí (Consumer IoT). Do popředí se bude rychleji dostávat IIoT před CIoT. Je to z toho důvodu, že IIoT představuje v mnoha oborech kritickou infrastrukturu a jeho zavedení přinese vyšší efektivitu, nově přidanou hodnotu, nebo přinese výrazné úspory. Na druhou stranu CIoT budou lidé vnímat spíše jako ulehčení života nebo zlepšení životní úrovně, než že by byl životně důležitý.

Použití IoT je možné vidět například v rámci IIoT v průmyslové automatizaci, dopravním průmyslu, energetickém průmyslu, zdravotnictví anebo v rámci chytrých měst. U CIoT pak použití bude zejména v rámci chytré domácnosti v inteligentním nakupování anebo využitím nositelné elektroniky.

Ne že by zavedení internetu věcí nebylo možné již před několika lety, nicméně nyní přišla ta pravá chvíle díky rychlému a levnému internetu a díky levným součástkám, které umožní vytvoření věcí a tak poskytnout data pro IoT.

IoT v současné době už není pouze vize do budoucna nebo jen idea na papíře. IoT je již dnes realizován a je to směr, kam se bude svět IT ubírat dál.

4 komentáře to “Internet věcí”

Můžete napsat odpověď nebo sledovat tento příspěvek.
  1. Výborný článek,

    žádám jen doplnit praktickými příklady použití, které je možno realizovat v ČR už nyní. Nebo bylo doposud realizováno v oblasti IoT při zkušebním provozu.

    Díky

    Petr

    • Díky, Petře, za kompliment.
      Analýza trhu, která by se zabývala vytvářenými a existujícími řešeními by byla určitě velmi zajímává.
      Nicméně rozsah této analýzy by byl velký a já jsem takovou analýzu (zatím) neprováděl.
      Poskytnu tedy alespoň odkaz na zajímavý článek, který se zabývá problémem chybějících reálných projektů (příkladů, případů užití) a poskytuje seznam nejvýznamějších českých firem zabývajících se IoT a Industry 4.0 – The Most Influential Czech Internet of Things & Industry 4.0 Companies in 2017, který byl publikován na LinkedInu.

  2. Dobrý den,
    chtěla jsem se Vás zeptat, zda Vám nebude vadit, když použijeme několik Vašich definicí na náš web do „IoT slovníku“?

    děkuji za odpověď

    Vondráčková

    p. s. web ještě není oficiálně spuštěný, spouštíme 20. 10.

Napište odpověď nebo komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna.