Integracija naprav z nizko porabo energije in omejeno zmožnostjo brezžičnih komunikacij v odprtokodno platformo interneta stvari.ŠPRAJC, PETER (Avtor) Kos, Andrej (Mentor) povezane napravesenzorjistroj-strojM2MInternet stvariIoTinteligenca napravnRF24l01+ArduinoRaspberry Pisporočilni protokolMQTTOpenHABodprtokodna programska opremaŠtevilo uporabnikov socialnih omrežij se je v zadnjih nekaj letih povečevalo z nepričakovano hitrostjo. Na primer, spletna stran Facebook, ki je bila prvič vzpostavljena leta 2004, je marca 2016 zabeležila 1.09 milijarde hkrati aktivnih uporabnikov [1]. Število tako predstavlja vsakega sedmega prebivalca našega planeta kot aktivnega uporabnika spletne storitve enega od ponudnikov socialnega omrežja. Če pa upoštevamo, da je mnogo ponudnikov spletnih storitev socialnih omrežij, njihovi uporabniki pa se nahajajo v različnih časovnih pasovih, je ocenjeno število dejanskih uporabnikov svetovnega spleta še mnogo večje. V prihodnosti lahko pričakujemo vzpostavitev spletnih strani povezanih naprav. Število povezanih naprav bo raslo po vzorcu rasti uporabnikov spletnih strani socialnih omrežij, najverjetneje pa še mnogo hitreje. Naprave, kot so senzorji, pametna stikala in nepredstavljiva množica drugih naprav, že sedaj in bodo tudi v bodoče v prvi vrsti komunicirale med sabo - komunikacija M2M. Kasneje bodo te naprave s pomočjo različnih prehodov v Internet komunicirale z upravljalsko strežniško infrastrukturo, kar danes poznamo pod pojmom Internet stvari (IoT). Ocenjeno število povezanih naprav bo nekajkrat večje, kot je današnje število v omrežje povezanih tako imenovanih pametnih naprav, kot so pametni telefoni, tablični računalniki in računalniki. Pričakovati je, da bodo povezane naprave cenene in omejene v računski moči oziroma da ne bodo imele zmogljive strojne opreme, kot jo imajo današnje pametne naprave. To pomeni, da ne bodo imele zmogljivost klasične povezljivosti od izvora do ponora na nivoju internetnega protokola IP. Internetni protokol predvideva, da so vse naprave med seboj omrežni sovrstniki oziroma da predstavljajo omrežje med seboj enakovrednih partnerjev. Pristop, ki ga bom obravnaval v tem magistrskem delu, bo drugačen. Tradicionalni omrežni protokoli so načrtovani robustno z namenom zanesljivosti za uporabo v mnogo ponovitvenih ciklih in za velike podatkovne tokove. Navedene lastnosti so zaželene tudi v omrežjih IoT, vendar kot je bilo že prej navedeno, standardni Internetni omrežni protokoli niso najustreznejši, saj za svoje delovanje potrebujejo veliko režijskih podatkov. Razmerje količine potrebnih režijskih podatkov standardiziranega Internetnega protokola v primerjavi z majhnimi sklopi podatkov, ki jih pošilja tipična naprava v IoT, je preveliko. Zato je smiselno uvajanje nove rešitve, ki omogoča soobstoj naprav s podporo za IP skupaj z napravami, ki nimajo podpore za IP oziroma je ne zmorejo. Smiselnost uvajanja nove rešitve je v tem, da bi obremenjevanje sicer enostavnih naprav, kot so senzorji, stikala, ipd., z omrežnim Internetnim protokolnim skladom močno povečalo končne stroške in kompleksnost številnih preprostih naprav. Tradicionalni omrežni protokoli in aplikacije so v glavnem načrtovane tako, da je na eni strani komunikacije človek in da so posledično načrtovane za optimalno uporabniško izkušnjo. Ta tradicionalni pristop zahteva veliko režijskih podatkov, ki pa so v primeru komunikacije stroj-stroj nepotrebni. Razvoj arhitekture naj vodi nove rešitve za prihajajoče povezane naprave v IoT v minimiziranje količine potrebnih režijskih podatkov. Prihodnost Interneta stvari je v povezovanju naprav v omrežje, ki še nikoli niso komunicirale med seboj ali bile povezane v Internet. Takšne naprave niso »pametne« v današnjem pomenu besede, vendar so zelo primerne za izvedbo svoje primarne specializirane vloge in bodo predstavljale končne oziroma robne naprave v IoT. Končne naprave lahko imajo naslov, ki je unikaten v lokalni skupnosti naprav, vendar ni nujno unikaten globalno. Slednje bodo uspešno reševale inteligentne omrežne naprave z globalno unikatnim naslovom IP in tako predstavljajo prehod v Internet za lokalno skupnost naprav. Takšen pristop bo omogočal hitrejšo rast števila povezanih naprav in ogromno zmanjšanje stroškov za vpeljavo funkcionalnosti povezljivosti ob upoštevanju predvidenega števila povezanih naprav. Večji del komunikacije v IoT bo komunikacija tipa M2M. Posledično bi hitro izbrali način komunikacije vsak z vsakim (angl. Peer-to-peer) za najprimernejši. Vendar mnoge končne naprave v IoT medsebojno ne bodo komunicirale, saj ni nobene potrebe po izmenjavi informacij med njimi. Kot je bilo že omenjeno, je obremenjevanje vseh končnih naprav z Internetnim protokolnim skladom, dodajanje računske moči in pomnilnika za zagotavljanje popolne komunikacije vsakega z vsakim nepotrebno. Ustvarjalo bi več tveganj za napake, možnost napak pri nastavitvah in upravljanju ter dovzetnost za omrežne napade in okužbe s škodljivo programsko opremo. Vključevanje končnih naprav v IoT se izvede tako, da te sporočajo ali sprejemajo le zanje relevantne podatke. Univerzalni pristop za izgradnjo IoT povečuje stopnjo inteligence in sposobnost mreženja naprav v smeri, v kateri končne naprave pošiljajo informacije. Tak koncept omogoča transport podatkov skozi različne točke v omrežju tako, da ne obremenjujemo vsake naprave, vključene v IoT, z enako zmogljivostjo povezovanja. V primeru, ko končne naprave ne zmorejo funkcionalnosti inteligentne komunikacije, morajo določene ostale naprave v omrežju zagotoviti učinkovit prenos podatkov. Najrealnejši koncept nastajajoče arhitekture Interneta stvari je delitev omrežja v tri funkcijske sklope, kar omogoča vpeljavo različne kompleksnosti omrežne funkcionalnosti v posameznem delu omrežja, glede na potrebe. Trije funkcijski sklopi so naslednji: - sklop končnih naprav, - sklop naprav s funkcionalnostjo mreženja in propagiranja sporočil, - sklop izvajanja integralnih funkcij za analizo, nadzor in uporabniški vmesnik za IoT. V sklopu magistrskega dela nameravam predstaviti in implementirati praktičen primer koncepta arhitekture prihajajočega Interneta stvari z izgradnjo tipičnega predstavnika posameznega funkcijskega sklopa. Končna naprava, ki jo odlikuje cenenost, majhna poraba in omejena komunikacija s sosednjimi napravami, bo sestavljena iz radijskega vmesnika proizvajalca Nordic Seminconductor, model nRF24l01+, priključenega na mikrokrmilnik proizvajalca Arduino. Naprava s funkcionalnostjo mreženja in propagiranja sporočil bo sestavljena iz radijskega vmesnika proizvajalca Nordic Seminconductor, model nRF24l01+, priključenega na mikrokrmilnik proizvajalca Arduino. Mikrokrmilnik bo imel priključen tudi Internetni omrežni vmesnik. Z uporabo omrežnega vmesnika z zmožnostjo povezljivosti od izvora do ponora na nivoju Internetnega protokola IP bo posredoval sporočila Integralnemu sklopu z uporabo telemetrijskega protokola MQTT. Izvajanje integralnih funkcij za analizo, za nadzor in za uporabniški vmesnik za IoT bom realiziral z uporabo minimalističnega računalnika Raspberry Pi. Sporočila, posredovana iz sklopa za funkcionalnost mreženja, in posredovanje sporočil v IoT bo sprejemal in pošiljal ob uporabi transportnega sporočilnega protokola MQTT. Za integralne funkcije, za nadzor in za uporabniški vmesnik pa bo uporabljena odprtokodna programska oprema OpenHAB.20162016-06-07 09:14:49Magistrsko delo83189VisID: 33301sl