Internet Rzeczy. Inteligentne miasta.

Fascynująca przyszłość dziejąca się tu i teraz

Internet rzeczy (IoT) przynosi kolejną technologiczną rewolucję: oto coraz więcej przedmiotów, także sprzętów codziennego użytku, dzięki wbudowanym czujnikom i dostępowi do sieci może komunikować się z człowiekiem i z innymi przedmiotami. Możliwości takiej sieci są niewyobrażalne. Inżynierowie, którzy zajmują się tą koncepcją, rozwijają wiele różnych standardów mających służyć integracji IoT. Okazuje się jednak, że w chaosie konkurujących rozwiązań brakuje spojrzenia na internet rzeczy z nieco szerszej perspektywy, która pozwoliłaby na opracowanie pragmatycznej i strukturalnej metodologii tworzenia urządzeń i usług IoT.

O fascynującej przyszłości piszą w swej najnowszej książce Dominique GUINARD i Vlad TRIFA

.Pytanie o to, kiedy nastanie internet rzeczy, byłoby niestosowne, gdyż on już istnieje. Obecnie wszędzie już można znaleźć jego niezliczone przykłady. Odbiorniki telewizyjne są podłączone do internetu i pozwalają na rejestrowanie wybranych programów. Czujniki Nike+ w podeszwach butów przesyłają informacje o wszystkich biegach do internetu, tak by można było konkurować ze swoimi znajomymi. Telefony komórkowe pozwalają na przekazywanie danych o lokalizacji, tak by można było śledzić ich położenie, jak również umożliwiają przeprowadzenie ich dezaktywacji w przypadku kradzieży.

Niemniej jednak internet rzeczy wciąż nie wyrósł z wieku młodzieńczego, a w przyszłości bez wątpienia będzie mieć jeszcze większy wpływ na nasz świat niż te początkowe, znane nam obecnie zastosowania. Przyjrzyjmy się zatem tym dziedzinom, na które — jak można przypuszczać — IoT będzie oddziaływał w największym stopniu. Będzie to jednocześnie świetna okazja do tego, by przypatrzeć się korzyściom, jakie w wielu obszarach życia może przynieść wprowadzenie WWW rzeczy. Mamy nadzieję, że informacje te zainspirują czytelnika do wykonania w przyszłości kilku weekendowych projektów lub rozpoczęcia prac nad poważniejszymi produktami.

Bezprzewodowe sieci czujników i pomiary rozproszone

Niesłychany postęp w zakresie rozwoju komputerów, jaki dokonał się w latach 80. i 90. ubiegłego wieku, zwłaszcza w dziedzinie miniaturyzacji systemów osadzonych oraz radiowych układów sieciowych, doprowadził do powstania na początku tego wieku bezprzewodowych sieci czujników (ang. Wireless Sensor Network, w skrócie WSN). Sieci te składają się z malutkich komputerów, mieszczących się na jednej małej płytce drukowanej. Ponieważ urządzenia te są tanie i zasilane bateryjnie, można je wdrażać na dużych obszarach, by bezustannie monitorować przeróżne aspekty naszego otoczenia oraz struktur, wykorzystując w tym celu przeróżne czujniki. Takie sieci czujników zostały na przykład użyte do monitorowania struktury budowli historycznych, takich jak Torre Aquila we Włoszech, do poznawania i rozumienia wpływu ludzi na obszary zamieszkiwane przez ptactwo czy też w końcu do monitorowania roślin uprawnych stosowanych do produkcji artykułów spożywczych.

Choć początkowe wdrożenia sieci WSN nie były podłączone do internetu, to jednak pod wieloma względami wywarły one znaczący wpływ na internet rzeczy, gdyż niezwykle twórcza społeczność ich konstruktorów zapoczątkowała innowacyjne pomysły, które określiły postać późniejszych technologii internetu rzeczy. Techniki, narzędzia oraz protokoły opracowane z myślą o sieciach WSN umożliwiły stosowanie platform niskonapięciowych do tworzenia rozbudowanych aplikacji rozproszonych wykorzystujących sieci czujników.

Wymagania oraz środowisko działania tych urządzeń doprowadziły także do wprowadzenia wielu zmian w dostępnych systemach operacyjnych, mających na celu zoptymalizowanie ich pod kątem wykorzystania czujników niskonapięciowych; przykładami mogą tu być takie systemy jak TinyOS oraz Contiki. I faktycznie, kiedy takie zasilane bateryjnie urządzenia zostaną wdrożone w naturalnych i nieprzewidywalnych środowiskach, konieczne jest zapewnienie ich odporności oraz niewielkiego zapotrzebowania na energię, gdyż w ich przypadku ludzka ingerencja mająca na celu sprawdzenie błędów, wprowadzenie poprawek w oprogramowaniu lub naprawienie usterek w komponentach sprzętowych — czy też nawet wykonanie tak prozaicznej czynności serwisowej jak wymiana baterii — jest raczej niepraktyczna.

Sieci WSN a WWW rzeczy

Nie ma wątpliwości, że większość urządzeń stosowanych w sieciach WSN nie była projektowana pod kątem zapewnienia możliwości publicznego dostępu do nich. Platformy te z założenia miały być programowane przez ekspertów. Choć protokoły webowe są nieco „cięższe” (bardziej „przegadane”) niż zoptymalizowane protokoły urządzeń osadzonych, to jednak wiele wysiłku włożono w optymalizację bibliotek HTTP przeznaczonych do użycia w urządzeniach o ograniczonych zasobach. Jednocześnie urządzenia powoli zaczynają mieć coraz większe możliwości, a wiele z nich jest domyślnie wyposażanych w moduły komunikacji Wi-Fi. Możliwość interakcji z osadzonymi czujnikami przy wykorzystaniu standardowych protokołów webowych sprawia, że gromadzenie, przechowywanie i analiza danych pochodzących z niejednolitych systemów stały się znacznie prostsze. I faktycznie, dzięki prostocie i wszechobecności API typu REST integracja danych z różnymi usługami w chmurze stała się znacznie szybsza i łatwiejsza.

Urządzenia ubieralne i pomiary osobiste

Kolejnym interesującym przypadkiem zastosowania internetu rzeczy jest tworzenie bardzo małych czujników, które można brać ze sobą lub nosić na sobie w celu pasywnego pomiaru codziennych aktywności, a nawet parametrów ciała, takich jak szybkość pulsu czy też występowanie związków chemicznych we krwi albo w pocie. Pulsometry zostały już dawno temu skomercjalizowane jako urządzenia dla biegaczy długodystansowych, używane do monitorowania i regulacji aktywności serca. Przełomem w tej dziedzinie było opracowanie urządzenia Nike+, bardzo łatwego w obsłudze i posiadającego wbudowaną możliwość podłączenia do iPhone’a.

W ciągu kilku ostatnich lat trend ten stał się bardzo popularny, co zaowocowało powstaniem całej gamy produktów: zaczynając od mierników aktywności fizycznej, przez inteligentne wagi, które łączą się ze smartfonami i pomagają nam w kontrolowaniu masy ciała, inteligentne pedały rejestrujące rowerowe przejażdżki i spełniające jednocześnie funkcję zabezpieczenia przed złodziejami, inteligentne pudełka na lekarstwa i budziki, a kończąc na inteligentnych zegarkach zapewniających użytkownikowi dostęp do całego mnóstwa informacji na temat jego ciała i aktywności.

Urządzenia ubieralne i WWW rzeczy

Integracja urządzeń ubieralnych (ang. wearables) oraz urządzeń służących do pomiarów osobistych z internetem znacznie ułatwi tworzenie aplikacji nowej klasy, przeznaczonych do opieki nad osobami starszymi, czuwania nad zdrowiem i kondycją czy też usprawniających uprawianie sportów i rozrywkę. Poza tym taka integracja może sprawić, że nie trzeba będzie używać osobnych aplikacji do każdego z tych zastosowań (choć jednocześnie możliwości te stwarzają nowe, interesujące wyzwania związane z bezpieczeństwem i zachowaniem prywatności).

Jak pokazuje sukces odniesiony przez urządzenia firmy Nike, te pierwsze urządzenia ubieralne koncentrowały się na społecznościowych aspektach uprawiania sportów oraz porównywaniu własnych osiągnięć, takich jak czasy przejazdów, przejechane dystanse itd. Także w tych przypadkach WWW rzeczy jest nam w stanie pomóc, gdyż pozwala na bezproblemowe nawiązywanie połączeń pomiędzy urządzeniami ubieralnymi oraz serwisami społecznościowymi.

Inteligentne domy i budynki

W latach 60. i 70. ubiegłego wieku wyobrażano sobie, że domy przyszłości będą całkowicie zautomatyzowanymi systemami, reagującymi i odpowiadającymi na działania człowieka, takimi jak te z kreskówek Jetsonowie lub filmów Star Trek. Drzwi takich domów miały się otwierać automatycznie, posiłki oraz kawa miały być błyskawicznie przygotowywane i serwowane przez roboty zaraz po wstaniu mieszkańców domu z łóżka. Takie środowisko miałoby ułatwiać życie i dbać o wszystko, czego człowiek mógłby potrzebować, i to od razu w chwili wystąpienia takiej potrzeby.

Inteligentne i podłączone do internetu domy i mieszkania, określane angielskim terminem domotics, stały się bardzo popularne na początku tego wieku; obejmowały one systemy kontroli środowiska, oświetlenia, ogrzewania, wentylacji, klimatyzacji (HVAC) itd. Jednak takie inteligentne domy istniały już na wiele lat przed powstaniem internetu rzeczy. Najważniejsza różnica pomiędzy tymi starszymi systemami oraz drugą falą inteligentnych domów polega na wykorzystaniu internetu i protokołów ułatwiających nawiązywanie połączenia z internetem, co dzięki możliwości nawiązania bezpośredniego połączenia z internetem czy też połączenia za pośrednictwem urządzeń pełniących funkcję domowych bram (ang. gateway) wyprowadza domową automatykę z zamkniętego świata systemów własnościowych.

Co ciekawe, wprowadzenie otwartych platform sprzętowych i programowych, takich jak Arduino, spowodowało dodatkowo rozwój tego trendu w kierunku łączenia naszych domów ze światem cyfrowym. I faktycznie, wiele osób rozpoczęło amatorskie próby podłączania platform tego typu do różnych domowych urządzeń i przedmiotów, zaczynając od mierników prądu i gazu, a kończąc na czujnikach oświetlenia i ruchu. Konstruktorzy amatorzy nagle zyskali możliwość podłączania swoich domów do internetu i dużą motywację do tego, by to robić.

Inteligentne domy i WWW rzeczy

Środowisko inteligentnych domów jest prawdopodobnie najbardziej jaskrawym przykładem (zbyt) dużej liczby standardów i protokołów dotyczących podłączania wszelkiego typu rzeczy do WWW. Choć wszystkie urządzenia w domu powinny móc komunikować się ze sobą, to jednak nie mogą tego robić, gdyż protokoły nie są ze sobą zgodne, co prowadzi do używania większej liczby pilotów zdalnego sterowania i aplikacji niż kiedykolwiek wcześniej. WWW rzeczy proponuje jednak alternatywne rozwiązanie, oparte na wykorzystaniu języków stosowanych w sieci — mają one stanowić minimalny API, który ma być bezpośrednio lub pośrednio (dzięki użyciu odpowiednich bram) udostępniany przez wszystkie urządzenia. W naszej firmie — EVRYTHNG — wykorzystaliśmy to podejście, by połączyć ze sobą, w pewnej skali, wiele urządzeń automatyki domowej różnych producentów.

WWW rzeczy zapewnia możliwość wzajemnego współdziałania urządzeń różnych producentów i pozwala na tworzenie aplikacji do ich obsługi. Umożliwia ona także szerszej grupie konstruktorów amatorów kupowanie wszelkiego typu urządzeń, błyskawiczne tworzenie systemów inteligentnych domów, a co najważniejsze — wielokrotne stosowanie i łatwe modyfikowanie tych systemów w celu dopasowywania ich do swoich unikalnych potrzeb i upodobań.

Inteligentne miasta i sieci energetyczne

Jednym z najbardziej obiecujących przypadków zastosowania internetu rzeczy może być pojawienie się inteligentnych miast. Ponieważ każdego roku coraz więcej osób przenosi się z rejonów wiejskich do miast, stało się jasne, że w celu zapewnienia bezpieczeństwa oraz wygody mieszkańców dużych miast konieczne będzie wprowadzenie zmian w sposobach projektowania tych miast i organizacji ich funkcjonowania. Możliwość monitorowania środowiska miejskiego w czasie rzeczywistym, jaką zapewnia mnogość wszelkiego rodzaju czujników i komputerów, jest niezwykle obiecującym czynnikiem pozwalającym na tworzenie bardziej inteligentnych i wydajnych miast.

Inteligentne miasta zawsze znajdowały się w samym centrum badań nad rozwojem WSN, ich stworzenie jest bowiem uzależnione od dostępności dokładniejszych danych o środowisku, gromadzonych przez malutkie komputery. Jednak większość tych badań dotyczyła asynchronicznych i liniowych schematów działania, takich jak przedstawiony poniżej:

1. Wdrożenie bezprzewodowego węzła czujników.
2. Zbieranie danych.
3. Analiza danych w laboratorium.
4. Przygotowanie raportu.
5. Podjęcie działań uzależnionych od raportu.

Internet rzeczy wprowadza do tego świata nowy wymiar, gdyż znacznie skraca powyższą listę czynności. Obecnie dane są już dostępne w internecie w formie strumieni, które są udostępniane w czasie rzeczywistym i na których można wykonywać różne operacje. Można ich używać do monitorowania bezpieczeństwa, ruchu ulicznego, jak również do innych celów (takich jak zarządzanie dostawami wody czy też usuwaniem odpadków), kontrolując je bezustannie w czasie rzeczywistym i reagując błyskawicznie w razie wystąpienia jakichś anomalii — w optymalnym przypadku jeszcze przed wystąpieniem jakichś poważniejszych problemów.

Zainteresowanie tematyką inteligentnych miast znacząco wzrosło w ciągu kilku ostatnich lat, kiedy to wiele miast zwróciło uwagę na potencjał tkwiący w internecie rzeczy. Do takich miast można zaliczyć: Milton Keynes w Anglii, Santander w Hiszpanii, Nowy Jork w USA czy też Songdo w Korei Południowej.

Punktem wyjścia dla tej wizji przyszłych miast są inteligentne sieci wykorzystujące internet rzeczy w celu zoptymalizowania sposobu konsumpcji i dystrybucji energii. Dzięki usługom działającym w czasie rzeczywistym urządzenia, zarówno te domowe, jak i przemysłowe, mogą w coraz to większym stopniu na bieżąco przekazywać informacje o swoim zapotrzebowaniu na energię, podnosząc w ten sposób poziom wiedzy człowieka na temat zapotrzebowania na energię. Co więcej, urządzenia mogą się komunikować ze sobą nawzajem, poprawiając w ten sposób „inteligencję” budynku dzięki, między innymi, optymalizacji HVAC. Jeszcze ważniejsze jest jednak to, że dzięki złożonym aplikacjom korzystającym z rzeczywistych usług zarówno urządzenia przemysłowe, jak i infrastruktura miejska mogą być w stanie negocjować zapotrzebowanie na energię i nie dopuszczać do występowania gwałtownych wzrostów zapotrzebowania na nią.

Inteligentne miasta i WWW rzeczy

Stosowanie standardów webowych w kontekście inteligentnych miast jest szczególnie interesujące, gdyż technologie te znacząco ułatwiają publiczne udostępnianie danych z czujników i umożliwiają programistom korzystanie w czasie rzeczywistym z danych o ruchu ulicznym, zanieczyszczeniach powietrza czy też transporcie publicznym w ich własnych, miejskich aplikacjach.

Dominique Guinard
Vlad Trifa
Fragment książki „Internet rzeczy. Budowa sieci z wykorzystaniem technologii webowych i Raspberry Pi”, wyd. Helion, POLECAMY W WERSJI E-BOOK I PRINT: [LINK]