Esineiden internet (IoT) on noussut julkiseen tietoisuuteen viimeisen puolen vuosikymmenen aikana. Sitä pidetään laajalti seuraavana loogisena askeleena älykotien automaatiosta, joka on ollut erittäin suosittua. Vasta nyt alamme ymmärtää IoT:n sovelluksia, sillä sen mahdollistama yhdistettävyys voi muuttaa lähes kaiken tekemämme. Yhteys omaan kotiin on yksi asia, mutta yhteys paikkoihin maailman toisella puolella on aivan toista. Tämä herättää kysymyksiä siitä, mitä voidaan tehdä pelkän lineaaristen toimilaitteiden ja muiden työkalujen ohjauksen lisäksi.
Mitä esineiden internet on?
IoT:n historia ulottuu itse asiassa useiden vuosikymmenten taakse. Ainoa syy, miksi se on noussut esiin vasta nyt, johtui tuon ajan teknologian rajoitteista. Nyt kun teknologiamme on saavuttanut tason, jolla tällaiset asiat ovat mahdollisia, IoT on valmis seuraavaan suureen harppaukseen. Tutkijat uskovat, että kaikkien laitteidemme väliset yhteydet mahdollistavat tiedon nopeamman ja vapaamman vaihdon. Tämä antaa meille mahdollisuuden olla entistä paremmin yhteydessä toisiimme ja koteihimme kaikkina aikoina. Ensimmäiset sovellukset nähtiin kotiautomaation alueella.
Automaatio hallitsee nykypäivän maailmaa. Alun perin tehtaissa ja laitoksissa ihmisiä fyysisesti kuormittavista ja toistuvista tehtävistä vapauttamaan otetut automatisoidut laitteet ja kobit ovat lähteneet tuotantolinjoilta ja levinneet valtavaan kirjoon toimintoja. Arvostamme näiden väsymättömien, hiljaisten apureiden tuomaa mukavuutta ja kutsumme ne koteihimme, joissa ne virtaviivaistavat arkisia askareita ja vapaa-ajan puuhia. Automaattiset vimpaimet ovat vallanneet keittiöt ja makuuhuoneet, työhuoneet ja autotallit, muuttaen ne korkean teknologian tyyssijoiksi, joissa ihmiset voivat rentoutua ja antaa teknologian hemmotella heitä.
Seuraava looginen askel ympäristömme täysautomaation tiellä on yhdistää kaikki laitteet niin, että ne voivat toimia yhdessä erillisten yksiköiden sijaan. Tämä askel otettiin IoT:n – esineiden internetin – lanseerauksella.
IoT ja toimilaitteet
Lineaariset toimilaitteet ovat IoT:lle tärkeitä, koska ne ovat olennainen osa monia eri laitteita sekä kotona että sen ulkopuolella. Hyvä esimerkki on turvajärjestelmät. Koska lineaarisia toimilaitteita käytetään monissa järjestelmissä kameran käytön ja kantaman laajentamiseen, IoT voi hyödyntää niitä monin tavoin. Esimerkiksi järjestelmän anturien laukeaminen voi käynnistää IoT:n lähettämään tietoja turvajärjestelmästä jonkinlaiseen mobiililaitteeseen. IoT-toimilaitteita voidaan myös ohjata – jatkaaksemme turvajärjestelmävertausta – niin, että mahdollisen ongelman havaitsemisen jälkeen IoT ottaa toimilaitteiden ohjauksen ja kääntää kameraa, jotta tilanne näkyy selkeämmin.
Ilman toimilaitteita IoT ei kykenisi tekemään tarvittavia muutoksia itse, joten se jäisi pelkkään laitteiden ohjaukseen ja niiden kanssa vuorovaikuttamiseen. Esineiden internet on riippuvainen sähköisistä toimilaitteista liikkeen aikaansaamiseksi. Toimilaitteet ovat myös hyvä tapa laajentaa IoT:tä, sillä ne mahdollistavat muutosten tekemisen etänä ja edesauttavat viestintää pitkillä etäisyyksillä.
Miten toimilaitteita voidaan ohjata IoT:n kautta
IoT-automaatiota voidaan ohjata avoimen lähdekoodin alustoilla, kuten Raspberry Pi tai Arduino. Vaikka Raspberry Pi on Arduinoa yksinkertaisempi, se on pieni tietokone, jota voidaan käyttää erilaisten oheislaitteiden sekä tulo/lähtökytkimien kanssa. Tällöin tätä tietokonetta voidaan käyttää IoT:n kautta kaikkien siihen liitettyjen toimilaitteiden ohjaamiseen.
IoT:n rakentaminen Arduinon avoimen lähdekoodin alustalla on luonnollisesti hieman erilaista kuin Raspberry Pi:llä, pääasiassa koon vuoksi. Arduino käsittelee sekä tulo- että lähtösignaaleja. Jos se tunnistaa tietyn sille opetetun tulon tai siihen jollain tavoin suoraan liitetyn signaalin, se voi lähettää signaalin toisaalle. Käyttökohteet lineaarisille toimilaitteille ovat siksi ilmeiset. Arduinon vastaanottama signaali voi toimia laukaisimena joidenkin lineaaristen toimilaitteiden käynnistymiselle tietyssä koneessa, jos ne itse saavat lähtösignaalin. Arduinon laajuuden ja avoimen lähdekoodin alustan ansiosta mahdollisuudet lineaaritekniikalle IoT:ssä ovat lähes rajattomat.
Miten IoT-laitteet toimivat
IoT-järjestelmien toiminta perustuu kolmitasoiseen arkkitehtuuriin.
Taso 1
Taso 1 on fyysinen. Siihen kuuluvat yhdistetyt anturit, jotka keräävät tietoa ja välittävät sitä eteenpäin. Koska nämä anturit voivat tuottaa periaatteessa kaikenlaista dataa, teollisissa IoT-sovelluksissa on tärkeää suodattaa vastaanotetut tiedot epäolennaisten viestien poistamiseksi ja kiireellisten korostamiseksi – esimerkiksi uhkien tunnistus, äkilliset alasajot jne. Jos IoT-datan keruu vaatii syvällisempää analyysia, sitä ei tulisi säilyttää yrityksen omilla tietokoneilla, vaan siirtää pilveen.
Taso 2
Taso 2 on pohjimmiltaan IoT-antureiden verkko, jossa on DAS (data acquisition system). Sitä käytetään muuntamaan antureiden tuottamat signaalit, tavallisesti analogiset aaltomuodot, digitaalisiksi arvoiksi, joita tietokone voi käsitellä. Sen jälkeen internet-yhdyskäytävä ohjaa digitalisoidun datan Tasolle 3 Wi-Fi-yhteydellä tai kiinteää lähiverkkoa pitkin. Toinen pakollinen edellytys tiedonsiirrolle on väliohjelmisto. Se on ohjelmisto, joka yhdistää tietokannan ja sovellukset ja varmistaa kaikkien IoT-komponenttien yhteenkuuluvuuden ja hallinnan.
Taso 3
Taso 3 on se, missä reagoidaan dataan. Tätä varten vastuussa olevat laitteet saavat komennon toimia ennalta asetettujen algoritmien mukaisesti.
IoT-anturit
Nämä anturit ovat moduuleja, jotka havaitsevat ympäristön muutoksia saadakseen tietoa muista niihin kytketyn järjestelmän elementeistä. Tiedot ympäröivän maailman tilasta muunnetaan digitaaliseen muotoon. IoT-anturi on siten muuntimen alalaji – laite, joka muuntaa energiamuodon toiseksi. Anturien ja muuntimien ero on siinä, että muunnin on yleisempi termi, joka kattaa kaikki energianmuunnoksen mahdollistavat laitteet, kun taas anturi muuntaa vain fysikaalisia ilmiöitä sähköisiksi signaaleiksi.
Nykyään antureiden kirjo on hämmästyttävä. Passiiviset anturit eivät esimerkiksi tarvitse ulkoista virtalähdettä toimiakseen, kun taas aktiiviset tarvitsevat. Käytetyn tunnistusmenetelmän mukaan anturit jaetaan mekaanisiin, lämpö-, sähkö- ja kemiallisiin tyyppeihin. Kaikki nämä perustuvat antureihin, mikä tarkoittaa, että ne voivat vain mitata jonkin arvon, mutta eivät analysoida saamaansa syötettä, sillä niissä ei ole prosessoreita. IoT-anturitekniikassa hyödynnetään kahta täysin erilaista laitelajia.
- Älyanturit on varustettu digitaalisilla liikeprosessoreilla (DMP), jotka voivat analysoida saatuja tietoja ennen niiden siirtämistä viestintämoduulin kautta verkkokerrokseen. Tällaisissa antureissa voi olla myös kompensointisuodattimia, vahvistimia ja muita toimintaansa helpottavia komponentteja.
- Älykkäät anturit ovat parannettuja älyantureita, jotka pystyvät edellä mainitun lisäksi itsevalidointiin ja -tunnistukseen sekä mukautumiseen ja testaukseen. Ne voivat jopa toimia IoT-ohjaimina, jotka käsittelevät vasteita – käytännössä siis erikoistuneena laitteistona.
Niin tärkeitä kuin anturit IoT:lle ovatkin, lopulta Taso 3:n laitteet ratkaisevat tehtävien toteutuksen.
Esimerkki IoT:n toiminnasta
Seuraavassa esimerkissä tarkastellaan IoT-toimilaitteita maataloudessa.
Esineiden internetin anturit keräävät tietoa maaperän kosteuden määrästä määrittääkseen, kuinka intensiivistä kastelun tulisi olla. Näitä tietoja täydennetään internetistä saatavalla sääennusteella, joka kertoo, onko tietylle alueelle odotettavissa sateita lähiaikoina. Reaktiona tähän sisääntulodataan kastelujärjestelmä kytkeytyy automaattisesti päälle, jos kuiva jakso on ennusteessa, ja annostelee täsmälleen sen vesimäärän, jonka viljelykasvit tarvitsevat.
Kuten näkyy, koko järjestelmän asianmukainen toiminta riippuu pitkälti IoT-antureista.
Yhteenveto
IoT kasvaa niin nopeasti, että lukemattomia uusia mahdollisuuksia nousee esiin. Vaikka useimmat tuntevat sen kotiautomaatiosta, esineiden internet on paljon muutakin. IoT-anturit ja -toimilaitteet varmistavat tarkan tiedonkeruun ja ohjelmoinnin mukaisen täsmällisen reagoinnin, ja ne raivaavat tietä lukuisten elämämme osa-alueiden tehostamiseen. Tässä artikkelissa käsiteltiin tarkemmin, miten erityisesti lineaariset toimilaitteet olisivat IoT:n vaikutuspiirissä sekä miten voisimme ohjata ja käyttää niitä.