I 7 componenti principali dell'ecosistema IoT

Internet of Thigs (IoT) si riferisce a un insieme di oggetti interconnessi che sono in grado di rilevare, azionare e communicare in un'ampia rete con o senza l'intervento diretto dell'uomo. Sono anche in grado di agire autonomamente in base ai cambiamenti dell'ambiente, attivando processi e condividendo queste informazioni nella rete per elaborare e generare informazioni preziose sul loro ambiente. Si tratta di una tecnologia ormai consolidata e in rapida crescita, con oltre 20 miliardi di dispositivi identificati come dispositivi IoT entro il 2025.

I concetti fondamentali alla base dell'IoT sono "oggetti intelligenti" e "ambienti intelligenti". L'oggetto intelligente è un oggetto fisico dotato di processore, sistema di archiviazione dati, sistema di sensori e tecnologia di rete per la communicazione. Alcuni di questi oggetti possono influenzare l'ambiente circostante per mezzo di attuatori. Seguendo la stessa definizione, un ambiente intelligente si riferisce all'estensione fisica in cui gli oggetti intelligenti sono distribuiti e interagiscono. Dopo aver compreso brevemente la struttura dell'IoT, analizziamo ora i principali componenti dell'IoT.

Cosa o dispositivo

Gli oggetti e i dispositivi dell'IoT sono indicati come componenti, quali sensori, attuatori e talvolta possono includere oggetti indossabili che sono integrati con sensori e attuatori. Sono distribuiti nel livello fisico di un'architettura IoT che funge da spina dorsale del framework IoT. Le funzioni principali di questi oggetti e dispositivi sono quelle di rilevare e raccogliere dati dall'ambiente e di implementare qualsiasi meccanismo di controllo necessario per controllare le variabili richieste nell'ambiente.

1. I sensori

Sono i componenti responsabili del rilevamento e della lettura di qualsiasi cambiamento ambientale. Oggi i sensori sono in grado di rilevare praticamente qualsiasi cosa, dalla temperatura alla pressione sanguigna umana, fino a sensori avanzati in grado di misurare altre complessità. Tutte queste funzionalità sono rese possibili occupando uno spazio molto ridotto grazie a tecnologie moderne come la Very Large-Scale Integration (VLSI). Il VLSI ha dato vita a una nuova serie di sensori avanzati noti come sistemi microelettromeccanici (MEMS), che oggi sono molto diffusi nella maggior parte delle applicazioni IoT. Di seguito sono riportate alcune categorie di sensori ampiamente utilizzati:

• Sensori di temperatura: Questi sensori misurano le variazioni di temperatura nell'ambiente di rilevamento. Esistono diversi tipi di sensori di temperatura, a seconda della tecnologia di rilevamento della temperatura, come termocoppie, termistori, sensori IR e rilevatori di temperatura a resistenza (RTD).
• Sensori di prossimità: Questi sensori rilevano la presenza o l'assenza di un oggetto vicino o le sue proprietà. Esistono diversi tipi di sensori di prossimità, come i sensori induttivi, i sensori capacitivi, i sensori a ultrasuoni e i sensori fotoelettrici.
• Sensori di rilevamento del movimento: Questi sensori rilevano qualsiasi movimento fisico in una determinata area. I sensori a ultrasuoni, i sensori a infrarossi passivi (PIR) e i sensori a microonde sono alcuni dei sensori utilizzati più frequentemente.
• Sensori ottici: Questi sensori sono in grado di catturare i fotoni della luce e di convertirli in segnali per interpretare informazioni importanti sull'ambiente.
• Sensori di pressione: Questi sensori rilevano qualsiasi variazione di pressione nell'ambiente di rilevamento.
• Giroscopi e accelerometri: Questi sensori sono in grado di misurare qualsiasi movimento rotatorio e accelerazione.
• Sensori chimici e di gas: Questi sensori rilevano la presenza di determinate sostanze chimiche e gas nell'ambiente. Esistono diversi tipi e famiglie di questi sensori a seconda delle esigenze.
• Sensori di umidità: Misurano l'umidità dell'ambiente.

2. Attuatori

Sono l'opposto dei sensori. Agiscono sull'ambiente in base a determinate istruzioni o dati di rilevamento. Vediamo questo aspetto con un esempio. Consideriamo un'applicazione IoT in agricoltura per controllare il flusso d'acqua alla vegetazione. A questo scopo, possiamo utilizzare sensori di livello dell'acqua e sensori di umidità del suolo per rilevare il livello dell'acqua nel terreno. A questo punto, possiamo fornire acqua utilizzando delle pompe e controllando una valvola. In questo caso, la valvola funge da attuatore. Quando i sensori rilevano una quantità eccessiva di acqua, inviano un segnale alle valvole, che sono gli attuatori per chiudere la pompa.

Il tipo di attuatore impiegato dipenderà dalla verticale e dal caso d'uso. Potrebbe essere richiesto di accendere o spegnere un interruttore o di controllare una valvola, come nell'esempio precedente, oppure potrebbe richiedere azioni avanzate come la presa, la rotazione e la rotazione.

Connettività e reti

Le applicazioni IoT coinvolgono dispositivi, sensori, attuatori e cloud che si comunicano tra loro per prendere decisioni ed elaborare i dati raccolti. A tal fine, è essenziale stabilire mezzi di interconnessione tra questi componenti in un ecosistema IoT. La connettività è quindi un altro componente essenziale per la realizzazione di applicazioni IoT. In generale, esistono due tipi di metodologie di communicazione per stabilire la connettività: la communicazione wireless e la communicazione cablata. La scelta tra questi due tipi dipende totalmente dal caso d'uso e dal settore.

Co1TP14Protocolli di comunicazione

Ora, una volta raccolti i dati e recuperati i dati di controllo necessari, è necessario communicare questi dati alla piattaforma cloud o all'edge, come richiesto. Per realizzare queste applicazioni IoT si utilizzano diversi tipi di protocolli di communicazione.

Quando i nodi periferici (compresi i sensori e gli attuatori) si trovano a distanza ravvicinata, vengono chiamati collettivamente Personal Area Network (PAN). Le PAN di solito utilizzano protocolli non Internet per la communicazione. Tuttavia, esistono anche protocolli basati su IP. Questi protocolli per le PAN sono definiti nell'ambito delle definizioni di rete personale wireless IEEE 802.15. Alcuni dei protocolli sono Bluetooth 5, ZigBee e i protocolli Z-Wave. Inoltre, protocolli come 6LoWPAN sono stati messi in luce per avere protocolli basati su IP anche nelle PAN.

Nel caso in cui i nodi di bordo siano distribuiti su un'ampia area, essi sono noti collettivamente come Reti di Area Vasta (WAN) o Reti di Area Locale (LAN). Questi due termini sono talvolta utilizzati in modo intercambiabile. Queste LAN utilizzano protocolli di communicazione basati su IP per la communicazione tra i dispositivi dei nodi e il cloud. Poiché richiedono protocolli di communicazione a lungo raggio con una notevole quantità di energia per viaggiare. Alcuni dei protocolli più famosi sono LoRaWAN, MQTT, HTTP, cellulare (4G/3G) e Wi-Fi sono alcuni dei protocolli di communicazione più utilizzati.

Nuvola

Il cloud IoT può essere considerato il luogo in cui si trova la "smartness". Il cloud raccoglierà tutti i dati raccolti attraverso il relativo protocollo di communicazione ed eseguirà l'elaborazione necessaria. Il cloud IoT, oltre a raccogliere ed elaborare i dati, può memorizzarli e gestirli in tempo reale. Per questo motivo, un fattore importante nella scelta di un servizio cloud adatto è la considerazione della latenza che i servizi cloud comportano. I fornitori di cloud supportano una serie di prodotti Everything as a Service (XaaS). I servizi includono Networking as a Service (NaaS), Software as a Service (SaaS), Platform as a Service (PaaS) e Infrastructure as a Service (IaaS). L'utente può decidere quale servizio utilizzare a seconda del caso d'uso dell'IoT e del settore verticale.

In parole povere, il cloud IoT consisterebbe in una rete di servizi ottimizzati per i servizi di cui sopra e per la gestione di un'enorme quantità di dati in tempo reale. Contiene anche un sistema di database di gestione distribuito.

Nonostante la facilità e i minori costi operativi, è emersa una nuova tendenza a elaborare e gestire i dati rilevanti all'interno dell'edge stesso, dando vita a nuovi concetti come Edge computing e Fog computing. La preferenza tra cloud ed edge computing dipende dall'applicazione, mentre l'edge computing è preferito quando è necessario elaborare grandi quantità di dati in sede.

Analisi IoT

I dati fisici acquisiti dai sensori vengono convertiti in segnali digitali ai margini del sistema e questi segnali digitali possono avere conseguenze utili. Ad esempio, potremmo aver bisogno di classificare i parametri vitali dei pazienti come gravi o sani. A questo scopo, potremmo raccogliere i dati dal paziente utilizzando dei sensori e raccoglierli come serie temporali, per poi elaborarli utilizzando un motore basato su regole per fare la nostra previsione. In caso di emergenza, l'accuratezza e la velocità di questo motore basato su regole giocano un ruolo fondamentale. Inoltre, è importante eseguire un'azione immediata per la previsione.

Per realizzare queste funzioni, possiamo impiegare modelli di deep learning per l'analisi predittiva e varie tecniche di apprendimento automatico per prevedere tendenze, risolvere problemi di regressione, elaborare previsioni di eventi e persino prendere decisioni utili.

Le analisi richiedono una notevole capacità di memorizzazione e potenza di calcolo per eseguire queste operazioni e prendere decisioni intelligenti. Per questo motivo, l'ideale sarebbe ospitarle su cloud IoT. Tuttavia, concetti emergenti come TinyML hanno aperto le porte per prendere decisioni nell'edge stesso.

Interfaccia utente

È il componente in cui l'utente finale interagisce attivamente con il nostro ecosistema IoT. L'utente può controllare l'intero sistema e impostare qualsiasi modifica e preferenza per il sistema. Pertanto, l'interfaccia utente fungerà da astrazione di alto livello dell'intero sistema.

L'interfaccia utente può essere incorporata nel dispositivo stesso, oppure può essere installata in dispositivi indossabili, smartphone, tablet o sotto forma di applicazione web. I cruscotti IoT sono un'altra piattaforma popolare, ma a volte richiedono alcune competenze tecniche per interagire con essi. Infine, se avete la possibilità di progettare un'interfaccia utente, ricordate che il design è un aspetto fondamentale. Aggiungete font interessanti, supporto vocale e interfacce touch per rendere il prodotto più competitivo sul mercato.

Ora analizziamo altri componenti aggiuntivi di un ecosistema IoT.

Sicurezza

Si tratta di un componente che viene per lo più trascurato dai progettisti e dagli architetti IoT durante la progettazione di applicazioni IoT, il che ha portato a un numero sempre maggiore di dispositivi vulnerabili agli attacchi. Un sistema sicuro deve compromettere una strategia di opposizione, una strategia di recupero e deve essere in grado di riconoscere qualsiasi attacco dannoso al sistema.

Idealmente, questi sistemi di sicurezza possono essere distribuiti nel cloud ed essere incorporati nei componenti di rete.

Gateway IoT

Gateway IoT sono diventati un componente popolare con l'aumento del numero di sensori e dispositivi nodali che collegano un determinato sistema IoT. Questo facilita la gestione del traffico di dati e può anche fornire misure di sicurezza dei dati, oltre a una pre-elaborazione dei dati per rimuovere quelli indesiderati o corrotti. Inoltre, i gateway IoT più avanzati sono dotati della capacità di analizzare i dati e prendere decisioni intelligenti, riducendo così il carico sul servizio cloud.

Conclusione 

L'Internet degli oggetti, che è già una tecnologia matura, ha assistito a una rapida crescita con l'avanzamento di nuove tecnologie e nuovi protocolli che si sono aggiunti al dominio. È probabile che assuma una nuova dimensione con l'arrivo di nuove tecnologie di communicazione come il 5G e che abbia un futuro promettente.