Hva er IoT Edge-enheter? Typer, fordeler og bruksområder

IoT-kant-enheter er maskinvareenheter som behandler data nær der de genereres, før noe når skyen. Eksempler på dette er smarte sensorer, gateways, industrielle PC-er og lokale servere.

Disse enhetene genererer store mengder måleverdier og video. Noen av disse dataene, for eksempel gjentatte sensorverdier, inneholder ingen ny informasjon, så å sende alt til skyen er sløsing med båndbredde. Edge-enheter filtrerer disse dataene på stedet og tar beslutninger som ikke kan vente på en fjernserver, mens skyen lagrer langsiktige data og administrerer enhetene.

IoT-bransjen vokser raskt og kobler sammen flere maskiner, målere og kjøretøy på tvers av bransjer. IoT Analytics anslår at det vil være 21,1 milliarder tilkoblede IoT-enheter innen utgangen av 2025, inkludert aktive noder og gateways.

Etter hvert som dette økosystemet vokser, blir samarbeid stadig viktigere, noe som gjenspeiles i Com4s medlemskap i AIoTI (Alliance for IoT and Edge Computing Innovation) for å fremme IoT og edge computing i hele Europa.

Denne artikkelen forklarer fordelene, funksjonene, typene, hvordan de fungerer, bruksområder og sikkerhet.

Hva er IoT-kant-enheter og kantdatabehandling?

Edge computing plasserer prosessering og lagring nær datakilden i stedet for kun i et sentralt datasenter. ISO/IEC TR 23188 definerer «nær» ut fra ventetid snarere enn fysisk avstand, slik at både en server på stedet og en server i mobiloperatørens nettverk kan fungere som edge.

Ikke alle IoT-enheter er edge-enheter. En IoT-enhet er et tilkoblet objekt som produserer data. En edge-enhet har minne og prosessorkraft til å håndtere disse dataene nesten i sanntid, for eksempel ved å filtrere, bufre, analysere eller utløse en lokal handling.

En temperaturføler som bare videresender rå måleverdier, er en IoT-enhet. Gatewayen som filtrerer måleverdiene og utløser en lokal alarm, er en edge-enhet.

Fordeler ved å behandle IoT-data i kanten

Edge-behandling hjelper bedrifter på følgende seks måter:

• Raskere respons: En edge-enhet utløser sikkerhetsstans og kvalitetskontroller på stedet. Dette er viktig fordi en forsinket stoppkommando fra en ekstern server kan sette en arbeidstaker i fare.

• Lavere datakostnader: Et trafikkamera kan telle kjøretøy på enheten og kun sende totalverdiene, slik at bedriften betaler for å overføre noen få tall i stedet for timevis med video.

• Drift under strømbrudd: Lokale regler fortsetter å kjøre når forbindelsen brytes, slik at en gateway på et fiskefartøy logger lasttemperaturen til sjøs og laster den opp så snart fartøyet er tilbake i dekningsområdet.

• Bedre personvern: En pasientmonitor kan analysere hjerteverdier på enheten og kun dele unormale resultater, noe som holder rå helsedata utenfor nettverket og støtter dataminimering i henhold til GDPR.

• AI-drevne beslutninger: Med maskinlæringsmodeller som kjører på enheten, kan et edge-kamera gjenkjenne forhold som faste regler ikke kan oppdage, for eksempel en tom butikkhylle, og varsle personalet umiddelbart.

• Interoperabilitet: En edge-gateway oversetter mellom industrielle protokoller og moderne IoT-formater, slik at et anlegg kan koble eldre Modbus-kontrollere og nye trådløse sensorer til ett dashbord.

Edge legger også til maskinvare for oppdatering og sikring, så det lønner seg mest der nettverksveien er lang eller ustabil.

Viktige funksjoner hos IoT-enheter i utkanten

En smart sensor utfører de to første funksjonene, mens en gateway eller edge-server håndterer de fleste av dem:

• Innhenting: Den leser inn data via industrielle feltprotokoller som Modbus eller OPC UA og legger til enheter og tidsstempler.

• Redusere: Den kaster uendrede verdier, beregner gjennomsnitt av prøver og komprimerer data før opplasting.

• Beslutning: Den kjører terskelregler, interlocks eller kontrollsløyfer som ikke kan vente på skyen.

• Infer: Den kjører en trent modell for å markere avvik eller klassifisere bilder.

• Sikre: Den skiller feltnettverket fra WAN og krypterer utgående trafikk.

• Koble til: Den sender data oppstrøms via Ethernet, Wi-Fi eller mobilnettverk som LTE-M, NB-IoT eller 5G.

En edge-enhet behandler data på sin egen maskinvare, men er likevel avhengig av nettverkstilkoblingen. Uten en pålitelig oppkobling kan den ikke motta nye modeller, fastvareoppdateringer eller fjernkommandoer fra skyen.

Typer av IoT-kant-enheter

Typene nedenfor spenner fra den minste maskinvaren ved selve enheten til servere inne i mobilnettet:

• Smarte sensorer: En mikrokontroller i sensoren filtrerer målingene før de overføres, for eksempel ved å sende én sammendragsverdi i stedet for den fullstendige vibrasjonsbølgeformen.

• Edge-gatewayer: En gateway samler inn data fra mange felt-enheter. En grunnleggende IoT-gateway oversetter og videresender bare disse dataene, mens en edge-gateway også kjører lokale regler på dem.

• Edge-servere og industrielle PC-er: Flerkjerners maskiner i et skap, en butikk eller en transformatorstasjon kombinerer data fra flere gateways eller kameraer og utfører mer krevende analyser.

• AI-enheter i utkanten: Smarte kameraer og gateways med en dedikert AI-prosessor kjører deteksjons- og inspeksjonsmodeller på stedet.

• Nettverkskant (MEC): Multi-access edge computing plasserer servere inne i mobiloperatørens nettverk, slik at mange utendørs 5G-enheter kan dele én applikasjon med lav ventetid.

Et enkelt anlegg kan kombinere flere av disse typene. Et anlegg kan bruke smarte sensorer på motorene, en edge-gateway på hver produksjonslinje og en edge-server for kameraanalyse.

Hvordan fungerer IoT-enheter i nettverkskanten?

En avsidesliggende vannpumpestasjon viser hvordan en edge-enhet håndterer data fra sensoren til skyen:

1. Innsamling: Sensorer på pumpen måler trykk, temperatur og vibrasjon, og sender hver måling til en edge-gateway i stasjonens kontrollskap.

2. Forberedelse: Gatewayen tidsstempler hver måling, konverterer den til standardenheter og fjerner verdier som ikke har endret seg siden forrige måling.

3. Beslutning: En lokal regel sjekker hver måling mot sikkerhetsgrenser, så hvis trykket stiger kraftig, slår gatewayen av pumpen uten å vente på skyen.

4. Send: Gatewayen sender en kort oppsummering hvert par minutter, samt et varsel hver gang den iverksetter tiltak, via en kryptert mobilforbindelse.

5. Oppdatering: Skyen lagrer historikken, trener modellene på nytt med data fra hver stasjon og sender nye versjoner og innstillinger tilbake til gatewayen. Hvor behandlingen foregår, påvirker også responstiden.

I en norsk 5G-test reagerte en temperaturmodell for kraftledninger på Telenors MEC-node på 44,62 ms i 99. persentilen, mot 47,69 ms i den nærmeste Azure-regionen og 78,49 ms i Sverige. Ingen av de tre oppfylte kravet på omtrent 8 ms som er nødvendig for streng nettkontroll.

Bruksområder for IoT Edge-enheter

Disse fire bruksscenariene viser hva en edge-enhet bestemmer på stedet og hva den sender til skyen:

Prediktivt vedlikehold

En gateway på en produksjonslinje måler motorvibrasjon, strøm og temperatur. En lokal modell varsler om slitasje på lagrene og sender et varsel med et datavindu, mens skyen omskolerer modellen basert på flåtehistorikken.

Nettverksovervåking

Gatewayer ved transformatorstasjoner og andre eksterne anlegg fortsetter å kjøre lokale regler når bredbåndsforbindelsen brytes. De lagrer målingene i kø under strømbruddet og laster dem opp så snart forbindelsen er gjenopprettet.

Sikkerhet ved maskinsyn

En edge-PC analyserer kameraopptak, oppdager en person som går inn i maskinens faresone og utløser en lokal stopp. Bare hendelsesklippet sendes til skyen, i stedet for timer med kontinuerlig video.

Tilkoblede kjøretøy og flåter

Autonome kjøretøy kombinerer kamera-, radar- og GPS-data om bord, fordi en tur-retur-overføring til skyen er for treg til å unngå kollisjoner. En gateway på en lastebil varsler sjåføren og lagrer lastdata når det er hull i dekningen.

Hver av disse implementeringene trenger også en oppkobling som er tilpasset sin plassering, fra Ethernet i en fabrikk til mobilnett på en lastebil som krysser landegrenser.

Rollen til AI og maskinlæring

Edge-AI bruker en trent modell på sanntidsdata på enheten, mens treningen foregår i skyen eller i et laboratorium der data og GPU-er er konsentrert.

I smart landbruk sender kameraer langs sprøytebommen data til innebygde prosessorer som skiller ugress fra avlinger mens maskinen beveger seg. Enkelte dyser retter seg mot ugresset, og sprøytedataene sendes deretter til skyen for å lage ugresskart for fremtidige sesonger.

Modellene komprimeres før distribusjon, slik at de får plass på gateways, kameraer eller mikrokontrollere. Nøyaktigheten deres avtar også når driftsforholdene endres, så hver enhet trenger en signert oppdateringsbane og en måte å rulle tilbake til forrige versjon på.

Når bør bedrifter bruke IoT Edge-enheter?

Edge-enheter medfører ekstra maskinvare som må vedlikeholdes på hvert sted, så bruk dem bare der lokale forhold krever det:

Hvis en modell endres ofte og enhetene ikke kan motta oppdateringer på en pålitelig måte, er det enklere å ha et sentralt oppsett.

Sikkerhet: Det største problemet

Edge-enheter er ofte montert i skap og kjøretøy med lite tilsyn, og mange har direkte tilgang til driftsnettverk. En kompromittert gateway kan gi en angriper tilgang til anleggsutstyr.

Angripere retter seg mot delte standardpassord, usignert fastvare, åpne feilsøkingsporter og flate nettverk uten skille mellom feltutstyr og WAN. Industrielle gatewayer bør følge IEC 62443, sikkerhetsstandarden for industrielle kontrollsystemer.

Følgende tiltak løser disse sikkerhetshullene:

• Gi hver enhet en unik identitet og et sertifikat.

• Godta kun signert fastvare, verifisert ved oppstart.

• Krypter trafikken og skille feltnettverket fra WAN.

• Tildel en ansvarlig for oppdatering av hver gateway gjennom hele levetiden.

Com4s IoT-sikkerhetstjenester legger til private APN- og IPsec-tilkoblinger, slik at enhetstrafikken holdes utenfor det offentlige internett.

Edge-behandling reduserer også eksponeringen, fordi mindre rådata sendes over WAN-nettverket, selv om data som er lagret på enheten fortsatt må krypteres.

Konklusjon

Kant-enheter bestemmer hvilke IoT-data som behandles lokalt og hvilke som sendes til skyen. Dette valget avgjør responstid, datakostnader og hvordan et anlegg oppfører seg når forbindelsen brytes.

Begynn med beslutningene som ikke kan vente på en tur-retur-prosess til skyen, og velg deretter det minste enhetsnivået som kan håndtere dem. Behold historikk, modellopplæring og flåtestyring i skyen.

Com4s globale IoT-SIM-kort kobler sammen edge-gatewayer i flere land via LTE-M, NB-IoT, 4G, 5G eller satellitt. Polaris CMP aktiverer og overvåker hvert SIM-kort eksternt. Bestill et gratis IoT-testsett eller snakk med våre eksperter for å sjekke tilkoblingen på dine anlegg.