Mitä ovat IoT-reunalaitteet? Tyypit, edut ja käyttötarkoitukset

IoT-reunalaitteet ovat laitteita, jotka käsittelevät dataa lähellä sen syntymispaikkaa, ennen kuin data ehtii pilvipalveluun. Esimerkkejä ovat älyanturit, yhdyskäytävät, teollisuustietokoneet ja paikan päällä sijaitsevat palvelimet.

Nämä laitteet tuottavat suuria määriä mittauslukemia ja videomateriaalia. Osa näistä tiedoista, kuten toistuvat anturiarvot, ei sisällä uutta tietoa, joten niiden lähettäminen kokonaisuudessaan pilvipalveluun tuhlaa kaistanleveyttä. Reunalaitteet suodattavat nämä tiedot paikan päällä ja hoitavat päätökset, jotka eivät voi odottaa kaukana sijaitsevaa palvelinta, kun taas pilvipalvelu tallentaa pitkäaikaisia tietoja ja hallinnoi laitteistoa.

IoT-ala kasvaa nopeasti ja yhdistää yhä enemmän koneita, mittareita ja ajoneuvoja eri toimialoilla. IoT Analytics ennusti, että vuoteen 2025 mennessä verkkoon kytkettyjä IoT-laitteita on 21,1 miljardia , kun lasketaan mukaan aktiiviset solmut ja yhdyskäytävät.

Tämän ekosysteemin kasvaessa yhteistyö tulee yhä tärkeämmäksi, mikä näkyy Com4:n jäsenyydessä AIoTI:ssa (Alliance for IoT and Edge Computing Innovation), jonka tavoitteena on edistää IoT:tä ja reuna-laskentaa koko Euroopassa.

Tässä artikkelissa selitetään niiden edut, toiminnot, tyypit, toimintaperiaatteet, käyttötapaukset ja tietoturva.

Mitä ovat IoT-reunalaitteet ja reunalaskenta?

Reunaprosessointi sijoittaa käsittelyn ja tallennuksen lähelle datalähdettä sen sijaan, että se tapahtuisi ainoastaan keskitetyssä datakeskuksessa. ISO/IEC TR 23188 -standardissa ”lähellä” määritellään viiveen perusteella eikä fyysisen etäisyyden perusteella, joten sekä paikan päällä oleva palvelin että matkapuhelinoperaattorin verkossa oleva palvelin voivat kumpikin toimia reunaprosessointilaitteina.

Kaikki IoT-laitteet eivät ole reunalaitteita. IoT-laite on verkkoon kytketty esine, joka tuottaa dataa. Reunalaitteella on muistia ja laskentatehoa käsitellä kyseistä dataa lähes reaaliajassa, esimerkiksi suodattamalla, puskuroimalla, analysoimalla tai käynnistämällä paikallisen toiminnon.

Lämpötila-anturi, joka vain välittää raakamittaustuloksia, on IoT-laite. Yhdyskäytävä, joka suodattaa mittaustuloksia ja laukaisee paikallisen hälytyksen, on reuna-laite.

IoT-tietojen reuna-käsittelyn edut

Reunakäsittely auttaa yrityksiä seuraavilla kuudella tavalla:

• Nopeammat reaktiot: Reunalaitteisto laukaisee turvallisuuspysäytykset ja laaduntarkastukset paikan päällä. Tämä on tärkeää, koska etäpalvelimelta viivästynyt pysäytyskäsky voi vaarantaa työntekijän turvallisuuden.

• Alhaisemmat datakustannukset: Liikennekamera voi laskea ajoneuvot laitteella ja lähettää vain kokonaismäärät, joten yritys maksaa vain muutaman numeron lähettämisestä tuntien videomateriaalin sijaan.

• Toiminta katkosten aikana: Paikalliset säännöt jatkavat toimintaansa, kun yhteys katkeaa, joten kalastusaluksen yhdyskäytävä kirjaa lastin lämpötilan merellä ja lataa tiedot, kun alus palaa verkkoalueelle.

• Parempi tietosuoja: Potilasmonitori voi analysoida sydämen lukemia laitteella ja jakaa vain poikkeavat tulokset, mikä pitää raakatietoa terveydestä poissa verkosta ja tukee GDPR:n mukaisia tietojen minimointivaatimuksia.

• Tekoälypohjaiset päätökset: Laitteella toimivien koneoppimismallien avulla reuna-alueen kamera voi tunnistaa tilanteita, joita kiinteät säännöt eivät pysty havaitsemaan, kuten tyhjän myymälähyllyn, ja hälyttää henkilökuntaa välittömästi.

• Yhteentoimivuus: Reunayhdyskäytävä toimii tulkkina teollisuusprotokollien ja nykyaikaisten IoT-formaattien välillä, joten tehdas voi yhdistää vanhemmat Modbus-ohjaimet ja uudet langattomat anturit yhteen hallintapaneeliin.

Reunalaite tarjoaa myös laitteistopohjaisen päivitys- ja suojausmahdollisuuden, joten se on erityisen kannattava ratkaisu silloin, kun verkkoyhteys on pitkä tai epävakaa.

IoT-reunalaitteiden keskeiset toiminnot

Älyanturi suorittaa kaksi ensimmäistä toimintoa, kun taas yhdyskäytävä tai reuna-palvelin hoitaa suurimman osan niistä:

• Kerää: Se lukee dataa teollisuuden kenttäprotokollien, kuten Modbusin tai OPC UA:n, kautta ja lisää yksiköt ja aikaleimat.

• Käsittely: Se hylkää muuttumattomat arvot, laskee näytteiden keskiarvot ja pakkaa tiedot ennen lähetystä.

• Päätös: Se suorittaa kynnyssääntöjä, lukituksia tai säätösilmukoita, jotka eivät voi odottaa pilvipalvelua.

• Päättely: Se käyttää koulutettua mallia poikkeamien merkitsemiseen tai kuvien luokitteluun.

• Suojaus: Se erottaa kenttäverkon WAN-verkosta ja salaa lähtevän liikenteen.

• Yhteys: Se lähettää tiedot ylävirtaan Ethernetin, Wi-Fi:n tai matkapuhelinverkkojen, kuten LTE-M:n, NB-IoT:n tai 5G:n, kautta.

Reunalaitteet käsittelevät tietoja omalla laitteistollaan, mutta ne ovat silti riippuvaisia verkkoyhteydestään. Ilman luotettavaa ylöspäin suuntautuvaa yhteyttä ne eivät voi vastaanottaa uusia malleja, laiteohjelmistopäivityksiä tai etäkomentoja pilvestä.

IoT-reunalaitteiden tyypit

Alla luetellut tyypit vaihtelevat laitteen pienimmästä laitteistosta mobiiliverkon sisäisiin palvelimiin:

• Älyanturit: Anturissa oleva mikro-ohjain suodattaa lukemia ennen lähettämistä, esimerkiksi lähettämällä yhden yhteenvetoarvon koko tärinäaaltomuodon sijaan.

• Reunayhdyskäytävät: Yhdyskäytävä kerää dataa monilta kenttälaitteilta. Perus-IoT-yhdyskäytävä vain kääntää ja välittää kyseisen datan, kun taas reunayhdyskäytävä soveltaa siihen myös paikallisia sääntöjä.

• Reunapalvelimet ja teollisuustietokoneet: Kaapissa, varastossa tai sähköasemalla sijaitsevatmoniydinlaitteet yhdistävät useiden yhdyskäytävien tai kameroiden tiedot ja suorittavat vaativampia analyysejä.

• Tekoälyreunalaitteet: Älykamerat ja yhdyskäytävät, joissa on erillinen tekoälyprosessori, suorittavat tunnistus- ja tarkastusmalleja paikan päällä.

• Verkon reuna (MEC): Monipääsyinen reunalaskenta sijoittaa palvelimet matkapuhelinoperaattorin verkkoon, jolloin monet ulkona sijaitsevat 5G-laitteet voivat jakaa yhden matalan viiveen sovelluksen.

Yhdessä kohteessa voi yhdistää useita näistä tyypeistä. Tehtaalla voi olla älykkäitä antureita moottoreissa, reuna-yhdyskäytävä jokaisella tuotantolinjalla ja reuna-palvelin kameran analytiikkaa varten.

Miten IoT-reunalaitteet toimivat?

Etäinen vesipumppaamo havainnollistaa, kuinka reuna-laite käsittelee dataa anturista pilveen:

1. Kerääminen: Pumpunanturit mittaavat painetta, lämpötilaa ja tärinää ja lähettävät jokaisen lukeman aseman ohjauskaapissa olevaan reuna-yhdyskäytävään.

2. Valmistelu: Yhdyskäytävä merkitsee jokaiselle lukemalle aikaleiman, muuntaa sen vakioyksiköiksi ja hylkää arvot, jotka eivät ole muuttuneet edellisen lukeman jälkeen.

3. Päätös: Paikallinen sääntö tarkistaa jokaisen lukeman turvallisten rajojen suhteen, joten jos paine nousee liian korkeaksi, yhdyskäytävä sammuttaa pumpun odottamatta pilvipalvelun vastausta.

4. Lähetys: Yhdyskäytävä lähettää salatun matkapuhelinyhteyden kautta lyhyen yhteenvedon muutaman minuutin välein sekä hälytyksen aina, kun se ryhtyy toimenpiteisiin.

5. Päivitä: Pilvipalvelu tallentaa historiatiedot, kouluttaa malleja uudelleen jokaisen aseman tietojen perusteella ja lähettää uudet versiot ja asetukset takaisin yhdyskäytävälle. Myös käsittelyn suorituspaikka vaikuttaa vasteaikaan.

Norjalaisessa 5G-kokeilussa Telenorin MEC-solmussa toimiva sähkölinjan lämpötilamalli reagoi 99. prosenttipisteessä 44,62 ms:ssa, kun vastaava aika lähimmällä Azure-alueella oli 47,69 ms ja Ruotsissa 78,49 ms. Yksikään näistä kolmesta ei täyttänyt tiukan verkko-ohjauksen edellyttämää noin 8 ms:n vaatimusta.

IoT-reunalaitteiden käyttötapaukset

Nämä neljä käyttötapausta osoittavat, mitä reunalaitteet päättävät paikan päällä ja mitä ne lähettävät pilveen:

Ennakoiva kunnossapito

Tuotantolinjan yhdyskäytävä lukee moottorin tärinää, virtaa ja lämpötilaa. Paikallinen malli tunnistaa laakerien kulumisen ja lähettää hälytyksen, jossa on dataikkuna, samalla kun pilvi kouluttaa mallia uudelleen laitteistohistorian perusteella.

Verkon valvonta

Sähköasemien ja muiden etäisten sähköverkon kohteiden yhdyskäytävät jatkavat paikallisten sääntöjen soveltamista, kun laajakaistayhteys katkeaa. Ne tallentavat lukemat jonoon katkon ajaksi ja lataavat ne pilvipalveluun, kun yhteys palautuu.

Konenäön turvallisuus

Reunatietokone analysoi kamerakuvamateriaalia, havaitsee koneen vaara-alueelle astuvan henkilön ja käynnistää paikallisen pysäytyksen. Pilvipalveluun lähetetään vain tapahtumaa koskeva videoleike, ei tuntikausia jatkuvaa videomateriaalia.

Yhdistetyt ajoneuvot ja ajoneuvokannat

Autonomiset ajoneuvot yhdistävät ajoneuvossa olevat kamera-, tutka- ja GPS-tiedot, koska pilvipalveluun lähetettävä ja sieltä saatu vastaus on liian hidas törmäysten välttämiseksi. Kuorma-autossa oleva yhdyskäytävä antaa kuljettajalle hälytyksiä ja tallentaa lastitietoja kattavuusalueiden ulkopuolella.

Jokainen näistä käyttöönotoista vaatii myös sijaintiinsa sopivan yhteyden, tehtaassa Ethernetistä rajat ylittävän kuorma-auton matkapuhelinverkkoon.

Tekoälyn ja koneoppimisen rooli

Reunatekoäly soveltaa koulutettua mallia laitteen reaaliaikaisiin tietoihin, kun taas koulutus tapahtuu pilvipalvelussa tai laboratoriossa, jossa data ja GPU:t ovat keskittyneet.

Älykkäässä maataloudessa ruiskutuspuomin varrella olevat kamerat syöttävät tietoja laitteessa oleviin prosessoreihin, jotka erottavat rikkaruohot viljelykasveista koneen liikkuessa. Yksittäiset suuttimet kohdistavat ruiskutuksen rikkaruohoihin, ja ruiskutustiedot lähetetään myöhemmin pilvipalveluun tulevia satokausia varten laadittavien rikkaruohokarttojen luomista varten.

Mallit pakataan ennen käyttöönottoa, jotta ne mahtuvat yhdyskäytäviin, kameroihin tai mikrokontrollereihin. Niiden tarkkuus heikkenee myös käyttöolosuhteiden muuttuessa, joten jokaisella laitteella on oltava allekirjoitettu päivityspolku ja mahdollisuus palata edelliseen versioon.

Milloin yritysten tulisi käyttää IoT Edge -laitteita?

Reunalaitteet lisäävät kussakin toimipaikassa ylläpidettävää laitteistoa, joten niitä tulisi käyttää vain silloin, kun paikalliset olosuhteet sitä vaativat:

Jos malli muuttuu usein eikä laitteet voi vastaanottaa päivityksiä luotettavasti, keskitetty ratkaisu on yksinkertaisempi.

Turvallisuus: suurin ongelmakohta

Reunalaitteet asennetaan usein kaappeihin ja ajoneuvoihin, joissa valvontaa on vähän, ja monilla laitteilla on suora yhteys operatiivisiin verkkoihin. Kompromitoitu yhdyskäytävä voi tarjota hyökkääjälle reitin laitoksen laitteisiin.

Hyökkääjät kohdistavat hyökkäyksensä jaettuihin oletussalasanoihin, allekirjoittamattomaan laiteohjelmistoon, avoimiin virheenkorjausportteihin sekä tasaisiin verkkoihin, joissa kenttälaitteita ja WAN-verkkoa ei ole erotettu toisistaan. Teollisuusyhdyskäytävien tulisi noudattaa teollisten ohjausjärjestelmien turvallisuusstandardia IEC 62443.

Seuraavat toimenpiteet korjaavat nämä puutteet:

• Anna jokaiselle laitteelle yksilöllinen tunniste ja varmenne.

• Hyväksy vain allekirjoitettu laiteohjelmisto, joka todennetaan käynnistyksen yhteydessä.

• Salaa liikenne ja erota kenttäverkko WAN-verkosta.

• Määritä omistaja, joka huolehtii kunkin yhdyskäytävän päivityksistä sen koko käyttöiän ajan.

Com4:n IoT-tietoturvapalvelut lisäävät yksityisiä APN- ja IPsec-yhteyksiä, jolloin laitteiden liikenne pysyy poissa julkisesta internetistä.

Reunakäsittely vähentää myös altistumista, koska WAN-verkossa kulkee vähemmän raakadataa, vaikka laitteelle tallennetut tiedot on edelleen salattava.

Johtopäätös

Reunalaitteet määrittävät, mihin IoT-tietoihin reagoidaan paikallisesti ja mitkä tiedot lähetetään pilveen. Tämä valinta määrittää vasteajan, datakustannukset ja sen, miten laitteisto käyttäytyy, kun yhteys katkeaa.

Aloita päätöksistä, jotka eivät voi odottaa pilvipalvelun edestakaista yhteyttä, ja valitse sitten pienin laitetaso, jolla ne voidaan toteuttaa. Säilytä historia, mallien koulutus ja laiteparkin hallinta pilvessä.

Com4:n maailmanlaajuiset IoT-SIM-kortit yhdistävät reuna-yhdyskäytävät useissa maissa LTE-M-, NB-IoT-, 4G-, 5G- tai satelliittiverkkojen kautta. Polaris CMP aktivoi ja valvoo jokaista SIM-korttia etäyhteyden kautta. Tilaa ilmainen IoT-testipaketti tai keskustele asiantuntijoidemme kanssa tarkistaaksesi yhteydet kohteissasi.