Czym są urządzenia IoT Edge? Rodzaje, zalety i zastosowania

Urządzenia brzegowe IoT to urządzenia sprzętowe, które przetwarzają dane w pobliżu miejsca ich generowania, zanim jakiekolwiek dane dotrą do chmury. Przykłady obejmują inteligentne czujniki, bramki, komputery przemysłowe oraz serwery lokalne.

Urządzenia te generują ogromne ilości odczytów i materiałów wideo. Część tych danych, takich jak powtarzające się wartości z czujników, nie zawiera żadnych nowych informacji, więc wysyłanie ich wszystkich do chmury stanowi marnotrawstwo przepustowości. Urządzenia brzegowe filtrują te dane na miejscu i podejmują decyzje, które nie mogą czekać na odpowiedź od odległego serwera, podczas gdy chmura przechowuje dane długoterminowe i zarządza flotą urządzeń.

Branża IoT szybko się rozwija, łącząc coraz więcej maszyn, liczników i pojazdów w różnych sektorach. Firma IoT Analytics prognozuje, że do końca 2025 r. liczba podłączonych do sieci urządzeń IoT wyniesie 21,1 mld( ), uwzględniając aktywne węzły i bramy.

Wraz z rozwojem tego ekosystemu coraz większego znaczenia nabiera współpraca, czego odzwierciedleniem jest członkostwo firmy Com4 w AIoTI (Alliance for IoT and Edge Computing Innovation) mające na celu rozwój IoT i przetwarzania brzegowego w całej Europie.

W niniejszym artykule wyjaśniono ich zalety, funkcje, rodzaje, sposób działania, przykłady zastosowań oraz kwestie bezpieczeństwa.

Czym są urządzenia IoT typu edge i przetwarzanie brzegowe?

Przetwarzanie brzegowe (edge computing) polega na umieszczeniu procesów przetwarzania i przechowywania danych w pobliżu źródła danych, a nie wyłącznie w centralnym centrum danych. Norma ISO/IEC TR 23188 definiuje pojęcie „w pobliżu” na podstawie opóźnienia, a nie odległości fizycznej, więc zarówno serwer na miejscu, jak i serwer w sieci operatora komórkowego mogą pełnić rolę urządzenia brzegowego.

Nie każde urządzenie IoT jest urządzeniem brzegowym. Urządzenie IoT to podłączony do sieci obiekt, który generuje dane. Urządzenie brzegowe dysponuje pamięcią i mocą obliczeniową pozwalającą na przetwarzanie tych danych niemal w czasie rzeczywistym, na przykład poprzez filtrowanie, buforowanie, analizowanie lub wyzwalanie lokalnych działań.

Czujnik temperatury, który jedynie przekazuje surowe odczyty, jest urządzeniem IoT. Bramka, która filtruje te odczyty i uruchamia lokalny alarm, jest urządzeniem brzegowym.

Korzyści z przetwarzania danych IoT na obrzeżach sieci

Przetwarzanie na obrzeżach sieci pomaga przedsiębiorstwom na sześć sposobów:

• Szybsze reakcje: Urządzenie brzegowe uruchamia zatrzymania bezpieczeństwa i kontrole jakości na miejscu. Ma to znaczenie, ponieważ opóźnione polecenie zatrzymania z serwera zdalnego może narazić pracownika na niebezpieczeństwo.

• Niższe koszty związane z danymi: Kamera drogowa może zliczać pojazdy na urządzeniu i wysyłać wyłącznie sumy, dzięki czemu firma płaci za przesyłanie kilku liczb zamiast godzin nagrań wideo.

• Działanie podczas przerw w zasilaniu: lokalne reguły nadal działają po utracie połączenia, więc brama na statku rybackim rejestruje temperaturę ładunku na morzu i przesyła dane, gdy statek ponownie znajdzie się w zasięgu sieci.

• Lepsza ochrona danych: Monitor pacjenta może analizować odczyty pracy serca bezpośrednio na urządzeniu i udostępniać wyłącznie wyniki odbiegające od normy, co pozwala uniknąć przesyłania surowych danych medycznych przez sieć i wspiera zasadę minimalizacji danych zgodnie z RODO.

• Decyzje oparte na sztucznej inteligencji: Dzięki modelom uczenia maszynowego działającym na urządzeniu kamera brzegowa może rozpoznawać sytuacje, których nie wykrywają stałe reguły, takie jak pusta półka w sklepie, i natychmiast powiadamiać personel.

• Interoperacyjność: Brama brzegowa pełni rolętłumacza między protokołami przemysłowymi a nowoczesnymi formatami IoT, dzięki czemu zakład może połączyć starsze sterowniki Modbus i nowe czujniki bezprzewodowe w jednym panelu kontrolnym.

Rozwiązania brzegowe zapewniają również sprzęt do łatania luk i zabezpieczania, dzięki czemu sprawdzają się najlepiej tam, gdzie ścieżka sieciowa jest długa lub niestabilna.

Kluczowe funkcje urządzeń IoT typu edge

Inteligentny czujnik realizuje dwie pierwsze funkcje, podczas gdy brama lub serwer brzegowy obsługuje większość z nich:

• Pozyskiwanie: Odczytuje dane za pośrednictwem przemysłowych protokołów polowych, takich jak Modbus lub OPC UA, oraz dodaje jednostki miary i znaczniki czasu.

• Redukcja: odrzuca niezmienione wartości, oblicza średnią z próbek i kompresuje dane przed przesłaniem.

• Decydowanie: Urządzenie stosuje reguły progowe, blokady lub pętle sterowania, które nie mogą czekać na odpowiedź z chmury.

• Wnioskowanie: uruchamia wyszkolony model w celu wykrywania anomalii lub klasyfikowania obrazów.

• Zabezpieczanie: oddziela sieć polową od sieci WAN i szyfruje ruch wychodzący.

• Łączenie: Wysyła dane do sieci nadrzędnej przez Ethernet, Wi-Fi lub sieci komórkowe, takie jak LTE-M, NB-IoT czy 5G.

Urządzenie brzegowe przetwarza dane na własnym sprzęcie, ale nadal jest zależne od połączenia sieciowego. Bez niezawodnego łącza w górę nie może odbierać nowych modeli, aktualizacji oprogramowania układowego ani zdalnych poleceń z chmury.

Rodzaje urządzeń brzegowych IoT

Poniższe typy obejmują zarówno najmniejszy sprzęt przy samym obiekcie, jak i serwery w sieci komórkowej:

• Inteligentne czujniki: mikrokontroler w czujniku filtruje odczyty przed transmisją, na przykład wysyłając jedną wartość podsumowującą zamiast pełnego przebiegu drgań.

• Bramki brzegowe: bramka zbiera dane z wielu urządzeń terenowych. Podstawowa bramka IoT jedynie przekształca i przekazuje te dane, podczas gdy bramka brzegowa dodatkowo stosuje do nich lokalne reguły.

• Serwery brzegowe i komputery przemysłowe: Wielordzeniowe maszyny umieszczone w szafie, magazynie lub podstacji łączą dane z kilku bramek lub kamer i przeprowadzają bardziej zaawansowane analizy.

• Urządzenia brzegowe z AI: Inteligentne kamery i bramy z dedykowanym procesorem AI uruchamiają modele wykrywania i kontroli na miejscu.

• Krawędź sieci (MEC): Technologia Multi-access Edge Computing (MEC) umieszcza serwery w sieci operatora komórkowego, dzięki czemu wiele zewnętrznych urządzeń 5G może współdzielić jedną aplikację o niskim opóźnieniu.

W jednej lokalizacji można połączyć kilka z tych typów. Zakład może wykorzystywać inteligentne czujniki na silnikach, bramkę brzegową na każdej linii produkcyjnej oraz serwer brzegowy do analizy obrazu z kamer.

Jak działają urządzenia brzegowe IoT?

Zdalna stacja pompowania wody pokazuje, w jaki sposób urządzenie brzegowe przetwarza dane od czujnika do chmury:

1. Gromadzenie: Czujniki na pompie mierzą ciśnienie, temperaturę i drgania, a następnie wysyłają każdy odczyt do bramy brzegowej w szafie sterowniczej stacji.

2. Przygotowanie: Brama nadaje każdemu odczytowi sygnaturę czasową, przelicza go na standardowe jednostki i odrzuca wartości, które nie uległy zmianie od ostatniego odczytu.

3. Decyzja: Lokalna reguła sprawdza każdy odczyt pod kątem bezpiecznych limitów, więc jeśli ciśnienie gwałtownie wzrośnie, brama wyłącza pompę bez czekania na odpowiedź z chmury.

4. Wysyłanie: Brama wysyła co kilka minut krótkie podsumowanie oraz alert za każdym razem, gdy podejmuje działanie, za pośrednictwem szyfrowanego połączenia komórkowego.

5. Aktualizacja: Chmura przechowuje historię, ponownie trenuje modele na danych z każdej stacji oraz przesyła nowe wersje i ustawienia z powrotem do bramy. Miejsce przetwarzania danych również wpływa na czas reakcji.

W norweskim teście sieci 5G model temperatury linii energetycznej na węźle MEC firmy Telenor zareagował w 44,62 ms w 99. percentylu, w porównaniu z 47,69 ms w najbliższym regionie Azure i 78,49 ms w Szwecji. Żadna z tych trzech lokalizacji nie spełniła wymogu około 8 ms niezbędnego do ścisłej kontroli sieci energetycznej.

Przykłady zastosowań urządzeń IoT Edge

Te cztery przykłady zastosowań pokazują, jakie decyzje urządzenie brzegowe podejmuje na miejscu oraz jakie dane wysyła do chmury:

Konserwacja predykcyjna

Brama na linii produkcyjnej odczytuje drgania silnika, prąd i temperaturę. Lokalny model sygnalizuje zużycie łożysk i wysyła alert wraz z oknem danych, podczas gdy chmura ponownie trenuje model na podstawie historii floty.

Monitorowanie sieci energetycznej

Bramki w podstacjach i innych zdalnych obiektach infrastruktury energetycznej nadal stosują lokalne reguły w przypadku utraty połączenia z siecią rozległą. Podczas przerwy w połączeniu gromadzą odczyty w kolejce i przesyłają je po przywróceniu połączenia.

Bezpieczeństwo oparte na wizji maszynowej

Komputer brzegowy analizuje materiał z kamery, wykrywa osobę wkraczającą do strefy zagrożenia maszyny i uruchamia lokalne zatrzymanie. Do chmury trafia tylko fragment zdarzenia, a nie godziny ciągłego nagrania wideo.

Połączone pojazdy i floty

Pojazdy autonomiczne łączą dane z kamer, radarów i GPS na pokładzie, ponieważ przesyłanie danych do chmury i z powrotem jest zbyt powolne, by uniknąć kolizji. Bramka w ciężarówce wysyła ostrzeżenia do kierowcy i przechowuje dane dotyczące ładunku w miejscach bez zasięgu.

Każde z tych wdrożeń wymaga również łącza w górę dostosowanego do danej lokalizacji – od sieci Ethernet w fabryce po sieć komórkową w ciężarówce przekraczającej granice.

Rola sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego

Sztuczna inteligencja typu edge stosuje wytrenowany model do danych na żywo na urządzeniu, podczas gdy proces uczenia odbywa się w chmurze lub laboratorium, gdzie skoncentrowane są dane i procesory graficzne (GPU).

W inteligentnym rolnictwie kamery umieszczone wzdłuż belki opryskowej przekazują dane do procesorów pokładowych, które rozróżniają chwasty od upraw w trakcie ruchu maszyny. Poszczególne dysze kierują strumień na chwasty, a dane dotyczące oprysku są następnie wysyłane do chmury w celu stworzenia map chwastów na przyszłe sezony.

Modele są kompresowane przed wdrożeniem, aby zmieściły się na bramkach, kamerach lub mikrokontrolerach. Ich dokładność spada również wraz ze zmianą warunków pracy, dlatego każde urządzenie wymaga podpisanej ścieżki aktualizacji oraz możliwości przywrócenia poprzedniej wersji.

Kiedy firmy powinny korzystać z urządzeń IoT Edge?

Urządzenia brzegowe wiążą się z koniecznością konserwacji sprzętu w każdej lokalizacji, dlatego należy z nich korzystać tylko tam, gdzie wymagają tego lokalne warunki:

Jeśli model często ulega zmianom, a urządzenia nie mogą niezawodnie odbierać aktualizacji, prostszym rozwiązaniem jest centralna konfiguracja.

Bezpieczeństwo: największy problem

Urządzenia brzegowe są często montowane w szafach i pojazdach, gdzie nadzór jest ograniczony, a wiele z nich ma bezpośredni dostęp do sieci operacyjnych. Naruszona brama może zapewnić atakującemu dostęp do urządzeń zakładu.

Atakujący wykorzystują wspólne domyślne hasła, niepodpisane oprogramowanie sprzętowe, otwarte porty debugowania oraz sieci płaskie bez rozdzielenia urządzeń terenowych od sieci WAN. Bramki przemysłowe powinny być zgodne z normą IEC 62443, która określa standardy bezpieczeństwa dla przemysłowych systemów sterowania.

Poniższe środki zaradcze pozwalają wyeliminować te luki:

• Przypisanie każdemu urządzeniu unikalnej tożsamości i certyfikatu.

• Akceptuj wyłącznie podpisane oprogramowanie układowe, weryfikowane podczas uruchamiania.

• Szyfrowanie ruchu i oddzielenie sieci polowej od sieci WAN.

• Wyznacz osobę odpowiedzialną za instalowanie poprawek na każdej bramie przez cały okres jej eksploatacji.

Usługi bezpieczeństwa IoT firmy Com4 zapewniają prywatne połączenia APN i IPsec, dzięki czemu ruch urządzeń nie trafia do publicznej sieci internetowej.

Przetwarzanie brzegowe również zmniejsza narażenie, ponieważ przez sieć WAN przepływa mniej surowych danych, choć dane przechowywane na urządzeniu nadal wymagają szyfrowania.

Wniosek

Urządzenia brzegowe decydują, które dane IoT są przetwarzane lokalnie, a które trafiają do chmury. Wybór ten określa czas reakcji, koszty związane z przesyłem danych oraz sposób działania obiektu w przypadku utraty połączenia.

Zacznij od decyzji, które nie mogą czekać na przesył danych do chmury i z powrotem, a następnie wybierz najmniejszy poziom urządzenia, który może je podjąć. Historię, uczenie modeli i zarządzanie flotą przechowuj w chmurze.

Globalne karty SIM IoT firmy Com4 łączą bramy brzegowe w wielu krajach za pośrednictwem sieci LTE-M, NB-IoT, 4G, 5G lub satelitarnych. Polaris CMP zdalnie aktywuje i monitoruje każdą kartę SIM. Zamów bezpłatny zestaw testowy IoT lub skontaktuj się z naszymi ekspertami, aby sprawdzić łączność w swoich lokalizacjach.