Vad är IoT Edge-enheter? Typer, fördelar och användningsområden

IoT-kant enheter är hårdvaruenheter som bearbetar data nära den plats där den genereras, innan någon information når molnet. Exempel på detta är smarta sensorer, gateways, industriella datorer och lokala servrar.

Dessa enheter genererar stora mängder mätvärden och videomaterial. En del av dessa data, till exempel upprepade sensorvärden, innehåller ingen ny information, vilket innebär att det är slöseri med bandbredd att skicka allt till molnet. Edge-enheterna filtrerar dessa data på plats och hanterar beslut som inte kan vänta på en avlägsen server, medan molnet lagrar långsiktiga data och hanterar enhetsflottan.

IoT-branschen växer snabbt och kopplar samman fler maskiner, mätare och fordon inom olika branscher. IoT Analytics prognostiserade att det skulle finnas 21,1 miljarder anslutna IoT-enheter vid slutet av 2025, räknat i aktiva noder och gateways.

I takt med att detta ekosystem växer blir samarbete allt viktigare, vilket återspeglas i Com4:s medlemskap i AIoTI (Alliance for IoT and Edge Computing Innovation) för att främja IoT och edge computing i hela Europa.

I den här artikeln förklaras fördelar, funktioner, typer, hur de fungerar, användningsfall och säkerhet.

Vad är IoT-edge-enheter och edge computing?

Edge computing placerar bearbetning och lagring nära datakällan istället för enbart i ett centralt datacenter. ISO/IEC TR 23188 definierar ”nära” utifrån latens snarare än fysisk avstånd, så en server på plats och en server i mobiloperatörens nätverk kan båda fungera som edge.

Inte alla IoT-enheter är edge-enheter. En IoT-enhet är ett uppkopplat objekt som genererar data. En edge-enhet har minne och processorkraft för att hantera dessa data i nära realtid, till exempel genom att filtrera, buffra, analysera eller utlösa en lokal åtgärd.

En temperaturgivare som endast vidarebefordrar råa mätvärden är en IoT-enhet. Gatewayen som filtrerar mätvärdena och utlöser ett lokalt larm är en edge-enhet.

Fördelar med att bearbeta IoT-data i edge

Edge-bearbetning hjälper företag på följande sex sätt:

• Snabbare reaktioner: En edge-enhet utlöser säkerhetsstopp och kvalitetskontroller på plats. Detta är viktigt eftersom ett fördröjt stoppkommando från en fjärrserver kan utsätta en arbetare för fara.

• Lägre datakostnader: En trafikkamera kan räkna fordon direkt på enheten och endast skicka totalvärdena, vilket innebär att företaget betalar för att överföra några få siffror istället för timmar av videomaterial.

• Drift vid avbrott: Lokala regler fortsätter att köras när anslutningen bryts, så att en gateway på ett fiskefartyg loggar lastens temperatur till havs och laddar upp den så snart fartyget åter är inom täckningsområdet.

• Bättre dataskydd: En patientmonitor kan analysera hjärtvärden på enheten och endast dela onormala resultat, vilket håller råa hälsodata borta från nätverket och stöder dataminimering enligt GDPR.

• AI-drivna beslut: Med maskininlärningsmodeller som körs på enheten kan en edge-kamera känna igen förhållanden som fasta regler inte kan upptäcka, till exempel en tom butikshylla, och omedelbart varna personalen.

• Interoperabilitet: En edge-gateway översätter mellan industriella protokoll och moderna IoT-format, vilket gör att en anläggning kan ansluta äldre Modbus-styrenheter och nya trådlösa sensorer till en gemensam kontrollpanel.

Edge tillför dessutom hårdvara för uppdateringar och säkerhet, vilket gör att det lönar sig mest där nätverksvägen är lång eller instabil.

Viktiga funktioner hos IoT Edge-enheter

En smart sensor utför de två första funktionerna, medan en gateway eller edge-server hanterar de flesta av dem:

• Insamling: Den läser av data via industriella fältprotokoll som Modbus eller OPC UA och lägger till enheter och tidsstämplar.

• Reducera: Den sorterar bort oförändrade värden, beräknar medelvärden för mätvärden och komprimerar data innan de laddas upp.

• Besluta: Den kör tröskelvärdesregler, sammankopplingar eller styrslingor som inte kan vänta på molnet.

• Dra slutsatser: Den kör en tränad modell för att flagga avvikelser eller klassificera bilder.

• Säkerhet: Den separerar fältnätverket från WAN och krypterar utgående trafik.

• Anslut: Den skickar data uppströms via Ethernet, Wi-Fi eller mobilnätverk såsom LTE-M, NB-IoT eller 5G.

En edge-enhet bearbetar data på sin egen hårdvara, men är fortfarande beroende av sin nätverksanslutning. Utan en pålitlig upplänk kan den inte ta emot nya modeller, firmwareuppdateringar eller fjärrkommandon från molnet.

Typer av IoT-kant-enheter

Typerna nedan sträcker sig från den minsta hårdvaran vid tillgången till servrar inuti mobilnätverket:

• Smarta sensorer: En mikrokontroller i sensorn filtrerar avläsningarna innan de sänds, till exempel genom att skicka ett sammanfattande värde istället för den fullständiga vibrationsvågformen.

• Edge-gateways: En gateway samlar in data från många fältenheter. En enkel IoT-gateway översätter och vidarebefordrar endast dessa data, medan en edge-gateway även tillämpar lokala regler på dem.

• Edge-servrar och industriella datorer: Flerkärniga maskiner i ett skåp, en butik eller en transformatorstation sammanställer data från flera gateways eller kameror och utför mer krävande analyser.

• AI-enheter i nätverkets ytterkant: Smarta kameror och gateways med en dedikerad AI-processor kör detekterings- och inspektionsmodeller på plats.

• Nätverkskant (MEC): Multi-access edge computing placerar servrar inuti mobiloperatörens nätverk, så att många utomhusenheter med 5G kan dela en applikation med låg latens.

En enskild anläggning kan kombinera flera av dessa typer. En fabrik kan använda smarta sensorer på sina motorer, en edge-gateway på varje produktionslinje och en edge-server för kameraanalys.

Hur fungerar IoT-enheter i nätverkskanten?

En avlägsen vattenpumpstation visar hur en edge-enhet hanterar data från sensorn till molnet:

1. Insamling: Sensorer på pumpen mäter tryck, temperatur och vibrationer och skickar varje mätvärde till en edge-gateway i stationens kontrollskåp.

2. Förberedelse: Gatewayen tidsstämplar varje mätvärde, omvandlar det till standardenheter och sorterar bort värden som inte har förändrats sedan det senaste mätvärdet.

3. Beslut: En lokal regel kontrollerar varje mätvärde mot säkerhetsgränserna, så om trycket stiger kraftigt stänger gatewayen av pumpen utan att vänta på svar från molnet.

4. Skicka: Gatewayen skickar en kort sammanfattning med några minuters mellanrum, samt en varning varje gång den vidtar åtgärder, via en krypterad mobilanslutning.

5. Uppdatera: Molnet lagrar historiken, tränar om modellerna med data från varje station och skickar tillbaka nya versioner och inställningar till gatewayen. Var bearbetningen sker påverkar också svarstiden.

I ett norskt 5G-test svarade en temperaturmodell för kraftledningar på Telenors MEC-nod på 44,62 ms vid den 99:e percentilen, jämfört med 47,69 ms i den närmaste Azure-regionen och 78,49 ms i Sverige. Ingen av de tre uppfyllde de cirka 8 ms som krävs för strikt nätstyrning.

Användningsfall för IoT Edge-enheter

Dessa fyra användningsfall visar vad en edge-enhet beslutar på plats och vad den skickar till molnet:

Förebyggande underhåll

En gateway på en produktionslinje avläser motorvibrationer, ström och temperatur. En lokal modell flaggar för lagerslitage och skickar en varning med ett datafönster, medan molnet omskolar modellen utifrån flottans historik.

Nätövervakning

Gateways vid transformatorstationer och andra avlägsna anläggningar fortsätter att köra lokala regler när den breda nätverkslänken bryts. De lagrar avläsningarna i kö under avbrottet och laddar upp dem så snart länken återupprättas.

Säkerhet med maskinvision

En edge-dator analyserar kamerabilder, upptäcker om en person går in i en maskins farozon och utlöser ett lokalt stopp. Endast händelseklippet skickas till molnet, istället för timmar av kontinuerlig video.

Uppkopplade fordon och fordonsflottor

Autonoma fordon sammanställer kamera-, radar- och GPS-data ombord, eftersom en tur-och-retur-överföring till molnet är för långsam för att undvika kollisioner. En gateway på en lastbil varnar föraren och lagrar lastdata under täckningsavbrott.

Var och en av dessa installationer behöver också en upplänk som är anpassad till sin plats, från Ethernet i en fabrik till mobilnät på en lastbil som korsar gränser.

AI:s och maskininlärningens roll

Edge-AI tillämpar en tränad modell på realtidsdata på enheten, medan träningen sker i molnet eller i ett laboratorium där data och GPU:er är koncentrerade.

Inom smart jordbruk matar kameror längs sprutbommen in data till inbyggda processorer som skiljer ogräs från grödor medan maskinen rör sig. Enskilda munstycken riktas mot ogräset, och sprutdata skickas därefter till molnet för att skapa ogräskartor inför kommande säsonger.

Modellerna komprimeras före distribution så att de får plats på gateways, kameror eller mikrokontroller. Deras noggrannhet minskar också när driftsförhållandena förändras, så varje enhet behöver en signerad uppdateringsväg och en möjlighet att återgå till den tidigare versionen.

När bör företag använda IoT Edge-enheter?

Edge-enheter innebär ytterligare hårdvara att underhålla på varje anläggning, så använd dem endast där lokala förhållanden kräver det:

Om en modell ändras ofta och enheterna inte kan ta emot uppdateringar på ett tillförlitligt sätt är det enklare att ha en central konfiguration.

Säkerhet: Det största problemet

Edge-enheter är ofta monterade i skåp och fordon med liten övervakning, och många har en direkt väg in i driftsnätverk. En komprometterad gateway kan ge en angripare en väg in i anläggningsutrustningen.

Angripare riktar in sig på delade standardlösenord, osignerad firmware, öppna felsökningsportar och platta nätverk utan åtskillnad mellan fältenheter och WAN. Industriella gateways bör följa IEC 62443, säkerhetsstandarden för industriella styrsystem.

Följande åtgärder åtgärdar dessa brister:

• Ge varje enhet en unik identitet och ett certifikat.

• Acceptera endast signerad firmware, verifierad vid uppstart.

• Kryptera trafiken och separera fältnätverket från WAN.

• Utse en ansvarig för att installera säkerhetsuppdateringar på varje gateway under hela dess livslängd.

Com4:s IoT-säkerhetstjänster lägger till privata APN- och IPsec-anslutningar, så att enhetstrafiken hålls borta från det offentliga internet.

Edge-bearbetning minskar också exponeringen, eftersom mindre mängd rådata passerar genom WAN, även om data som lagras på enheten fortfarande behöver krypteras.

Slutsats

Kant-enheter avgör vilka IoT-data som ska hanteras lokalt och vilka som ska skickas till molnet. Det valet avgör svarstid, datakostnader och hur en anläggning beter sig när anslutningen bryts.

Börja med de beslut som inte kan vänta på en tur-och-retur-resa till molnet, och välj sedan den minsta enhetsnivån som kan hantera dem. Förvara historik, modellträning och flottans hantering i molnet.

Com4:s globala IoT-SIM-kort ansluter edge-gateways i flera länder via LTE-M, NB-IoT, 4G, 5G eller satellit. Polaris CMP aktiverar och övervakar varje SIM-kort på distans. Beställ ett gratis IoT-testkit eller prata med våra experter för att kontrollera anslutningen på dina anläggningar.