Het internet of things (IoT) is voor veel organisaties en CIO’s nog wat diffuus en wordt vaak afgedaan als toekomstmuziek. Toch wordt IoT meer toegepast dan op het eerste gezicht lijkt, schrijven Martijn Smit, Jeroen Jacobs en Edwin van Nuil van Oblivion Cloud Control.

De essentie van IoT is dat eigenlijk alles, hoe klein ook, verbonden is met internet om gegevens en data te verzamelen of om een apparaat decentraal te besturen. Toepassingen van IoT zijn gericht op twee gebieden. Veruit de meeste toepassingen hebben dataverzameling en analytics tot doel. In mindere mate richten IoT-toepassingen zich op decentrale sturing. Uit deze twee toepassingsgebieden zijn tal van strategisch inzetbare IoT-toepassingen te bedenken voor organisaties.

IoT is een enabler en biedt nieuwe mogelijkheden voor organisaties. Processen, services en data die nooit voorhanden waren, zijn mogelijk dankzij IoT-technologie. Toegepaste IoT draagt dan ook vaak strategisch bij aan innovatie, procesoptimalisatie of financieel voordeel/omzet. Zo realiseren organisaties dankzij IoT bijvoorbeeld nieuwe diensten, businessmodellen en omzetstromen of wordt het engagement met klanten verbeterd, verreikt of verbreed. In de categorie financieel draagt IoT veelal bij door minimalisatie van verspilling of verbetering van uitnuttig van middelen.

Meer richting de interne processen kan gedacht worden aan zaken als verbetering van veiligheid en optimalisatie van bedrijfsprocessen. Een voorbeeld van een strategische toepassing is een kantoorinrichting- en meubilairfabrikant die door sensoren in de bureaustoel een unieke werkplekbeleving aan zijn klanten kan aanbieden, maar daarmee ook gegevens terugstuurt over gebruik. Een ander voorbeeld is een verzekeraar die data verzamelt uit de databus van de auto en met additionele sensoren, en hier een dynamische korting op de verzekeringspremie baseert.

Sensoren zoals temperatuur, licht, beweging, vochtigheid, kleur, stroomsterkte, enzovoorts, zijn op zichzelf niet nieuw. Ze worden al decennialang toegepast in de elektromechanische industrie en zijn er voor de meest bijzondere toepassingen. De hoeveelheid en intensiteit van de toepassing zijn wel nieuw.

IoT-architectuur

Alvorens we verder op praktische IoT-toepassingen ingaan, beschrijven we eerst de basiselementen van een IoT-ketenarchitectuur. Grofweg is een IoT-architectuur opgebouwd uit vier elementen. Het IoT-device zelf, de connectiviteit, een IoT-platform, en de businessapplicatie. De architectuur en zijn functies zijn weergegeven in figuur 1. We verklaren de onderdelen nader.

Figuur 1. IoT-keten en architectuur

IoT-device

Elk IoT-device bevat drie kernfuncties: één (of meerdere) sensor(en) voor metingen in de fysieke wereld, een lokale simpele processingunit, en de communicatie het netwerk in. Veelal heeft een sensor een lokale aansturing en logica (low-power MCU/SoC) nodig om waarnemingen te verwerken en alleen relevante waarneming te verzenden via de communicatiemodule (WPAN/LPWAN) naar een IoT-Platform.

IoT-connectiviteit

Connectiviteit van de IoT-devices naar het IoT-platform kenmerkt zich als WPAN en LPWAN. WPAN omvat de bekende protocollen als wifi, bluetooth, Thread en/of ZigBee.

LPWAN staat voor low power wide area network en omvat protocollen als LoRa, Sigfox, NB-IoT, LTE-M. LoRa (WAN) is een open standaard die wereldwijd wordt toegepast in zowel publieke als private netwerken. De NB-IoT- en LTE-M-netwerken worden door telecomproviders in gelicenseerd spectrum aangeboden en hebben een aantal voordelen. De grootste voordelen van deze LPWAN-protocollen zijn het lage dataverbruik, geringe batterijverbruik, encryptie en grote reikwijdte. Dit maakt toepassingen mogelijk met kleine devices op locaties zonder elektriciteit of WPAN-connectiviteit.

Connectiviteit wordt geboden door een netwerk als KPN’s LoRaWAN, T-Mobile NB-IoT of door een private-owned LoRaWAN-gateway, die daarna bijvoorbeeld over het internet de communicatie naar achterliggende platformen verzorgt.

IoT-platform

  • Het IoT-Platform heeft grofweg drie functies:
  • Het ontvangen en verwerken van ruwe berichten van de decentrale IoT-devices.
  • Het near-time transformeren van ruwe data naar uitwisselbare informatie voor achterliggende systemen als een datawarehouse of een event-bus.
  • Het managen van de IoT-devices zoals onboarding en provisioning.

Het IoT-platform is IoT-connectivity agnostisch. Dat wil zeggen dat devices langs verschillende WPAN/LPWAN- of zelf WAN/LAN-routes kunnen worden opgenomen.

Businessapplicaties

De businessapplicaties zijn systemen als datawarehouses, analyse/BI-tooling, log-collectors en bijvoorbeeld webbased bedieningsapplicaties om vanuit een vriendelijke interface opdrachten naar apparaten te kunnen sturen. Domotica bijvoorbeeld.

Uitdagingen bij IoT

Anders dan reguliere IT-toepassingen kent het IoT een aantal specifieke uitdagingen. Kenmerkend zijn de hoeveelheid en de aard van de IoT-devices. Devices zijn lang niet altijd eigendom van de aanbieder van een IoT-dienst, worden door diverse vendors op eigen specs in elkaar gezet, en hebben zo hun technische beperkingen.

Zo is stroomverbruik van het device en connectiviteit een schaarste en lang niet altijd vanzelfsprekend. Apparaten moeten dus in sommige toepassingen mogelijk lange tijd op een batterij kunnen functioneren en het IoT-platform moet met downtime en communicatiewindows van apparaten kunnen omgaan. Vanuit de architectuur is zo’n IoT-platform bovendien zwaar asynchroon opgezet.

Devices zijn lang niet altijd eigendom van de aanbieder van een IoT-dienst

Het is dus belangrijk de embedded software hiermee adequaat te laten omgaan. Ook bieden sommige IoT-platformen (zoals dat van Amazon Web Services) een framework om via shadow/twin designpatterns een IoT-device naar de achterliggende systemen virtueel beschikbaar te houden, én andersom.

Een andere uitdaging is security. Welke data bevat het device? Hoe gevoelig is deze? En hoe is de data lokaal beschermd? Maar ook het transport van deze data via connectiviteit naar de achterliggende platformen, incluis het IoT-Platform. Met de actualiteit van de GDPR is het essentieel om de veiligheid en privacy goed op orde te hebben in de totale keten van de IoT-toepassing.

Beheerbaarheid en kostprijs zijn andere gebieden die aandacht behoeven. In dit kader bieden cloudplatformen als Amazon Web Services en Azure tal van diensten om beheer en dataverwerking in een opex-model beheersbaar en efficiënt te realiseren. Ter illustratie zijn in het kader de belangrijkste IoT-diensten weergeven van Amazon Web Services.

IoT-casus energiemanagement

Nu de architectuur- en IoT-specifieke uitdagingen zijn geschetst, duiken we in enkele cases uit de praktijk. Een woningcoöperatie had de afgelopen jaren veel van haar woningen en flats voorzien van zonnepanelen. Om zicht te houden op de energieopbrengsten waren ze op zoek naar een meetsysteem. Echter, de betrouwbaarheid moest hoog zijn en de daadwerkelijk opgewekte energie meten. Dus geen ‘net feed-in’, maar gerealiseerde opwek zonder afhankelijkheid van het type omvormer. Ook onafhankelijkheid van de lokale internet/wifi-verbinding van de bewoners was geen optie.

Gekozen werd om een extra kWh-meter achter de omvormer te plaatsen met een universele ModBus/RS485-interface. Een collector (MCU) las vervolgens digitaal de meterstand en stuurde een UP-bericht over LPWAN. Eigen LoRaWAN-gateways werden gebruikt op de hogere gebouwen voor omliggende woningen. Deze gateways connecteerden via 4G met het internet en stuurden de data door naar de IoT-Stack in de AWS-public cloud. Daar vond verdere verwerking van de data plaats en landde de data in een datawarehouse waar een webinterface heldere analyses visualiseerde.

Op deze manier had de coöperatie uniform inzicht met een betrouwbaar en kosteneffectief netwerk, los van vendor lock-in en vendordatasilo’s. Inzet van private LoRa bespaarde aanzienlijk in de connectiviteitskosten in vergelijking met de inzet van 4G per locatie. Daarbij bood het netwerk de mogelijkheid om in het gebied andere zaken te meten, zoals temperatuur en fijnstof. Zie figuur 2 voor de visuele weergave van de architectuur.

Figuur 2. IoT-architectuur casus 1

IoT-casus gladheidbestrijding

Een andere casus betreft een publieke instelling die weerdata (temperatuur en vochtigheid) onder, op en boven de grond wilde verzamelen over een zeer verspreid gebied. Vervolgens is met hulp van analytics tooling voorspeld of er (preventief) gestrooid diende te worden tegen gladheid. De meetpunten werden verspreid over het terrein. Daarbij was echter de uitdaging dat er geen kabels aangebracht konden worden om in connectiviteit en elektriciteit te voorzien. Low power IoT-devices brachten de oplossing. Ook het optuigen van een privaat netwerk met een eigen gateway was niet mogelijk, dus werd besloten om het KPN LoRaWan-netwerk te gebruiken. De data-events kwamen vanaf het KPN-netwerk het AWS IoT-platform in. Daar werd de ruwe data vervolgens getransformeerd en ging deze richting DWH voor verdere verwerking en BI.

Klaar voor IoT?

De mogelijkheden van IoT alsook twee praktische casussen inspireren mogelijk om na te gaan denken over de waarde die IoT binnen de organisatie kan leveren. Het denken vanuit de functionele gebieden data-analytics en decentrale sturing vormt daarbij een goed startpunt. Start na het idee vervolgens klein met een proof of concept. Dankzij de public-cloud-IoT-diensten die vandaag de dag beschikbaar zijn, kun je zonder al te grote startinvesteringen aan de slag. Met slechts enkele IoT-devices ben je al vertrokken.

Denk wel vanaf de start aan de architectuur van de hele IoT-keten en toets aan de hand van de eerder in dit artikel genoemde IoT-uitdagingen. Houd rekening met het ontstaan van vendorsilo’s. Data moet kunnen vloeien. Denk ook een paar stappen vooruit zodat de IoT-keten klaar is voor uitbreiding of nieuwe toepassingen. Dat zorgt voor een haalbare en schaalbare IoT-oplossing bij uiteindelijke realisatie.

Martijn Smit is softwarearchitect en IoT-consultant en realisator van de twee beschreven casussen, Jeroen Jacobs is cloudconsultant, en Edwin van Nuil is managing director bij AWS consultancy-firma Oblivion Cloud Control.


Belangrijkste uitdagingen IoT-toepassingen

  • Power efficiency
  • Connectiviteit
  • Security
  • Standaardisatie
  • Beheer(s)baarheid
  • Prijs (efficiency)

IoT-bouwstenen Amazon Web Services

  • AWS IoT Core: Managed cloudplatformdienst die IoT-apparaten veilig en eenvoudig met cloudapplicaties laat connecteren.
  • AWS IoT-devicemanagement: clouddienst die IoT-devices eenvoudig en snel laat onboarden, monitoren en beheren.
  • AWS Greengrass: edgesoftware om op het IoT-device te draaien met als doel data-caching en dataverwerking te regelen.
  • AWS IoT-analytics: IoT-analytics-dienst.
  • Amazon FreeRTOS: turnkey AWS-implementatie van een populair realtime OS voor een aantal embedded architecturen.

LAAT EEN REACTIE ACHTER

Laat alsjeblieft een reactie achter!
Laat hier je naam achter