[:cs]

Internet věcí

Pojem Internet věcí (internet of things) je v současné době velmi používaný pojem v oblasti informačních a komunikačních technologií (ICT). O internetu věcí se velmi mnoho mluví a píše, ale často je tento pojem těžké pochopit a zařadit. Je to z důvodu, že problematika IoT se týká téměř všech oborů lidské činnosti a je tedy rozsáhlá. Zde se tak pokusím „stručně“ a srozumitelně shrnout nejdůležitější poznatky týkající se tohoto pojmu.

Definice

Existuje mnoho definic pojmu internetu věcí a je tedy často těžké pochopit význam tohoto pojmu. Z mého pohledu je nejvýstižnější následující definice [Internet of things in 2020, Internet of Things]

“Internet věcí” znamená: síť propojených objektů (věcí), které jsou jednoznačně adresovatelné s tím, že tato síť je založena na standardizovaných komunikačních protokolech umožňující výměnu a sdílení dat a informací, jejichž analýzou bude možné docílit vyšší přidané hodnoty.

Síť: Slovo síť, nemusí představovat pouze Internet (jak evokuje pojem IoT) – tedy celosvětový systém navzájem propojených počítačových sítí, ve kterých mezi sebou počítače komunikují pomocí rodiny protokolů TCP/IP, ale může znamenat i lokální síť (LAN), v rámci které mohou věci komunikovat, avšak s prostupem do Internetu pro možnost sdílení výsledků. Síť zajišťuje konektivitu.

Věc: Věc z pohledu IoT představuje neživý objekt (fyzický nebo virtuální) obsahující elektroniku, software a senzory, pomocí kterých snímá určitou veličinu nebo veličiny a poskytuje schopnost sloužit k danému účelu. Jedná se tedy o zařízení (systém), které autonomně poskytuje data (osobní počítač, který neposkytuje data nepředstavuje věc z pohledu IoT), která jsou kabelově nebo bezdrátově sdílena s dalšími věcmi nebo systémy. Paradoxem však je, že v rámci Internetu věcí nejsou základem věci, ale data, která tyto věci poskytují.

Internet věcí tedy představuje koncept, v rámci kterého si fyzické a virtuální objekty (věci) vyměňují data přes síť Internet. Věci (systémy) mohou být v rámci Internetu věcí libovolně pospojovány za účelem dosažení vyšších cílů (nových funkčností, složitějších úloh, apod.).

Současný stav

Pojem „Internet věcí“ poprvé použil ve stejnojmenné prezentaci pan Kevin Ashton v roce 1999. V prezentaci poukázal na to, že téměř veškerá data na Internetu jsou vytvářena lidmi a o co lepší vnímání světa bychom získali použitím propojených senzorů a sdílením dat mezi systémy.

Další důležitý milník z pohledu IoT bylo období mezi roky 2008 a 2009, kdy podle odhadu společnost Cisco překročil počet zařízení (obecně) připojených k internetu počet světové populace a tedy právě mezi roky 2008 a 2009 je datován vznik Internetu věcí.

Nejprve byly připojeny do Internetu zejména počítače. Pak se přidaly chytré telefony a tablety. Nyní jsou do Internetu připojovány věci (příklady uvedeny níže).

Obrázek 1: Internet věcí se zrodil mezi roky 2008 a 2009 [Zdroj: Cisco IBSG, April 2011]

Je předpoklad, že v roce 2020 bude do internetu připojeno zhruba 50 miliard zařízení, tedy v řádu o polovinu více než dnes (2015). Na jednoho člověka na zemi, tak bude připadat mezi šesti až sedmi zařízeními. Z tohoto počtu bude řádově polovina tvořit věci z pohledu internetu věcí (podle serveru gartner), tedy bez počítačů, tabletů a chytrých telefonů.

Dále je předpoklad, že celosvětově trh IoT (obsahuje infrastrukturu, zařízení, platformy, analytické nástroje a aplikace) bude kolem roku 2020 dosahovat hodnoty v řádu bilionu dolarů (cca 2*10^12 dolarů), tzn. trojnásobek dnešní hodnoty. V České republice se toto číslo bude pohybovat kolem miliardy dolarů (cca 1×10^9), tzn. dvojnásobek dnešní hodnoty. Hodnota investic, které jsou do internetu věcí v současnosti investovány společnostmi, se pohybuje v řádech milionů až miliard dolarů. Mezi nejvýznamnější společnosti, které nejvíce investují do IoT patří, podle serveru IoT Analytics, americké firmy IBM, Google, Intel, Microsoft, Cisco a Apple (v tomto pořadí). V České republice je předpoklad, že největší investice budou do monitorování nákladní dopravy, provozu průmyslové výroby, správy výrobních prostředků, monitorování a zabezpečení domácností. Z výše uvedeného tak vyplývá jednoznačný závěr.

IoT představuje obrovský potenciál v hledání nových příležitostí.

Cíl (Důvod)

Cílem IoT je propojení zařízení, systémů a služeb za účelem poskytnutí více dat, která mohou být převedena na informace a informace na znalosti, které lze následně aplikovat. IoT systémy tak mohou na základě získaných znalostí vytvářet rozhodnutí a autonomně provádět činnosti.

To znamená, čím více budou zařízení schopna poskytovat data o reálném světě, tím budeme mít k dispozici více dat, která lze analyzovat, a tím více znalostí bude možné využít. To umožní docílit pokrok v dané doméně a ve výsledku to může znamenat pokrok pro celé lidstvo. A to ať už se bude jednat o zjednodušení každodenního života (CIoT = Consumer IoT = spotřebitelský internet věcí) nebo zefektivnění využívaní zdrojů (IIoT = Indurstrial IoT = průmyslový internet věcí). Zefektivnění využívání zdrojů, a tím dosažení výrazných úspor bude hlavním důvodem pro investování do IoT (zejména tedy do IIoT).

O IoT tak můžeme mluvit jako o evoluci Internetu, kdy bude umožněno propojení různých zařízení, systémů a sítí v různých doménách, mezi kterými bude umožněno sdílení dat. Toto propojení bude umožněno kdykoliv a kdekoliv (samozřejmě v případě, pokud je to fyzikálně možné a mezi jednotlivými uzly sítě existuje spojení).

Požadavky na IoT

Hlavní požadavky na IoT vycházejí z výše uvedených cílů. Architektura tvořící IoT musí umožnit

  • sběr dat/informací/znalostí,
  • uložení dat/informací/znalostí,
  • analýzu dat/informací/znalostí,
  • sdílení výsledků.

Dále musí architektura splňovat přísné požadavky na

  • bezpečnost.

Mezi dílčí požadavky můžeme zařadit například interoperabilní a efektivní přenos a sdílení dat a tedy volba vhodného přenosového standardu a datového modelu (viz strana Integrace). Dalším požadavkem na systémy IoT je zpracovávání velkých objemů datově heterogenních dat generovaných zařízeními připojenými do IoT. Pro možnost data, informace a znalosti kombinovat a skládat (fúzovat) je nutné také docílení sémantické interoperability (viz strana Integrace).

Z pohledu výsledného řešení (z pohledu uživatele) je pak také důležité, aby řešení bylo snadno nasaditelné, snadno integrovatelné s ostatními aplikacemi a systémy, a aby bylo dosaženo přehledné organizace a prezentace zpracovaných dat.

Směry vývoje IoT

V rámci IoT se vytvořily dva hlavní směry. Jedná se o

  • průmyslový internet věcí (Industrial IoT)
  • spotřebitelský internet věcí (Consumer IoT)

Obrázek 2: Hlavní směry IoT

Průmyslový internet věcí:

Segment internetu věcí, který se zaměřuje na klíčové nebo kritické úlohy. Vychází z M2M a rozšiřuje ho o možnost analýzy dat např. v cloudu (viz Cloud computing). Jedná se o IoT zařízení a systémy, které jsou používány v průmyslových odvětvích, jako jsou: průmyslová automatizace, dopravní průmysl, energetický průmysl, zdravotnictví. Hlavním zaměřením tohoto segmentu internetu věcí je efektivnější využívání zdrojů, snížení provozních nákladů, zvýšení pracovní produktivity a bezpečnosti pracovníků, předcházení výpadkům pomocí monitorování a včasné údržby a tím dosažení výrazných úspor (a tedy i navrácení investic). Tento segment IoT bude převládající.

Spotřebitelský internet věcí:

Segment internetu věcí, které se zaměřuje na spotřebitele. Zejména na spotřebitelská zařízení, spotřebiče, IT a telekomunikační zařízení a další jiná . Jsou zde využívána elektronická zařízení, která umožní zjednodušit každodenní život pomocí automatizace v domácnosti, chytrých zařízení (pračky, televize, lednice, osvětlení) nebo pomocí nositelné elektroniky. Hlavním zaměřením tohoto segmentu internetu věcí je zvýšení uživatelského zážitku.

Vlastnosti jednotlivých segmentů znázorňuje následující obrázek.

Obrázek 3: Vlastnosti jednotlivých segmentů

Charakteristika prostředí

Základem celého IoT jsou DATA.

Trocha teorie. Data představují nezpracovaná data (např. „1234“). Přiřazením významu k datům (pomocí vztahů) vzniká informace (např. „1234“ je heslo). Zasazení informace do souvislostí (kontextu) vzniká znalost (např. heslo „1234“ je moje heslo). Následným aplikováním znalosti vzniká porozumění (např. použití hesla „1234“ pro přihlášení do mého telefonu – ale mohl by to být klidně notebook – kdo ví).

Je předpoklad, že IoT bude generovat v roce 2018 až 33 ZB (cca 33*10^21 bytů = 33*1000^7 bytů) dat každý měsíc (zdroj Cisco). Z tohoto objemu dat bude pouze „malá“ část (až 8 ZB) předávána do cloudu k uložení a následné analýze. Takto velké objemy dat se „již opravdu“ dají označit jako BIG DATA.

Sběr, uložení, analýzu a sdílení dat/informací/znalostí musí zabezpečit architektura IoT systému.

Každá architektura IoT systému obsahuje základní stavební bloky (komponenty), kterými jsou

  • Hardware,
  • Middleware,
  • Software.

Jako hardware lze označit veškeré fyzické věci generující data, komunikační a výpočetní infrastrukturu, datová úložiště (privátní , veřejná, hybridní, komunitní).

Middleware je programové vybavení, která překrývá heterogenitu aplikací, operačních systémů, komunikačních systémů a hardwaru v distribuovaném systému tím, že poskytuje jednotné rozhraní aplikacím. Middleware umožní propojení jednotlivých prvků internetu věcí a dále pak sběr, uložení a sdílení výsledků mezi různými systémy (např. pomocí cloudového úložiště).

Nad získanými daty pak bude použit software pro analýzu, skládání a kombinování velkých objemů heterogenních dat a vytváření informací a dále znalostí (fúze dat). Výsledky ze zpracování (fúze) dat mohou vést až k automatickému nebo poloautomatickému ovlivnění situace nebo alespoň pro podporu v rozhodovacích a organizačních procesech. Software také bude sloužit pro sdílení (např. služba cloudového úložiště) a prezentaci výsledků. Cloudové služby pro analýzu a prezentaci dat budou zásadní pro většinu IoT řešení.

Způsoby propojení v rámci IoT

Propojení mezi prvky IoT systému bude vždy závislé na určení systému. Je několik způsobů, jakým mohou být prvky propojeny a jakým způsobem tedy mezi nimi probíhá komunikace. Komunikace tak může, většinou v kombinaci, probíhat

  • Mezi zařízeními navzájem (Fog Computing)
  • Od zařízení do Cloudu
  • Mezi Cloudy

Komunikace mezi zařízeními (věcmi) bude použita v systémech, kdy využití Cloudu pro ukládání, vyhodnocování a sdílení dat není pro dané řešení vyhovující. Může to být například v případech, kdy není k dispozici dostatečná kapacita linky pro zasílání všech dat, nebo zasílání velkého množství dat je prostě finančně drahé. V některý případech je důležité, aby IoT systém fungoval i v případě omezeného, časově nestálého nebo nefunkčního připojení do Cloudu. A na příklad u systémů pracujících v reálném čase nebo v čase blízkému reálnému času je zase doba pro zaslání dat do Cloudu a zpět nepřijatelná. Pro některé systémy tedy není centralizované Cloudové řešení vhodné a místo něho se využívá decentralizovaný Fog computing, kde spolu zařízení (věci) komunikují přímo mezi sebou (peer-to-peer). Fog computing tak doplňuje Cloud Computing o možnost provádět sběr, ukládání, analýzu a sdílení blíže zařízením a jejich datům (lokální zpracování). Tím je umožněno dosáhnout lepší škálovatelnosti, spolehlivosti, rychlejších odezev systému a snížení nákladů. Tento přístup je využíván zejména v Průmyslovém internetu věcí (IIoT), kde je kladen důraz na spolehlivost a definované odezvy systémů. Výsledky zpracování dat jsou poté předávány do Cloudu.

Obrázek 4: Fog computing, cloud computing v rámci IoT.

Komunikace od zařízení do Cloudu je často využívána v rámci spotřebitelského internetu věcí (CIoT), kde není kladen takový důraz na rychlost odezvy a případný výpadek spojení nemá závažné dopady. Cloud (cloudové služby a aplikace a cloudová úložiště) v tomto případě může být veřejný, privátní, hybridní nebo komunitní.

Komunikace mezi Cloudy bude použita v případě nutnosti sdílení dat mezi různými doménami. Tedy například mezi privátním a veřejným Cloudem.

Obrázek 5: Rozdíl mezi Fogem a Cloudem

Aplikace IoT

Příkladů IoT aplikací je nepřeberné množství a každým dnem vznikají nová řešení. Zde bude uvedeno několik příkladů z několika kategorií (výčet kategorií není úplný a příklady mohou postupně přibývat).

Průmyslový internet věcí:

  • průmyslová automatizace
    • Automatická diagnostika přístrojů a monitorování jejich stavu s možností upozornění na případné závady
    • Zabezpečení prostor proti neoprávněnému vstupu pro zajištění bezpečnosti
    • Detekce výbušných a nebezpečných látek
  • dopravní průmysl
    • Automaticky řízené automobily
    • Kontrola kvality přepravy – monitorování vibrací, nárazů nebo otevření
    • Sledování a lokalizace zásilek např. ve velkých skladech
  • energetický průmysl
    • Monitorování a řízení spotřeby energie
  • zdravotnictví
    • Sledování stavu pacientů – monitorování stavu pacientů v nemocnicích nebo starých lidí žijících doma
    • Detekce pádů
  • chytrá města (např. Barcelona, Chicago, Hamburg, Nice, Písek…)

Světová urbanizace (neboli koncentrace obyvatelstva do měst) stále stoupá a v současnosti se nachází podle „The World Factbook“ na 54 % s růstem 2,05 % za rok. Globální městská populace tak dnes (2015) převyšuje počet obyvatel vesnic. V České republice se urbanizace pohybuje okolo 75 %, což znamená, že na vesnici žije pouze čtvrtina obyvatel.

  • Snadnější parkování – monitorování parkovacích míst umožňující snadno najít volné místo
  • Omezení dopravních zácp – monitorování stavu dopravy umožňující navrhnout optimální trasy. To umožní také snížit objem emisí.
  • Inteligentní osvětlení – Osvětlení reagující na přítomnost objektů a klimatických podmínek umožní šetření energie.
  • Inteligentní svoz komunálního odpadu – Detekce úrovně zaplnění kontejnerů, které umožní optimalizovat svoz odpadu.
  • Inteligentní silnice – silnice poskytující informace a varovné zprávy informující o klimatických podmínkách a nehodách na silnici.
  • Zvýšení bezpečnosti obyvatel a snížení zločinnosti.
  • Chytré budovy – Budovy umožňující šetření energie inteligentním topením a osvětlením.

Spotřebitelský internet věcí:

  • Chytré domácnosti – dálkové ovládání spotřebičů pro větší komfort nebo šetření energie. Dále pak detekce otevření dveří a oken pro prevenci před zloději. Monitorování spotřeby elektrické energie a vody pro možnost dosažení úspor.
  • Inteligentní nakupování – aplikace umožní poradit při nákupu např. podle zákazníkových zvyků, preferencí, či velikostí, nebo podle přítomnosti alergických látek, nebo doby exspirace.
  • Platby za zboží a služby pomocí NFC obsaženého v mobilním telefonu nebo nositelné elektronice.

Problémy zavedení

Vytvoření IoT systému s sebou přináší jisté problémy, které je nutné řešit. Mezi ty nejzásadnější patří zejména:

  • Interoperabilita – Jedním z nejzávažnějších problémů je interoperabilita, tedy schopnost věcí (systémů, aplikací, jednotek či organizací) poskytovat data jiným věcem a akceptovat od nich a používat takto sdílená data pro efektivní společnou činnost. Problémy při řešení spolupráce věcí v rámci iot vycházejí z toho, že věci jsou vytvářeny často různými subjekty a používají tedy různé způsoby komunikace a různé datové modely. Tak dochází k tomu, že není dosažena interoperabilita. K dosažení interoperability je potřeba využívat standardy všude tam, kde je to možné a to jak pro komunikaci, tak pro datové modely. Problematikou integrace a interoperability se detailně věnuje článek Integrace.
  • Bezpečnost – Řešení bezpečnosti v IoT systému nelze v žádném případě opomenout. IoT systém musí podporovat bezpečnostní funkce jak u koncových uzlů, tak pro přenos a sdílení dat mezi které patří autentizace (ověření identity), autorizace (oprávnění použít určitý zdroj dat), šifrování komunikace, použití digitální podpis pro zajištění integrity a nepopíratelnosti přenosu a další.

Další faktory, které mohou brzdit rozvoj IoT byly v článku Industrial Internet of Things: Unleashing the Potential of Connected Products and Services identifikovány tyto:

  • Nejasný způsob návratu vložených investic
  • Vysoká cena nutná pro rozšíření stávajících zařízení
  • Neznalost současných technologií a trendů v budování distribuovaných systémů

Řešení technologických problémů se zavedením IIoT se snaží adresovat konsorcium průmyslového internetu (Industrial internet consorcium = ICC). Konsorcium vzniklo v roce 2014 a dnes ho tvoří více než 170 společností (2015) a mezi zakládající společnosti patří například IBM,CISCO, GE, Intel, AT&T. Cílem tohoto konsorcia je vytvořit a ověřit společnou architekturu vhodnou pro průmyslový internet věcí, která umožní komunikaci mezi věcmi (senzory, systémy, aplikacemi), ale také předávání výsledků do cloudu, zabezpečí vzájemnou součinnost mezi různými výrobci a umožní její nasazení v různých odvětvích. Toto konsorcium navrhlo referenční architekturu pro průmyslový internet věcí (Industrial Internet Reference Architecture – IIRA), která představuje otevřenou architekturu založenou na standardech vhodných pro průmyslový internet věcí.

Závěr:

Tento článek se ve „stručnosti“ věnoval konceptu Internetu věcí, jehož cílem je propojení zařízení, systémů a služeb za účelem poskytnutí více dat, která mohou být převedena na informace a informace na znalosti, které lze následně aplikovat.

Propojení jednotlivých prvků internetu věcí a dále pak sběr, uložení a sdílení výsledků mezi různými systémy, což zabezpečuje middleware, je nutnou avšak ne postačující podmínkou pro vznik internetu věcí. Dalšími velmi důležitými aspekty pro vznik internetu věcí je také dosažení interoperability mezi spolupracujícími systémy a bezpečnost. Poté již bude možné data analyzovat a výsledky použít. Dalším předpokladem pro vznik IoT je spolupráce mezi jednotlivými dodavateli prvků, připojených do internetu věcí. Bude tak docházet k [integraci] různých dat a informací za účelem vytvoření nových informací nebo dosažení nového cíle.

Internet věcí se dělí na dva segmenty na průmyslový internet věcí (Industrial IoT) a spotřebitelský internet věcí (Consumer IoT). Do popředí se bude rychleji dostávat IIoT před CIoT. Je to z toho důvodu, že IIoT představuje v mnoha oborech kritickou infrastrukturu a jeho zavedení přinese vyšší efektivitu, nově přidanou hodnotu, nebo přinese výrazné úspory. Na druhou stranu CIoT budou lidé vnímat spíše jako ulehčení života nebo zlepšení životní úrovně, než že by byl životně důležitý.

Použití IoT je možné vidět například v rámci IIoT v průmyslové automatizaci, dopravním průmyslu, energetickém průmyslu, zdravotnictví anebo v rámci chytrých měst. U CIoT pak použití bude zejména v rámci chytré domácnosti v inteligentním nakupování anebo využitím nositelné elektroniky.

Ne že by zavedení internetu věcí nebylo možné již před několika lety, nicméně nyní přišla ta pravá chvíle díky rychlému a levnému internetu a díky levným součástkám, které umožní vytvoření věcí a tak poskytnout data pro IoT.

IoT v současné době už není pouze vize do budoucna nebo jen idea na papíře. IoT je již dnes realizován a je to směr, kam se bude svět IT ubírat dál.

[:en]

Internet of Things

The Internet of Things (IoT) concept is currently very used within the field of information and communication technologies (ICT). A lot is said and written about the IoT, but often this concept is difficult to understand and categorize. The reason for it is that the IoT concept is related to almost all fields of human activity, and is, therefore, large. So here I will try “briefly” and clearly summarize the most significant knowledge related to this concept.

IoT Definition

There are many definitions of the notion of the Internet of things and is therefore often difficult to understand the importance of this concept. From my point of view is the most eloquent the following definition [Internet of things in 2020, Internet of Things]

The “Internet of Things” means a network of linked objects (things) that are uniquely addressable with the fact that this network is based on standardized communication protocols that allow the exchange and sharing of data and information, whose analysis it will be possible to achieve a higher added value.

Network: The word network, may not represent only Internet (as one could suggest from notion IoT) – hence the worldwide system of interconnected computer networks, in which computers communicate with each other by using the family of protocols TCP/IP. However, it may mean a local network (LAN), where things can communicate, but with a use of the Internet for the sharing of the results. The network ensures connectivity.

Thing: The thing from the perspective of IoT is an inanimate object (physical or virtual) that contains electronics, software, and sensors (actuators), which are used to collect certain quantity or quantities and provides the ability to serve an individual purpose. It is, therefore, a device (a system), which autonomously provides data (personal computer, that does not provide the data does not represent a thing from the perspective of IoT), which are shared by wire or wirelessly with other things or systems. The paradox, however, is that thing is not a core of the Internet of Things, but a DATA generated by these things are.

The Internet of things, therefore, represents a concept within which physical and virtual objects (things) exchange data over the Internet. Things (systems) may be in the context of the Internet of things arbitrarily linked together to achieve higher goals (new functionality, more complex tasks, etc.).

The current status of IoT

The term “Internet of things” was used for the first time in Mr. Kevin Ashton’s presentation in 1999. The presentation pointed out that almost all of the data on the Internet are created by humans and what a better perception of the world we would have gained by use of connected sensors and data sharing between systems.

Another significant milestone from the perspective of the IoT was the period between the years 2008 and 2009, when, according to the Cisco estimate, the number of devices (in general) connected to the Internet exceeds the number of the world’s population. Therefore, just between the years 2008 and 2009 is dated the emergence of the Internet of Things.

Among first devices connected to the Internet belonged computers. Then smartphones and tablets started to be connected. Today things are connected to the Internet (examples provided below).

Figure 1: Internet of things was born between the years 2008 and 2009 [source: Cisco IBSG, April 2011]

It is the assumption that roughly 50 billion devices will be connected to the Internet in the year 2020. That means about two times more than today (2015). For an idea, it is about six to seven devices for every human on Earth. Things will form about one-half of all devices (25 billion) from the perspective of the Internet of Things (according to server Gartner), so without the computers, tablets and smartphones.

There is the assumption that the worldwide market for IoT (contains the infrastructure, equipment, platforms, analytical tools and applications) will be in the order of $ 1 trillion in the year 2020 (approx. 2 * 10^ 12 dollars), i.e. three times today’s values. In the Czech Republic, this number will be around $ 1 billion (approx. 1 x 10^ 9 dollars), i.e. double today’s value.

The value of investments that are currently invested by companies to the Internet of things varies in the millions to billions of dollars. Among the most notable companies that most invested in IoT belongs, by server IoT Analytics, the American companies IBM, Google, Intel, Microsoft, Cisco and Apple (in that order). In the Czech Republic, it is the assumption that the largest investments will be to the monitoring of road freight transport, management of the industrial production, asset management, monitoring home security. The clear conclusion can be drawn from the previous text.

IOT represents a tremendous potential in the search for new opportunities.

Goal of IoT

The aim of the IoT is to link equipment, systems and services to provide more data that can be converted into the information and then information into knowledge that could then be applied. IoT systems will be able to make decisions based on gained knowledge and consequently carry out autonomous actions.

Simply said, the more devices will be able to provide data about the real world, the more data for analysis will be available, and that could lead to more knowledge that we could gain and then use. This increase of knowledge will allow achieving progress in that domain, and as a result, this could lead to progress for the whole humanity. Whether it will be the simplification of everyday life (CIoT = Consumer IoT = consumer internet of things) or more efficient use of resources (IIoT = Industrial IoT = Industrial Internet of Things). More efficient use of resources, and thus achieving significant savings will be the primary reason for investing into the IoT (mainly into the IIoT).

We can say that IoT is an evolution of the Internet, where data sharing will be allowed among various connected devices, systems and networks within different domains. Such data sharing will be possible anytime and anywhere (in the case, of course, if it is physically possible, and between the nodes link exists and authentication and authorization was performed).

IoT requirements

The main requirements on the IoT are based on the above objectives. IoT architecture must allow to

  • collect data/information/knowledge,
  • store data/information/knowledge,
  • analyze data/information/knowledge,
  • share results.

Architecture must meet strict requirements on

  • security.

Also, there are some additional minor requirements, like for example, interoperable and efficient data transfer and sharing. Those require a proper choice of an appropriate communication standard and data model (see page Integration). Another requirement on the IoT systems is the processing of large volumes of heterogeneous data generated by devices connected to the IoT system. It is also necessary to achieve semantic interoperability (see page Integration) to be able to combine and compose (merge) data, information and knowledge.

From the perspective of the final solution (from the user’s perspective) there is also important that the solution should be readily deployable, easily integrable with other applications and systems, and also, a clear organization and presentation of the processed data should be achieved.

Directions of the IoT

Two main directions have formed within IoT. These are

  • industrial internet of things (Industrial IoT)
  • consumer internet of things (Consumer IoT)

Figure 2: The main directions of the IoT

Industrial IoT:

A segment of the Internet of Things that focuses on the key or critical tasks. It is based on the M2M (machine to machine) and extends it to provide a possibility of data analysis, e.g. in a cloud (see Cloud computing). This segment is related to IoT devices and systems, which are used in industries such as industrial automation, transportation industry, energy industry and healthcare. The primary focus of this segment of the Internet of Things is to gain more efficient use of resources, reduction of operating costs, productivity improvement and security improvement for workers, system downtime prevention by monitoring and well-timed preventive maintenance. All this is going to lead to the achievement of significant savings and hence the return of investments. This segment of the IoT will be dominant.

Consumer IoT:

A Segment of the Internet of things, which focuses on the consumer. In particular consumer devices, appliances, IT and telecommunications equipment and others that allow simplifying everyday life through home automation, smart devices (washing machine, TV, refrigerator, lighting, etc.) or by using a wearable electronics (wearables). The primary focus of this segment of the Internet of things is to increase the user experience.

The following illustration depicts the properties of the individual segments.

Figure 3: The properties of the IoT segments

IoT environment characteristics

The Foundation of the entire IoT is the DATA.

A little theory. The data represent the raw data (e.g. “1234”). By assigning meaning to the data (using the relations) information is created (e.g. “1234” is the password). Knowledge is created by putting the information into the context (e.g. password “1234” is my password). Then by applying the knowledge, wisdom comes up (e.g., using the password “1234” to log on to my phone, but it could be easily my laptop – who knows).

It is the assumption that IoT will generate up to 33 ZB (approx. 33 * 1000^7 bytes = 33 * 10^21 bytes) of data each month (source Cisco) in 2018. From this volume of data, only “small” portion (up to 8 ZB) will be forwarded to the cloud for storage and subsequent analysis. These large volumes of data can be “really” marked as BIG DATA.

The collection, storage, analysis and sharing of data/information/knowledge must ensure the architecture of an IoT system.

Each architecture of an IoT system consists of basic building blocks (components) that are:

  • Hardware,
  • Middleware,
  • Software.

As hardware, we can mark all the physical things that generate data, and then communication and computing infrastructure and data storages (private, public, hybrid, community).

Middleware is software, which overlaps the heterogeneity of applications, operating systems, communication systems and hardware in a distributed system by providing a unified interface to applications. Middleware enables the linking of the individual elements of the IoT system and enables collection, storage of data and also sharing of the results between the different systems (e.g., by cloud storage service).

Finally, software is used (over the obtained data) for analysis of acquired data, composing and combining large volumes of heterogeneous data and a creation of information and knowledge (data fusion). The results of the data processing (fusion) may lead to an automatic or semi-automatic influence over the situation or, at least, to support in decision-making and business processes. The software will also be used for presentation of the results. Cloud-based services for analysis and presentation will be essential for most IoT solution.

IoT topology

The link between the elements of the IoT system will always be dependent on the system purpose. There are several ways in which the elements can be linked together, and how communication takes place between them. Communication may, usually in combination, take place

  • Between devices to each other (Fog Computing)
  • From devices to the cloud
  • Between clouds

Communication between devices (things) will be used in systems where the use of Cloud services for storage, evaluation and sharing of data is not satisfactory for a given solution. This situation can occur, for example, in cases where there is not sufficient capacity of communication links for sending all the data to the cloud or the sending of large amounts of data is simply financially expensive. In some cases, it is important that the IoT system works as well in the case of limited, temporary, unstable or broker connection to the cloud. This topology is also used within a time critical systems (real time and near real time) where is unacceptable to send data to the cloud for analysis and then send the results back. For some other solutions, there is also not suitable to use centralized cloud-based solutions and such systems are using the decentralized Fog computing instead, where devices (things) communicate directly with each other (peer-to-peer). Fog computing, therefore, complement Cloud Computing mainly by adding the possibility to carry out the collection, storage, analysis, and sharing closer to devices and their data (local processing). Fog computing makes it possible to achieve better scalability, reliability, and faster system response and reduce costs. This approach is used within Industrial Internet of Things (IIoT) in particular, where an emphasis is on reliability and defined systems responses. The results of the data processing are then forwarded to the cloud.

Figure 4: Fog computing, cloud computing within the IoT.

Communication from the device to the cloud is often used in the context of the Consumer Internet of Things (CIoT), where there is not put such emphasis on speed of response and the possible failure of the connection does not have a severe impact. The cloud (cloud-based services and applications and cloud storage) in this case may be public, private, hybrid or community.

Communication between Clouds will be used in the case of need for sharing of data across different domains. Thus, for example, between private and public Cloud.

Figure 5: The difference between the Fog and the Cloud

IoT Applications

There are a lot of examples of IoT applications, and new solutions are emerging every day. Here are some examples from several categories (list of categories is not definitive and examples could be possibly added).

Industrial Internet of Things:

  • industrial automation
    • Automatic Diagnostics of devices and the monitoring of their state with the possibility of warning of any faults
    • Secure areas against unauthorized entry to ensure safety
    • Detection of explosive and hazardous substances
  • transport industry
    • Self-driving cars
    • Quality control of transport – vibrations monitoring, strokes detection or opening detection
    • Tracking and location of items, e.g. in large warehouses
  • energy industry
    • monitoring and control of energy consumption
  • health care
    • Monitoring the conditions of patients – health monitoring of patients in hospitals or elderly people living at home
    • Falls detection
  • Smart cities (e.g., Barcelona, Chicago, Hamburg, Nice, Písek…)

World urbanization (or the concentration of population in cities) is still rising and currently is about 54% with 2.05% grow every year (according to „The World Factbook“). That means that global urban population today (2015) exceeds the number of inhabitants of the villages. Urbanization of Czech Republic is around 75%, which means that only a quarter of the Czech population lives in villages.

  • Easier parking – monitoring of parking spaces for easy to find free parking space
  • Reduction of traffic congestion – traffic monitoring that allows suggesting an optimal route. This will also reduce the amount of emissions.
  • Intelligent Lighting – Lighting that responds to the presence of objects and climatic conditions will allow energy conservation.
  • A smart collection of municipal waste – detection of the full capacity of containers, will allow optimizing the collection of waste.
  • Smart roads – roads, providing information and warning messages informing about the climatic conditions and accidents on the road.
  • Increase the security of population and reduction of criminality.
  • Smart building – a building that allows conservation of energy by intelligent heating and lighting.

Consumer Internet of Things (CIoT):

  • Smart Home – the remote control of appliances for greater comfort or energy conservation. Furthermore, the detection of open doors and windows to prevent from thieves. Monitoring the consumption of electricity and water for the possibility to achieve savings.
  • Smart shopping –applications that will allow advising a buyer during shopping e.g. according to the customer’s habits, preferences, or a size, or by the presence of allergic substances, or the expiry time.
  • Payments for goods and services using NFC in mobile or wearable electronics.

IoT issues

The creation of IoT system brings along certain problems that need to be addressed. Among the most significant belong, in particular:

  • Interoperability – one of the most serious problems is interoperability, i.e. the ability of things (systems, applications, units or organizations) to provide data to other things and accept and use data from them for effective joint activity. Problems with interoperability within IoT are based on the fact that things are often created by different entities and, therefore, use different communication mechanisms and different data models. So interoperability is usually not achieved. To achieve interoperability, the usage of standards is necessary, and wherever it is possible, for communication as well for data models. Integration and interoperability issues are described in details in the article devoted to Integration.
  • Security – security in the IoT system cannot be omitted in any way. IOT system must support a security features for end nodes, as well for the transfer and sharing of data. Security issues can be authentication (verification of identity), authorization (permission to use a particular data source), communication encryption, the use of a digital signature for integrity and non-repudiation of data transfer and more.

Other factors that can hinder the development of IoT have been identified in the article Industrial Internet of Things: Unleashing the Potential of Connected Products and Services as follows (among others):

  • Uncertain return of investments
  • Necessity to invest the high price in upgrading an existing facilities
  • Ignorance of current technologies and trends in building distributed systems

The solution of these technological problems with the adoption of IIoT tries to address Industrial Internet Consortium (IIC). The consortium was founded in the year 2014 and today it consists of more than 170 companies (2015) and among the founding companies belong IBM, CISCO, GE, Intel, AT&T. The aim of this consortium is to create and validate the common architecture suitable for Industrial Internet of Things, which will allow communication between things (sensors, systems, and applications), but also the transfer of results to the cloud, shall ensure the interoperability between different manufacturers and will allow its deployment in the various sectors. This consortium has proposed a reference architecture for Industrial Internet of Things (Industrial Internet Reference Architecture – IIRA), that represents an open, standards-based architecture suitable for Industrial Internet of Things.

Conclusion:

This article was in “brief” devoted to the concept of the Internet of Things, whose goal is to link equipment, systems and services to provide more data that can be then converted into information and knowledge that can then be applied.

Connecting individual elements of the Internet of Things and the collection, storage and sharing of results between different systems, which is provided by middleware, is the necessary but not sufficient condition for an emergence of the Internet of Things. Other crucial aspects for the emergence of the Internet of Things is also a necessity to achieve interoperability between cooperating systems and safety. Then it will be possible to analyze the data, and use the results. Another prerequisite for the emergence of the IoT is a cooperation between the suppliers of the elements that are connected to the Internet of Things. Such collaboration will lead to an integration of various data and information to create new information, or achieve new goals.

The Internet of things is divided into two segments, namely on the Industrial Internet of Things (Industrial IoT, IIoT) and the Consumer Internet of Things (Consumer IoT, CIoT). It will be the IIoT that will quickly get ahead of the CIoT. It is for the reason that IIoT represents in many fields a critical infrastructure, and its introduction will bring greater efficiency, the newly-added value, or will produce significant savings. On the other hand, the CIoT will be perceived as the simplification of everyday life or improvement of a standard of living rather that would be vital.

The applications of IIoT it is possible to see for example in industrial automation, transportation industry, energy industry, health care, or in the context of smart cities. The applications of CIoT would be for example in smart homes, smart shopping or in using wearable electronics.

That is not true that it would not be possible to introduce the Internet of Things a few years ago, but now came the right time thanks to the quick and low-cost Internet and thanks to the cheap parts and devices that will allow the creation of things, and thus provide the data for the IoT.

IoT nowadays is not only a vision of the future or just an idea on paper. IoT is already being implemented, and this is the direction where the world of IT will go.[:]