Priložnosti in izzivi Interneta
stvari
Luka Mali, dr. Urban Sedlar
ICT Academy
Laboratorij za telekomunikacije
Fakulteta za elektrotehniko
Univerza v Ljubljani
13. 6. 2013
www.ltfe.org
Internet včeraj
Leonard Kleinrock, Father of PS
www.ltfe.org
Internet danes
www.ltfe.org
Internet jutri
www.ltfe.org
Naprave včeraj: Internet v vašem žepu
www.ltfe.org
Naprave danes: Internet na vašem nosu
www.ltfe.org
Naprave jutri: Internet stvari
www.ltfe.org
Kaj je “Internet stvari”?
• Odvisno koga vprašamo
• Senzorska omrežja
– Pametne senzorske naprave
• Machine-to-machine communication (M2M)
– Gromozanske količine podatkov v omrežjih
• Future Internet (FI)
– Nove aplikacije
– Data mining  context awareness
• Tretja revolucija interneta
– WWW  Mobile Web  IoT
• Vse od naštetega
www.ltfe.org
INTERNET OF THINGS
Trenutek, ko v internet povezan računalnik
postane del vsake stvari – in tako običajen,
da ga sploh ne opazimo več.
~ Mark Weiser,
Father of Ubiquitous
Computing, 1991
www.ltfe.org
Tehnološki vidiki
Od senzorjev do informacij
www.ltfe.org
Senzorji
• Senzor je naprava, ki pretvarja določeno fizikalno količino v
električen signal
• Tehnološki napredek
– Potrebna tehnologija je vedno cenejša in vedno manjša
– Ter omogoča vedno bolj natančne senzorje
• Danes lahko na trgu dobimo senzorje za praktično karkoli:
–
–
–
–
–
–
Osvetljenost, temperatura zraka, vlažnost, zračni tlak
Hitrost in smer vetra, količin padavin, sončno in UV sevanje
Koncentracija plinov (ogljikov monoksid, metan, butan, CO2, NO)
Radiaktivno sevanje, vibracije, IR senzor gibanja
GPS, magnetometer, kamera, mikrofon, senzor bližine
Srčni utrip, krvni sladkor, pH, akcelerometer
www.ltfe.org
Sam senzor pa ni dovolj
Senzor CO2
www.ltfe.org
Senzorske platforme
• Več kot le senzor
– Lepilo, ki senzor poveže v večji sistem
• Razmah vgrajenih (embedded) platform
– CPU, RAM in komunikacijski vmesniki
– RaspberryPi (računalnik za 30 EUR)
– Popularna platforma Arduino (poceni + enostavno programabilna)
+
Arduino
=
Ethernet
shield
Senzorska/IoT
platforma
www.ltfe.org
Povezljivost
• Nujna za avtomatsko zbiranje podatkov
• Lokalne brezžične tehnologije
– Povezljivost senzorskih vozlišč do prehoda
– Kratka razdalja
– ZigBee, Bluetooth Low Energy (BLE), Wi-Fi
• Mobilne in žične tehnologije
– Najpogosteje za povezljivost prehoda do strežnika
– 2G/3G/4G, Ethernet, Optika
Lokalne tehnologije
www.ltfe.org
Wi-Fi: de facto home-area network
• Že danes: povsod
• Vedno več varnostno
kritičnih aplikacij
• Best effort
(ISM pas)
– motnje
www.ltfe.org
Dostopnost naprav in IPv6
• Globalna naslovljivost
– Pogosto je zaželeno, da je vsako vozlišče globalno naslovljivo
– IPv6: med drugim močno povečuje naslovni prostor
• Število IPv4 naslovov: 4.2 milijarde
• Število IPv6 naslovov: 340282366920938463463374607431 milijard
– 6LoWPAN Workgroup (IETF)
• IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks
• Prilagoditev IPv6 za nezmogljive naprave
www.ltfe.org
Količina podatkov
• Z vidika omrežja je podatkov malo
– Primer: 14 kbps
– prenosna hitrost modemov iz pribl. leta 1990 (>23 let nazaj)
– Danes večina brezžičnih tehnologij brez težav močno presega to
pasovno širino
• Z vidika hrambe in obdelave je podatkov veliko
– 14 kbps x 1000 senzorjev x 365 dni na leto
-----------------------------------------------------------= 57 TB podatkov
– Največji disk, ki ga danes lahko kupimo: 4 TB
www.ltfe.org
Hramba podatkov
• Relacijske baze
– Tradicionalen in preizkušen pristop
– Bogat nabor funkcionalnosti (poizvedbeni jezik SQL)
– Skalabilnost je tipično močno omejena
• So predvsem “vertikalno skalabilne”
• Ko presežemo kapacitete, potrebujemo večji strežnik
• NoSQL (“Not only SQL”)
– Skromen nabor funkcionalnosti
• Optimizirane za branje in dodajanje zapisov
– Visoko skalabilne
• “Horizontalna skalabilnost”
• Ko presežemo kapacitete, potrebujemo več strežnikov
www.ltfe.org
Obdelava podatkov
• Tipični pristopi
– Podatke pripeljemo "do algoritma"
• Strežnik za obdelavo in disk I/O postaneta ozko grlo
• Map-reduce
– Algoritem pripeljemo do podatkov
– Pri obdelavi sodeluje poljubno
mnogo strežnikov
– Pionir tega pristopa je bil Google
• Hadoop
– Odprtokodno ogrodje za izvajanje
map-reduce obdelave podatkov
www.ltfe.org
Obdelava podatkov v realnem času
• Naknadna obdelava
– Poženemo poizvedbo nad podatki
– Zamudno (terabajti podatkov)
• Obdelava v realnem času
– Spustimo podatke skozi poizvedbo (“filter”)
– Hramba podatkov ni več ozko grlo
– CPU in RAM imata višjo pasovno širino
kot trdi diski in SSD
• Velika učinkovitost
– Pomanjkljivost:
• Filter moramo poznati vnaprej; ko iskani podatek zamudimo,
ga filter ne more več ujeti
www.ltfe.org
Primeri aplikacij
www.ltfe.org
Pametni promet
• Na nivoju infrastrukture
– Cestni odseki in semaforji
s števci vozil za ugotavljanje
gostote prometa
– E-cestninjenje na osnovi GPS
ali video kamer
– Prometni radarji
• Na nivoju uporabniških aplikacij (“over-the-top”)
– Anonimizirano poročanje lokacije s pametnega telefona
• Ugotavljanje gostote prometa
– Komunikacija med avtomobili (peer-to-peer)
• Opozarjanje na bližajoče se reševalno vozilo (blue wave)
• Opozarjanje in reagiranje v primeru naleta
– “Robotski taksi”
www.ltfe.org
Avtonomna vozila
• Google self-driving car
– Samostojno prevoženih >300.000 km
(brez nesreč)
– Napredna senzorika
www.ltfe.org
Avtonomna vozila
• Množica senzorjev:
– GPS
– Kamere (snemanje ceste, zajem prometnih znakov, pešcev in vozil)
– Laserski merilniki razdalje ("laserski radar")
• Podatki in algoritmi
– Kartografija, poznavanje prometnih predpisov
– Statistični modeli (particle filters) za določitev položaja
• Zakonodaja
– Kalifornija in Nevada sta prvi ameriški zvezni državi, ki že dovolita
avtonomna vozila
– Preostanek sveta najbrž ne zaostaja za več kot 5 let
www.ltfe.org
Pametni zabojniki
• Odvoz odpadkov predstavlja visoke stroške
• Primer Nizozemske rešitve
– Odpiranje zabojnika z RFID kartico
– Recikliranje brezplačno
– Preostanek odpadkov se zaračunava po teži
Vir: Gizmodo.com
www.ltfe.org
Spremljanje onesnaženosti
• V preteklosti majhno število profesionalnih merilnih postaj
– ARSO: 20 lokacij s prosto dostopnimi podatki
– Celo mesto je samo “ena številka”
• Danes: cenovno ugodne komercialne in DIY rešitve
– Manj natančne
– Vendar z visoko geografsko ločljivostjo
– Primer: Air Quality Egg
• Spremlja CO2, NO, vlažnost in
temperaturo
• Približno $70
www.ltfe.org
Hrup
• Onesnaženost s hrupom
– Velik vpliv na počutje prebivalcev mesta
– Potrjeni učinki hrupa na povečanje stresa in krvnega pritiska
– Vpliv na živali, ki zvok uporabljajo za navigacijo
• Spremljanje ravni hrupa
– Uporaba distribuiranih mikrofonov
– Mobilne aplikacije (NoiseTube)
– Vidiki zasebnosti!
www.ltfe.org
Vodovod
• Definicija skritih vodnih izgub
– Izgube, ki ostanejo nesporočene ali neodkrite
• Visoke številke so “standard”
– Industrijsko povprečje je 25%
– (Primer: Maribor: 25%; Koper: 29% oz. 2.4 MIO m3/leto)
• Ekonomski problem
• Sanitarni problem
– Onesnaženje na mestu okvare cevovoda
• Velik potencial za telemetrijo
– Zgodnje odkrivanje izgub
– Lokalizacija mesta napake in ukrepanje
www.ltfe.org
Pametna energetika
• Smart metering
– Povezani električni števci
– Ažurno spremljanje porabe
– Predikcija potreb
• Omogoča
– Boljše načrtovanje omrežja v skladu s potrebami
– Cenejši nakup energije (ni nepredvidenih konic)
– Boljšo prilagojenost na nove,
razpršene vire energije
• Sončne in vetrne elektrarne,
elektrarne na biomaso
– Povratna informacija osvešča uporabnika
• In ga motivira uporabnika
k gospodarnejši rabi el. energije
www.ltfe.org
Pametno bivalno okolje
• Avtomatizacija procesov v (poslovni ali rezidenčni) zgradbi
– Povečanje varnosti in udobja
– Povečanje energijske učinkovitosti stavbe
– Kar posledično vodi k zmanjšanju porabe energentov na nivoju celega
mesta
• Možnosti uporabe
– Sistemi za ogrevanje in hlajenje
• Na osnovi notranje in zunanje temperature
• Detekcija odprtih oken
• Detekcija prisotnosti
uporabnika
– Razsvetljava in senčila
• IR senzorji prisotnosti,
• senzorji svetlosti
www.ltfe.org
Osebne aplikacije
www.ltfe.org
Medicina
• Najbolj podhranjeno področje z vidika informatizacije
– Doctors prescribe medicine of which they know little, to cure diseases
of which they know less, in human beings of which they know nothing.
—François-Marie Arouet Voltaire, about 250 years ago
– Tradicionalno nepersonalizirana
• Prenosni senzorji prinašajo neverjetne količine podatkov
– Prej: 1 vzorec na n let
– Sedaj: 10 vzorcev na dan
• Pokrita vsa področja medicine
– Spremljanje teže, aktivnosti, spanja, pritiska, temperature, pulza,
sladkorja v krvi
– Sekvencioniranje genoma za personalizacijo zdravil
www.ltfe.org
Medicina: senzorji na dosegu roke
www.ltfe.org
Nujen prispevek uporabnikov
• Uporabniki lahko prispevajo podatke
– Vedno dostopnejši senzorji
– Primer: Quake Catcher (http://qcn.stanford.edu)
www.ltfe.org
Nujen prispevek uporabnikov
• Uporabniki lahko prispevajo pamet
– Predpogoj: javno dostopni podatki!
– Primer: NYC open data (wifi hotspots, grafiti, javni prevoz,…)
• https://nycopendata.socrata.com/
• Machine readable format
www.ltfe.org
www.ltfe.org
Ekspertni uporabniki
• Crowdsourcing znanstvenih problemov
• Kaggle
– Spletni portal za tekmovanja analitikov
– Primer iz 2011: doktorski študent glaciologije, ki je razvijal algoritme
za analizo podatkov o ledenikih
• Podatke je uporabil v Nasinem tekmovanju za napoved temne snovi v
vesolju
• Rezultat je daleč prekašal state-of-the-art fizikov.
– Ljudje na drugih področjih lahko veliko težkih problemov rešijo hitreje
in bolje
www.ltfe.org
www.ltfe.org
Nekaj primerov rešitev LTFE
www.ltfe.org
GEN6 – 6INACTION
www.ltfe.org
www.ltfe.org
DESA APLIKACIJA
• Dobro počutje in nadzor stresa za diabetike
– Namenjeno ljudem, ki se zavedajo pomena
zdravega načina življenja
– Specializirano za diabetike tipa 1
• Aplikacija "DeStress Assistant" (DeSA)
– Povratna informacija o diabetesu in nivoju stresa
•Merjenje krvnega sladkorja
•Spremljanje dejavnikov stresa
– Preventiva in promocija zdravega načina življenja
•Spremljanje fizične aktivnosti
•Zbiranje podatkov o kontekstu uporabnika
– Integracija z uporabniško skupnostjo
– Prijazna opozorila in vizualizacije
– Uporaba klasičnih potrošniških senzorjev in
naprav
– Integracija v medicinsko okolje
www.ltfe.org
WELLY
• Pomočnik za boljše počutje (http://wellyapp.com)
www.ltfe.org
PLATFORMA OCCAPI
• Namenjena event-driven obdelavi podatkov
– podpora realnočasovnemu odločanju
– in obdelavi velike količine zgodovinskih podatkov (big data)
• Enotna platforma za podporo raznovrstnih scenarijev uporabe in tipov
podatkov
www.ltfe.org
45
www.ltfe.org
Kako začeti?
www.ltfe.org
Množica novih odprtokodnih platform
TinyDuino, 20 USD
PanStamps, 19 USD
RFduino, 21 USD
BeagleBone, 45 USD
Pinoccio, 49 USD
XinoRF, 40 USD
mbed, 50 USD
pcDuino, 50 USD
Wasmote, 150 USD
www.ltfe.org
Arduino in Pachube/Cosm/Xively
•
Arduino
– Mikrokrmilniška platforma za enostaven razvoj in učenje
• Enostaven razvoj aplikacij v prirejenem okolju
• Ogromno primerov in velik community
• Množica nadgradenj HW in primeri lastnega razvoja HW
– Poudarek na elektroniki
•
Pachube oz. Cosm oz. Xively
– Platforma za vizualizacijo senzorskih podatkov
– Uvoz podatkov preko Cosm API
– Množica dodatnih aplikacij za vizualizacijo
•
Prednosti
–
–
–
–
–
Enostaven razvoj, mnogo primerov
Dober način za učenje
Možnosti neomejene
Širok nabor znanja
Cenovno dostopen HW
www.ltfe.org
Za konec
• Živimo na pragu velikega potenciala
– Napredna senzorika v vsakem žepu
– Novi pristopi k hrambi in obdelavi podatkov
– Novi algoritmi, ki iz podatkov iztisnejo še več informacij
• Vse to bo povzročilo revolucijo na mnogih področjih
– Pametna mesta, pametni promet
– Pametno bivalno okolje
– Personalizirana medicina
• Od nas pa je odvisno, kdaj in kako
– Večina sveta se ukvarja z naslednjo Photo sharing storitvijo
– (Ali s sistemom za streženje oglasov)
– Rešujmo probleme s katerimi bomo povečali kvaliteto življenja!
www.ltfe.org
Modrost => Internet prihodnosti
Internet + Internet of Things = Wisdom of the Earth
- Wen Jiabao, Prime Minister of China
www.ltfe.org
Hvala za pozornost!
[email protected]
@lukamali
www.ltfe.org
ZA USPEŠNO SOOČANJE Z IZZIVI
www.ict-academy.eu
www.ltfe.org
ICT Academy
53
www.ltfe.org
Odprti termini
Vsebina
Trajanje
(dni)
Termin
Napredne tehnike v Javi (Java II)
3
6. - 8.5.
Java za strežniške sisteme (Java III)
3
13. - 15.5.
Razvoj mobilnih aplikacij na platformi Android (Java IV)
3
29. - 31.5.
Razvoj iPhone in iPad aplikacij
3
2. - 4.9.
Osnove tehnologije IPv6
1
5.9.
Osnove TCP/IP in Ethernet
2
23. - 24.9.
Metro Ethernet
2
25. - 26.9.
Uporabniško osredotočeno načrtovanje
za učinkovito uporabniško izkušnjo
3
27.9.
Spletni uporabniški vmesniki
1
11.10.
MPLS - Tehnologija MPLS
2
16. - 17.10.
Asterisk
2
22. - 23.10
IP/MPLS - Zaščitni mehanizmi
1
14.11.
Napredne tehnike v Androidu (Java V)
2
28. - 29.11.
54
www.ltfe.org
EKIPA
Interdisciplinarne raziskave in razvoj na področjih IKT
•odličnost v raziskavah in sodelovanju s podjetji
•vrhunsko znanje in storitve za poslovne partnerje in študente
Partnerjem nudimo
•zasnovo, načrtovanje in izvedbo IKT rešitev
•razvojno-tehnično svetovanje
•izvajanje raziskovalno-razvojnih projektov
•mednarodno projektno sodelovanje
•prototipi, pilotni projekti, živi laboratorij
•usposabljanja in prenos znanja
www.ltfe.org