De complexe anatomie van Internet of Things

Op weg naar de bionische onderneming

Zoals ik in mijn eerdere blog ‘Hoe je winstgevend kunt zijn met Internet of Things‘ schreef, is IoT een systeem van onderling verbonden producten, diensten of levende wezens (computerapparatuur, machines, fysieke objecten, dieren of mensen) die zijn voorzien van functies voor waarneming, computing en connectiviteit. We noemen ze ‘slimme verbonden producten’, of ‘smart products’. Met andere woorden: een ding in de wereld van Internet der Dingen kan elk levend of niet levend ‘ding’ zijn dat een functie heeft in een transformationeel proces dat waarde toevoegt. Maar waaruit bestaat een intelligent ‘ding’?

Een intelligent ding is natuurlijk een antropomorfe definitie en eigenlijk zeggen we dat een intelligent ding, net als mensen, zou moeten bestaan uit:

• de zintuigen om zichzelf en de omgeving waar te kunnen nemen
• de extremiteiten om zichzelf en/of de omgeving te kunnen veranderen
• de hersenen om de impact te bereken van wat er waargenomen is, om de vervolgacties te sturen en om de resultaten van deze acties aan de buitenwereld te communiceren
• de communicatievaardigheden en de organen waarmee gecommuniceerd kan worden met de buitenwereld

Zintuigen

De zintuigen van een intelligent ding zijn de ‘sensoren’. Sensoren worden gebruikt voor het meten van fysieke parameters zoals licht, vocht, druk, nabijheid, snelheid, versnelling, temperatuur, beweging, rook, enzovoort. Sensoren worden steeds kleiner en goedkoper, en nieuwe technologieën stellen die in staat om meer dan één parameter in de gaten te houden, bijvoorbeeld luchtdruk, vochtigheid en omgevingsluchttemperatuur ineen. Bovendien kunnen draadloze sensoren worden gebruikt in moeilijke en gevaarlijke omgevingen.

Sensoren kunnen chips zijn die zijn ontworpen voor meer geavanceerde taken. Ze kunnen bijvoorbeeld functioneren als versnellingsmeter, thermometer, gyroscoop, magnetometer en hartslagmonitor. Versnellingsmeters en gyroscopen worden gebruikt in high-end smartphones. Versnellingsmeters worden ook gebruikt in telematica-systemen die ontworpen zijn om rijgedrag en andere gegevens gedetailleerd vast te leggen in verband met bijvoorbeeld verzekeringspolisvoorwaarden.

“Zintuigen van een intelligent ding zijn zelfvoorzienende sensoren”

Sensoren worden ook gebruikt om trillingen in machines te detecteren die optreden wanneer de lagers in motoren versleten raken. Dit maakt preventief onderhoud mogelijk. Magneetsensoren worden gebruikt in relatief eenvoudige apparaten die detecteren wanneer deuren en ramen worden geopend en gesloten, lichtsensoren worden gebruikt voor nabijheidsdetectie en om de verplaatsing van producten op productielijnen te volgen, en infraroodlichtsensoren worden gebruikt als bewegingsdetectoren in alarmsystemen. Et cetera.

Sensoren die hun eigen energie opwekken zijn een interessante ontwikkeling. Zij vangen kleine hoeveelheden groene energie op uit hun omgeving, bijvoorbeeld door temperatuur- of lichtveranderingen. De elektrische energie die op deze manier wordt verkregen, wordt opgeslagen in condensatoren. Deze sensoren zijn zelfvoorzienend: een batterij of elektriciteitsnet is niet nodig.

Extremiteiten

De extremiteiten van een ding noemen we ‘actuatoren’. Dit zijn geïntegreerde elektrische componenten met functies waar je daadwerkelijk iets in de echte wereld mee kunt veranderen. Actuatoren kunnen zijn:

• Tactiel: ze kunnen de elektrische energie omzetten in mechanische energie, ze kunnen dingen in beweging zetten (bijvoorbeeld de schakelaar in- en uitschakelen)
• Hoorbaar: ze waarschuwen wanneer er iets gebeurt door het gebruik van audiosignalen (zoemers, luidsprekers)
• Zichtbaar: ze waarschuwen wanneer er iets gebeurt door gebruik te maken van zichtbare signalen (bijvoorbeeld LED-lampen)

Hersenen

De IoT-hersenen zijn de computing onderdelen van een intelligent ding, inclusief de slimme gateways en de externe cloud-software. Dit onderdeel kan de sensorgegevens ontvangen, opslaan, van betekenis voorzien en delen met de buitenwereld. De rekenkracht van de hersenen wordt ook gebruikt om te bepalen of en hoe één of meer van de actuators moeten worden geactiveerd. Een slimme gateway kan de sensorgegevens interpreteren en bepalen welke gegevens moeten worden doorgestuurd en welke gegevens moeten worden genegeerd. De cloud is de server software die meestal draait in datacenters, die privé of openbaar kunnen zijn, bijvoorbeeld AWS Cloud Services (Amazon) of Azure Cloud Services (Microsoft). In beide gevallen worden deze faciliteiten gebruikt voor het opslaan en verwerken van gegevens afkomstig uit het veld, dat wil zeggen, van de intelligente dingen of de smart gateways.

Lokale versus centrale intelligentie

Intelligentie die wordt gebruikt voor gegevensanalyse kan van lokale aard zijn (intelligente dingen en gateways) of gecentraliseerd (de cloud). De cloud wordt onder andere gebruikt voor het verwerken van gegevens die afkomstig zijn uit het veld. Lokaal sensorgegevens verwerken – dat wil zeggen zo dicht mogelijk bij het intelligente ding – bespaart bandbreedte en dus kosten. Het verhoogt echter de kosten van het intelligente ding zelf. Daarom wordt lokale gegevensverwerking toegepast wanneer beschikbaarheid en latentie (vertraging) van een netwerk de optimale werking van een intelligent ding beïnvloeden, een industrieel procesbesturingssysteem bijvoorbeeld. De cloud kan bijvoorbeeld niet worden gebruikt voor applicaties waar reactietijden in milliseconden voor nodig zijn.

Gecentraliseerde intelligentie (cloud) staat het schalen van services toe. Dit is een gedeelde bron, dus de kosten per klant zijn lager dan die van een gedistribueerde hardware-oplossing die gebruikmaakt van smart gateways. Bovendien is de cloud dé plek waar de dingen samenkomen. Het maakt bijvoorbeeld de integratie van meerdere verticale oplossingen mogelijk.

Gegevensanalyse

We kunnen gegevensanalyses verdelen in langetermijnanalyses die worden gebruikt in een centrale faciliteit, meestal de cloud, waar deze wordt gebruikt om verborgen patronen, onbekende correlaties, markttrends, klantvoorkeuren en andere nuttige bedrijfsinformatie in kaart te brengen. Gegevensanalyse uitgevoerd op lokale faciliteiten, slimme apparaten of intelligente gateways wordt gebruikt om realtime informatie te genereren voor bedrijfsprocessen in de lokale omgeving.

Daarnaast worden combinaties van gegevensanalyses op de lange termijn en realtime gebruikt voor voorspellende analyses die worden gebruikt om patronen te bepalen en toekomstige uitkomsten en trends te voorspellen. Voorspellende analyses vertellen niet wat er in de toekomst zal gebeuren, maar maken gebruik van statistische modellen en voorspellende technieken om de toekomst te begrijpen en aan te geven wat er zou kunnen gaan gebeuren.

“Het basisidee is dat ook het intelligente ding moet kunnen communiceren”

Gegevensanalyse zorgt voor inzichtelijke informatie die kan worden weergegeven op desktop-computers, notebooks, tablets en smartphones. De gegevens worden georganiseerd en visueel gepresenteerd om vervolgens naar verschillende gebruikersgroepen te worden herleid, ongeacht waar die zich bevinden, en in het formaat dat zij verkiezen.

Communicatie

Mensen communiceren mondeling, schriftelijk, maar ook non-verbaal door hun handen, ogen of zelfs door vrijwillige of onwillekeurige gezichtsuitdrukkingen. Het basisidee is dat ook het intelligente ding moet kunnen communiceren. Elk vast of draadloos netwerk met een mogelijkheid tot datacommunicatie kan worden gebruikt en verschillende typen netwerken kunnen worden gecombineerd. Er kan bijvoorbeeld satellietcommunicatie worden toegevoegd voor gebieden waar geen mobiele dekking is. Een ‘ding’ kan rechtstreeks met de cloud worden verbonden, of via een slimme gateway. Dat is een soort modem of router dat het communicatieprotocol van een omgeving vertaalt naar de internettaal.

De slimme gateway is programmeerbaar, heeft geheugen en kan de verzamelde sensorgegevens opslaan en vertalen naar het protocol en het gegevensformaat dat vereist is. We kunnen ook slimme gateways gebruiken om de gegevens te selecteren die naar de cloud worden verzonden en de triggers definiëren die het verzenden van de gegevens naar de cloud activeren. Het intelligente ding communiceert met een gateway via korte afstand draadloze communicatieprotocollen (bijvoorbeeld Z-wave, Ziggbee, Low Power Blue Tooth, Wifi) maar ook gewoon bedraad. Toegevoegde waarde van de korte afstand connectiviteitsprotocollen zijn de kosten en vooral het laag energieverbruik van de connectiviteitsmodules. Dat geeft een intelligent ding autonomie voor een langere periode (soms wel tot tien jaar).

Als men de gedistribueerde omgeving in ogenschouw neemt, moet soms de lange afstand draadloze communicatiemodule aan het ontwerp van het intelligente ding worden toegevoegd. In dit geval maakt men normaal gesproken lange afstand connectiviteitsprotocol-oplossingen zoals LoRa, Sigfox, Narrowband IoT, LTE-M en 3G / 4G. Alle protocollen hebben hun eigen kenmerken wat betreft energieverbruik, communicatieafstand, frequentie en het bijbehorende vermogen tot materiaalpenetratie. De keuze voor het datacommunicatienetwerk hangt af van de toepassing van het IoT-apparaat, de technologiekeuze en natuurlijk de kosten. Smart gateways verzamelen en beheren gegevens afkomstig uit meerdere bronnen, en verzenden deze gegevens naar de cloud of andere datamanagement-systemen. Multi-service gateways kunnen gebruikmaken van meerdere draadloze en bedrade verbindingen voor de korte afstand met lokale sensoren, en een draadloze of bedrade verbinding voor de lange afstand met externe servers.

“We moeten ons afvragen wat voor impact deze nieuwe omgeving heeft op hoe een organisatie functioneert”

Gateways die worden gebruikt in toepassingen voor domotica communiceren bijvoorbeeld met sensoren via Bluetooth, ZigBee en Wifi, en met servers op afstand via mobiele (3G/4G) of bedrade ethernet-verbindingen. Doordat de slimme gateways beschikken over belangrijke computing-mogelijkheden en opslagbronnen, kunnen ze functioneren als lokale clouds. Op die manier kunnen intelligente gateways veldgegevens analyseren en realtime informatie verkrijgen, die gebruikt kan worden voor het nemen van beslissingen op lokaal niveau.

Bionische onderneming

Tot zover de organen van een intelligent ding. Een intelligent ding wordt gemaakt, verkocht en onderhouden door een onderneming. Deze IoT-onderneming is bionisch. De zintuigen van de bionische onderneming zijn diens intelligente producten. Zij communiceren de waarneming over het eigen gebruik en de omgeving waarin het gebruikt wordt terug naar de onderneming. De onderneming neemt op basis hiervan de noodzakelijke besluiten omtrent de activiteiten en past zichzelf of de producten hier op aan. De bionische onderneming is 24 uur per dag, realtime verbonden met de omgeving waarin het opereert. Dat is nog nooit in geschiedenis vertoont, de SCADA-systemen in de industriële omgevingen daargelaten.

We moeten ons afvragen wat voor impact deze nieuwe omgeving heeft op de manier waarop een organisatie functioneert. In een realtime omgeving is er weinig tijd voor eindeloze vergaderingen en top-down besluitvorming. Een gedistribueerde omgeving vraagt om een gedecentraliseerde onderneming en beslissings-empowerment in diverse lagen van de organisatie. Zoals een mens voor een groot deel handelt via het autonome zenuwstelsel, moet een bionische onderneming dat ook kunnen.