UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Damjan Novarlić IZGRADNJA APLIKACIJ INTERNETA STVARI Z POMOČJO INFRASTRU

Transkripcija

1 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Damjan Novarlić IZGRADNJA APLIKACIJ INTERNETA STVARI Z POMOČJO INFRASTRUKTURE IBM BLUEMIX Diplomsko delo Maribor, september 2017

2 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Damjan Novarlić IZGRADNJA APLIKACIJ INTERNETA STVARI Z POMOČJO INFRASTRUKTURE IBM BLUEMIX Diplomsko delo Maribor, september 2017

3 IZGRADNJA APLIKACIJ INTERNETA STVARI S POMOČJO INFRASTRUKTURE IBM BLUEMIX Diplomsko delo Študent: Študijski program: Mentor: Damjan Novarlić Računalništvo in informacijske tehnologije UN doc. dr. Milan Ojsteršek i

4 ii

5 ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Milanu Ojsteršku, za strokovno pomoč in nasvete pri izdelavi te naloge. Iskreno se zahvaljujem tudi moji družini, ki mi je omogočila študij in me pri tem ves čas podpirala. iii

6 IZDELAVA APLIKACIJ INTERNETA STVARI S POMOČJO INFRASTRUKTURE IBM BLUEMIX Ključne besede: internet stvari, IBM, Bluemix, bluetooth, zigbee, wifi, varnost, IoT, senzorji, aktuatorji UDK: (043.2) Povzetek Internet stvari je eno od najhitreje razvijajočih se področij računalništva. V diplomskem delu smo najprej opisali komponente in komunikacijske protokole, ki omogočajo gradnjo sistemov, vključenih v Internet stvari. Zatem smo predstavili IBM-ovo oblačno storitev IBM Bluemix, ki smo jo uporabili pri izdelavi aplikacije, ki preko mobilnega telefona pošilja podatke o temperaturah okolja v oblak. iv

7 DEVELOPMENT OF APPLICATIONS OF IoT WITH INFRASTRUCTURE IBM BLUEMIX Key words: internet of things, IBM, Bluemix, bluetooth, zigbee, wifi, security, IoT, sensors, actuators UDK: (043.2) Abstract Internet of Things is one of the fastest developing areas in computer science. In this thesis we have described components and communication protocols, which enables building systems included in Internet of Things. Then we demonstrated IBM cloud service IBM Bluemix and used it to build an application, which sends temperature data to the cloud with help of mobile phone. v

8 KAZALO VSEBINE 1. UVOD INTERNET STVARI STROJNA OPREMA Senzorji Aktuator Mikrokrmilnik KOMUNIKACIJA Splošno Zigbee Bluetooth Wi-Fi Varnost IBM BLUEMIX IZDELAVA APLIKACIJE NODE-RED MQTT SKLEP VIRI vi

9 KAZALO SLIK SLIKA 2.1 UPORABA INTERNETA STVARI NA RAZLIČNIH PODROČJIH [15]... 3 SLIKA 2.2 VRSTE SENZORJEV [19]... 5 SLIKA 2.3 ELEKTRIČNI AKTUATOR [25]... 6 SLIKA 2.4 ARDUINO MIKROKRMILNIKI [13]... 7 SLIKA 2.5 ARDUINO MODUL XBEE [14]... 8 SLIKA 2.6 RASPBERRY PI [17]... 9 SLIKA 2.7 STRUKTURA APLIKACIJE S ARDUINO IN RASPBERRY PI [18]... 9 SLIKA 2.8 MOŽNE ZASNOVE ARHITEKTURE APLIKACIJ [16] SLIKA 2.9 ZIGBEE OMREŽJE [12] SLIKA 2.10 BLUETOOTH MODUL SLIKA 3.1 ARHITEKTURA CLOUD FOUNDRY [26] SLIKA 3.2 IBM BLUEMIX IOT DASHBOARD SLIKA 3.3 DNEVNIK POVEZAV SLIKA 3.4 DNEVNIK DOGODKOV SLIKA 4.1 ARHITEKTURA APLIKACIJE SLIKA 4.2 FUNDUINO [20] SLIKA 4.3 BLE UART MODUL [22] SLIKA 4.4 PREJEMANJE PODATKOV O TEMPERATURI SLIKA 4.5 UPRAVLJANJE S PODATKI V APLIKACIJI SLIKA 4.6 ARHITEKTURA PROTOKOLA MQTT [21] UPORABLJENE KRATICE IoT Internet of Things (internet stvari) vii

10 UVOD Internet stvari je hitro rastoče področje, čigar namen je zvišati kvaliteto življenja vsem na našem planetu. Najpreprostejša razlaga pojma»internet stvari«bi bila, da gre za avtomatizacijo vsega kar poznamo ali uporabljamo v vsakdanjem življenju (avto, ura, telefon, televizija, zobna ščetka, gospodinjski aparati, varnostne kamere, merilniki krvnega pritiska in pulza ). Človeško posredovanje pri teh napravah naj ne bi bilo potrebno. Ideja je, da bi naprave samodejno med seboj komunicirale in si izmenjevale podatke ter se na podlagi analize-obdelave podatkov same odločale kaj je potrebno narediti. Podatke iz zunanjega sveta pridobijo različni namenski senzorji, ki jih posredujejo v računalnik. Ta jih obdela in klasificira. Zbrane podatke pošlje preko internetne povezave v oblak, kjer jih sprejme aplikacija katere naloga je analiza prejetih podatkov in sprejemanje odločitev na podlagi prejšnjih uporab te aplikacije. Aplikacija pošlje svojo odločitev nazaj od koder so podatki prispeli hkrati pa lahko informacijo o odločitvi posreduje tudi drugam, odvisno od namena aplikacije in zbranih podatkov. Gre za izmenjavo, posredovanje, analiziranje podatkov ter sprejemanje odločitev in tudi realizacijo le te, brez potrebe po človeškem posredovanju. V diplomskem delu bomo podrobno spoznali Internet stvari, primere njegove uporabe, komunikacijske protokole in varnost le teh. S pridobljenim znanjem iz analize področja bomo izdelali preprosto aplikacijo ter prikazali izgradnjo le te s pomočjo platforme IBM BlueMix. Diplomska naloga je sestavljena iz petih poglavij. V drugem poglavju bomo predstavili področje Interneta stvari, njegovo arhitekturo, komunikacijske protokole in varnost. V tretjem poglavju opišemo platformo IBM BlueMix. V četrtem poglavju pa prikažemo izdelavo aplikacije, ki preko mobilnega telefona pošilja podatke o temperaturah okolja v oblak. V zadnjem poglavju bomo podali nekaj zaključnih misli in napotkov za nadaljnje delo. 1

11 1. INTERNET STVARI Ideja povezanih naprav, ki med seboj komunicirajo torej izmenjujejo podatke, se je pojavila že v 70ih letih prejšnjega stoletja. Izraz Internet stvari se je prvič pojavil leta 1999, uvedel ga je Kevin Ashton, ki je takrat delal za Procter&Gamble. Svojo predstavitev o tehnologiji RFID(tehnologija, ki avtomatsko identificira objekte na podlagi njihovih oznak) poimenoval Internet stvari [3]. Cisco Internet Business Solutions Group trdi, da se je Internet stvari rodil med letoma 2008 in 2009, natančneje v trenutku, ko je bilo na internet povezanih več naprav kot pa ljudi. [27] Od njegovega»rojstva«je IoT veljal za vzhajajoči trend, za katerega so številni napovedovali velik prodor v naša življenja. Začetna dilema je bila ali je dovolj prostora na internetu za število naprav, ki bi z razvojem IoT zelo hitro rastlo, namreč napovedi so da bo v letu 2020 na internet povezanih 50 milijard naprav. Rešitev za ta problem, smo dobili leta 2011 ko se je protokol IPv4 nadomestil s protokolom IPv6. Gre za internetni protokol namenjen naslavljanju naprav v omrežju, ki vsaki napravi ob povezavi na internet dodeli naslov. V primeru pomanjkanja naslovov se naprava ne more povezati na internet. Protokol IPv6 uporablja 128-bitne naslove in s tem zagotavlja več kot dovolj naslovov. Steve Leibson je poskusil število naslovov IPv6 predstaviti na sledeč način:»lahko bi dodelili naslove IPv6 vsakemu atomu na površju zemlje in še vedno bi nam jih ostalo za 100 ali več planetov Zemlja. Torej ima Internet stvari, glede na število naprav na internetu, prosto pot za hiter razvoj [3]. Namen samega interneta je povezovanje in izmenjava podatkov med napravami. Danes nam te naprave predvsem predstavljata računalnik in mobilni telefon. Obstaja pa še tudi množica naprav, ki so povezljive v internet in nam pomagajo v vsakdanjem življenju (avto, varnostne kamere, gospodinjski aparati ). Napravam na internetu dodajmo še razne senzorje, aktuatorje in mikrokrmilnike, ki tvorijo arhitekturo imenovano IoT. 2

12 Uporaba IoT v naših domovih, nam omogoča večje udobje, zmanjšanje stroškov, avtomatizacijo naših domov. V primeru uporabe aplikacij IoT v naših domovih, lahko povečamo udobje, zmanjšamo stroške ali pa celo pravočasno preprečimo morebitne nezgode. Stroške bivanja lahko zmanjšamo s pomočjo senzorjev za zaznavanje gibanja in senzorjev, ki bi zaznali odprt tok vode ali prižgane luči v našem domu in le te ugasnili v primeru naše odsotnosti od doma. Prav tako lahko mikrokrmilnik v komunikaciji s temperaturnimi senzorji in senzorji za zaznavanje dima, zazna dim in nenadno zvišanje temperature, kar bi pomenilo, da se je zanetil požar nakar bi aplikacija IoT nemudoma obvestila nujno pomoč in uporabnika/lastnika doma. Uporaba aplikacij IoT v naših domovih je začetek, saj je večina aplikacij preprostih in ne zahtevajo zahtevnejšega procesiranja izmerjenih podatkov. Večji izziv za delovanje aplikacij IoT predstavlja načrtovanje in vzpostavitev aplikacije IoT na večjih, kompleksnejših področjih kot so na primer medicina, pametna mesta in poraba energije. Z uporabo aplikacij IoT v mestih bi lahko občutno zmanjšali porabo energije in s tem zmanjšali stroške. Najpreprostejši primer uporabe aplikacij IoT v mestu je pametna osvetljava. Na posamezne luči so nameščeni senzorji za zaznavanje gibanja, ki bi se ob zaznanem gibanju prižgale, sam doseg senzorjev pa mora bit dovolj velik, da se luč prižge pravočasno, tako ima mimoidoči pešec osvetljeno pot naprej. Primere področij uporabe aplikacij IoT vidimo na sliki 2.1 Slika 1.1 Uporaba Interneta stvari na različnih področjih [15] 3

13 2.1. STROJNA OPREMA Veliki korak, ki je znatno pripomogel k samemu razvoju IoT je bila uvedba oziroma povečana uporaba sistema odprto kodne strojne opreme. Različica le tega za programsko opremo je že uveljavljena in v vsakdanji uporabi, kar pa ni bila pogosta praksa pri strojni opremi. Revolucionarni korak v tem je bila izdaja mikrokrmilnika Arduino, ki je bil prvi odprto kodni mikrokrmilnik. Odprto kodna strojna oprema dovoljuje spreminjanje in izboljšanje že obstoječe strojne opreme, kar je omogočilo lažji in hitrejši razvoj mikrokrmilnikov in raznolikost le teh Senzorji Senzorji so elektronske naprave, ki v strukturi aplikacije IoT predstavljajo začetno izhodišče. Senzorjev namen je zbiranje podatkov iz okolja in posredovanje teh podatkov v procesno enoto, ki prejete podatke obdela. Za čim natančnejše delovanje aplikacije IoT je pomembno, da so pridobljeni podatki čim natančnejši in ažurni, za kar morajo čim dlje neprekinjeno delovati. Zato senzorji porabijo malo energije in je s tem njihova življenjska doba daljša. Veliko število različnih vrst senzorjev nam omogoča raznovrstnost aplikacij IoT. Aplikacije uporabljajo večinoma sledeče vrste senzorjev: Temperaturni senzorji: merijo temperaturo iz okolice. Senzorji za zaznavanje gibanja. Senzorji za merjenje pritiska. Senzorji namenjeni za zaznavanje dima, kemikalij v zraku. Senzorji, ki zaznavajo nivo tekočin. IR senzorji: zaznavanje toplote, zaznavanje toka. 4

14 Z uporabo posameznih senzorjev ali pa s kombinacijo več vrst senzorjev, lahko pridobimo natančne podatke o okolici ali nas samih, zaradi katerih je zagotovljeno boljše delovanje aplikacije. Na sliki 2.2 vidimo katere vrste senzorjev poznamo oziroma katere vrste podatkov lahko pridobimo in jih nato uporabimo v aplikaciji IoT. Slika 1.2 Vrste senzorjev [19] Aktuator Aktuator je mehanska naprava, ki je pretvarja energijo v pogon, ki nato premakne ali nadzoruje mehanizem ali sistem v katerega je vgrajen. Aktuatorji v IoT se uporabljajo za fizično realizacijo odgovora aplikacije IoT glede na analizirane prejete podatke. V primeru pametnega domofona, ki zazna obraz osebe pred vrati, aplikacija IoT prepozna osebo, ter sporoči lastniku ali gre za poznano osebo. V primeru poznane osebe se lastnik ali pa aplikacija sama odloči, da se vrata odprejo, ta fizični premik izvede aktuator vgrajen na 5

15 vratih. Ker je več oblik energije, ki lahko dajo pogon aktuatorju, je zato tudi več vrst aktuatorjev: Pnevmatični aktuator: za pogon uporablja stisnjen zrak Električni aktuator: poganja ga elektrika Torej aktuatorji nam v nekaterih primerih uporabe aplikacij IoT služijo kot naprave, ki opravijo fizični premik oziroma sprožijo gibanje in na tak način pride do realizacije odgovora ali odločitve aplikacije, tako vidimo na sliki 2.3 električni aktuator, ki lahko zapira ali odpira vrata. Slika 1.3 Električni aktuator [25] 6

16 2.1.3 Mikrokrmilnik Mikrokrmilniki so majhne programabilne naprave, katere so povezljive s komponentami strojne opreme ter jih lahko upravljajo. Mikrokrmilniki so bili zaprto kodni, kar pomeni da ni bilo dostopa do njihovih shem in jih ni bilo dovoljeno spreminjati ali uporabljati brez licence, zato je bilo malo raznolikosti med njimi, saj ni bilo svobode oziroma odprto kodnih različic, ki bi dovoljevale modifikacijo programske kode. Kot revolucionarna novost na trgu se je predstavil mikrokrmilnik Arduino, katerega vidimo na sliki 2.4. Bil je prvi odprtokodni krmilnik in je omogočal programiranje v visoko nivojskem programskem jeziku kot je C++. Možnost razvoja raznolikih projektov z Arduinom, omogoča njegova lastnost, da mu lahko poljubno dodamo želene module. Po potrebi za brezžično komunikacijo, bi Arduinu dodali module, ki omogočajo katerega izmed brezžičnih komunikacijskih protokolov. Najbolj popularen med temi je modul Xbee, kateri omogoča brezžično komunikacijo z uporabo protokola Zigbe. Mikrokrmilnik z dodanim modulom Xbee vidimo na sliki 2.5. Dejstvo, da moramo dodajati module za brezžično komunikacijo nam pove, da Arduino nima dovolj procesne moči, zato je bolj primeren za programiranje naprav na nivoju strojne opreme. Slika 1.4 Arduino mikrokrmilniki [13] 7

17 Slika 1.5 Arduino modul Xbee [14] Mikrokrmilniki podobni Arduinu so imeli, zaradi novih možnosti, tudi temu primerno visoko ceno, kar je na nek način zaviralo hitrost razvoja in samo uporabo. Vsi proizvajalci Arduinu podobnih mikrokrmilnikov so morali ceno razpoloviti s prihodom majhnega računalnika Raspberry Pi, katerega vidimo na sliki 2.6 Bil je na voljo za ceno 35 ameriških dolarjev. Dejstvo, da ima operacijski sistem (Linux), WiFi modul, USB in Ethernet priključek, nam pove, da ima več procesne moči kot Arduino, ki je bil zaradi tega omejen pri povezavi z Internetom. Razvoj Arduina in Raspberry Pi je bil pomemben korak v razvoju IoT, Arduino omogoča enostavno komunikacijo s strojno opremo, medtem ko Raspberry Pi omogoča polno omrežno delovanje. Na podlagi teh dveh naprav ali njima podobnim, se zasnujejo aplikacije IoT. Vsak mikrokrmilnik ima svoje določene prednosti in slabosti, katere upoštevamo pri izbiri mikrokrmilnika ob zasnovi aplikacije. Za komuniciranje s senzorji in aktuatorji so najbolj primerni mikrokrmilniki podobni Arduinu, za procesiranje podatkov na lokalnem nivoju ter za povezavo z internetom pa je bolj primeren Raspberry Pi. Primer uporabe obeh komponent v strukturi aplikacij IoT, vidimo na sliki

18 Slika 1.6 Raspberry Pi [17] Slika 1.7 Struktura aplikacije s Arduino in Raspberry Pi [18] 9

19 2.2. KOMUNIKACIJA Splošno Pomembno za delovanje aplikacij IoT je samodejna komunikacija med napravami. Komunikacija med napravami poteka po določenem protokolu, ki ga podpirajo vse naprave, ki so vključene v komunikacijo. Naprave, ki sestavljajo naš pametni dom, si neprestano izmenjujejo podatke (enosmerna komunikacija) po določenem protokolu. Dandanes poznamo številne komunikacijske protokole, ki lahko potekajo po žični ali brezžični povezavi, vendar pa je brezžična povezava bolj zaželena, saj se izognemo višjim stroškom namestitve žične povezave in načrtovanju postavitve naprav. Pri brezžičnih protokolih najpogosteje dogaja prisluškovanje komunikacijskim linijam, preko katerih se pošiljajo ali sprejemajo podatki. Varnost komunikacijskih kanalov lahko zagotovimo s šifriranjem komunikacijskega kanala. Komunikacija poteka od naprav, ki zajemajo podatke, do naprav ki te podatke obdelajo na lokalnem nivoju oziroma na»robu oblaka«, do aplikacije v oblaku, ki te podatke analizira in primerja s prejšnjimi ugotovitvami ter poda odgovor. Zaenkrat pa komunikacija v večini današnjih aplikacijah IoT ne poteka na tak način, saj je večina aplikacij preprostih in ne zahtevajo zahtevnejše strukture. V večini takšnih primerov je struktura sestavljena iz naprave, ki zajema podatke in iz aplikacije v oblaku, katera te podatke obdela in vrne odgovor na podlagi analize, torej komunikacija poteka brez vmesnega procesiranja na robu oblaka. V manj kompleksnih, preprostih aplikacijah takšen protokol deluje, saj zbira podatke le iz ene naprave. V primeru, da aplikacija prejema podatke iz več naprav: gibalni senzor, termostat, pametni telefon, so ti podatki brez klasifikacije na lokalnem nivoju, ki jo na primer lahko opravi Raspberry Pi, za aplikacijo v oblaku skorajda nekoristni. Zato se podatki, ki se zbirajo iz več naprav, obdelajo in klasificirajo na robu oblaka, v aplikacijo, ki se izvaja v oblaku prispe informacija, da je gibanje zaznano ter kakšno gibanje je, kakšna je temperatura v določenem prostoru ter ali temperatura narašča ali pada in ali smo prisotni v našem domu ali ne. Primere različnih struktur komunikacije pri aplikacijah vidimo na sliki 2.8. Prav tako na sliki vidimo dve tujki, za kateri ni primernega slovenskega prevoda, IoT 10

20 Gateway je naprava ki deluje kot vmesnik z internetno povezavo med napravo IoT in aplikacijo v oblaku. IoT Backend predstavlja aplikacijo v oblaku, ki se izvaja v ozadju. Slika 1.8 Možne zasnove arhitekture aplikacij [16] Zigbee ZigBee je brezžični protokol, ki je bil razvit s strani ZigBee Aliance z namenom izmenjave podatkov med napravami. V svetu IoT, se podatki neprestano pošiljajo, zato želimo karseda biti varčni z energijo. Majhna poraba energije pa je odlika protokola Zigbee. Njegov doseg znaša od 10 do 100 metrov, torej ga lahko uporabimo v naših domovih ali manjši proizvodnji. V primerjavi z ostalimi protokoli, ki jih lahko uporabljamo v avtomatizaciji domov, ima najmanjšo pasovno širino, kar pomeni manj poslanih podatkov na časovno enoto. Ta pomanjkljivost pa je hkrati razlog za njegove ostale vrline kot so velikost omrežja, življenjska doba in doseg. 11

21 Vsak komunikacijski protokol si zaradi lažje razlage in razumevanja razdelimo na nivoje. Vsak komunikacijski nivo opravlja specifične naloge. ZigBee-jeva arhitektura je sestavljena iz sledečih nivojev: Fizični nivo: njegova naloga je sprejemanje in oddajanje signalov MAC nivo: skrbi za pravilno in zanesljivo oddajanje podatkov Omrežni nivo: namenjen je, da poskrbi za vsa omrežna opravila kot so, povezovanje in prekinitev povezave naprav in usmerjanje Podporno aplikacijski nivo: skrbi, da se naprave med seboj povežejo Aplikacijsko ogrodje: skrbi za zaznavanje in povezovanje ostalih naprav v omrežje Naloge teh nivojev opravljajo trije osnovni elementi ZigBee-jeve strukture, ki je prikazana na sliki 2.9. Koordinator, ki skrbi za shranjevanje informacij dokler izvaja operacije pošiljanja in sprejemanja podatkov. Usmerjevalnik, ki deluje kot vmesna naprava in dovoljuje pošiljanje in sprejemanje podatkov drugim napravam. Končna naprava, ki zgolj prejema podatke od njemu starševskega elementa. Slika 1.9 Zigbee omrežje [12] 12

22 Varnost protokola Zigbee je zasnovana na podlagi simetričnega šifriranja, pri katerem se uporablja enak ključ za postopek šifriranja in dešifriranja. ZigBee uporablja tri različne ključe: Omrežni ključ (angl. network key): ključ, ki je poznan vsem elementom v omrežju Povezovalni ključ (angl. link key): poznajo ga samo elementi, med katerimi poteka trenutna komunikacija Gospodarjev ključ (angl. master key): na podlagi tega ključa se ustvarjajo povezovalni ključi Slabost je v majhni procesni moči in majhni količini pomnilnika, zato je otežena, omejena programska implementacija varnostnih sistemov. Ključi so shranjeni v pomnilnikih naprav, kar pomeni da je potrebno omejiti dostop do pomnilnika, zato uvedemo ugotavljanje identitete na mikrokrmilniku in s tem minimaliziramo vdor v omrežje na fizičnem nivoju, vendar pa ga ne izničimo Bluetooth Protokol Bluetooth nam je najbolj poznan kot naslednik protokola IR v telefonih, ki smo ga uporabljali za izmenjavo datotek med telefoni. Povezava med dvema napravama poteka na eni izmed 79 možnih frekvenc, ki se delujejo okrog 2.4GHz. Hitro pomislimo v primeru pametnega doma, če več naprav komunicira preko Bluetooth povezave, da lahko pride do prekrivanja frekvenc in posledično do mešanja podatkov Odgovor je hitro menjavanje frekvenc. Vzpostavitev povezave v bistvu pomeni, da sta dve napravi na isti frekvenci, ko je povezava vzpostavljena povezani napravi nato zelo hitro in sinhrono menjujeta skupno frekvenco, da bi se izognili prekrivanju z ostalimi vzpostavljenimi povezavami, to storita 1600-krat na sekundo. S tem tudi dodatno otežimo delo napadalcem, ki želijo prisluškovati povezavi. Iz vidika IoT, sta slabosti doseg in poraba energije. Bluetooth je zasnovan za prenos večjih količin podatkov v manjšem dosegu. Ker prenaša večjo količino podatkov, zato tudi porabi več energije, zaradi česar je neprimeren za aplikacije, zato je izšla različica 13

23 protokola z manjšo porabo energije imenovana Bluetooth Low Energy, namenjena za uporabo predvsem v svetu IoT. Za uporabo protokola Bluetooth moramo mikrokrmilniku dodati modul, ki omogoča komunikacijo s senzorji ali napravo ki omogoča internetno povezavo, preko Bluetootha. Primer takšnega modula vidimo na sliki Slika 1.10 Bluetooth modul Wi-Fi Wi-Fi uporablja radijske frekvence za pošiljanje in sprejemanje signalov med napravami. Na kateri frekvenci bo potekala komunikacija je odvisno od standarda, katerega se uporablja a: deluje na frekvenci 5 GHz. Maksimalni prenos podatkov je 54 megabitov na sekundo b: prenaša podatke na frekvenci 2.4 GHz. Maks. prenos podatkov je 11 megabitov na sekundo g: uporablja frekvenco 2.4 GHz in lahko prenese največ 54 megabitov na sekundo n: njegova frekvenca je 5 GHz in lahko prenese 140 megabitov podatkov na sekundo. Komunikacija med dvema napravama preko Wi-Fi se začne pri povezavi obeh naprav v omrežje. Naprava, ki pošilja podatke jih spremeni v radijski signal in ga odda preko antene. Usmerjevalnik, ki deluje kot vmesnik med pošiljateljem in sprejemnikom v komunikaciji, ta 14

24 signal sprejme, dekodira in posreduje dekodirane podatke prejemniku. Najbližji primer takšne komunikacije je brezžično omrežje, ki ga uporabljamo doma, v službi itd. S pametnim telefonom ali pa prenosnim računalnikom se povežemo na izbrano brezžično omrežje, podatki iz našega telefona se pošljejo na določeni frekvenci v usmerjevalnik, slednji prejet signal dekodira ter ga posreduje v internet preko žične povezave. Upoštevajoč, da lahko Wi-Fi uporablja visoke frekvence kot je 5 GHz, ga lahko v svetu IoT uporabljamo za naprave, komunikacijske kanale ki pošiljajo veliko količino podatkov. Vendar pa pri tem moremo vzeti v obzir, da pošiljanje in sprejemanje velike količine podatkov zahteva večjo porabo energije, kar pa v nekaterih primerih uporabe aplikacij IoT ne želimo Varnost Ob vseh novih možnosti, ki nam ponuja svet IoT se porajajo vprašanja na področju, katero je ključno za delovanje aplikacij in za ohranjanje naše zasebnosti, področje varnosti. V primeru pametnega doma, uporaba aplikacij IoT katere sprejemajo odločitve, upravljajo z našim domom na podlagi naše prisotnosti v njem, ne želimo si da bi se nepridipravi dokopali do informacij o naši prisotnosti v hiši ali pa preprosto spreminjali podatke. Žična komunikacija bi bila v tem primeru varnejša, saj je prisluškovanje komunikacije v tem primeru možno le ob fizični namestitvi prisluškovalnih naprav na sam komunikacijski kabel, vendar pa ob misli na nadležno instalacijo in večjih stroškov vzpostavitve takšne komunikacije, se raje odločimo za brezžično povezavo. Varnost brezžične povezave znatno poveča šifriranje, brez katerega danes ne obstaja komunikacijski protokol. Vsak izmed možnih protokolov imajo svoje prednosti, na podlagi katerih se tudi odločimo za njihovo uporabo za delovanje aplikacije IoT. Kakor prednosti pa ima vsak protokol tudi svoje slabosti ali varnostne luknje, katere moramo vzeti v obzir pri izbiri in načrtovanju aplikacije IoT. Za protokol se odločimo na podlagi njegovih lastnosti in namena aplikacije Iot, v primeru uporabe aplikacij IoT za upravljanje našega doma, imamo večjo izbiro saj nam ni potrebno kaj preveč paziti na doseg posameznega protokola, naprave znotraj našega doma običajno niso preveč oddaljene med sabo zatorej skrb glede dosega je odveč, kar pa nebi bil primer v uporabi aplikacij IoT v mestnem prometu ali pa v reševalnem vozilu na urgentni poti v bolnišnico. 15

25 3. IBM BLUEMIX IBM je eno največjih računalniških podjetij na svetu, katero je bilo ustanovljeno že Že od same ustanovitve, podjetje velja za pionirja v računalništvu, kar potrjuje dejstvo da je podjetje IBM kot prvo na trg dalo osebni računalnik. Tako tudi danes sledi trendom v računalništvu, natančneje IoT. V namen razvoja IoT je IBM izdelal storitev, ki uporabniku omogoča izdelavo, objavljanje in upravljanje aplikacij v oblaku. Iz ponudbe in možnosti, ki nam ponuja IBM-ov Bluemix je jasno, da spada v kategorijo storitev PaaS (angl. Platform as a Service). Odprtokodna različica, na kateri temelji Bluemix je Cloud Foundry. Zaradi odprtokodnosti je uporabniku omogočena svoboda pri izbiri med več programskimi jeziki in razvijalskimi okolji. Arhitektura Cloud Foundry, ki je vidna na sliki 3.1, omogoča številne prednosti ki jih prinese uporaba Cloud Foundry: Prenosljivost aplikacije, zaradi katere se izognemo možnim nekompatibilnostim. Samodejno večanje aplikacije, v primeru povečane uporabe. Centralizirano upravljanje aplikacije, ena platforma za upravljanje katera je dostopna od koderkoli. Centralizirano prijavljanje v aplikacijo, avtentikacija se opravlja na enem mestu. Dinamično usmerjanje. Varnost infrastrukture. 16

26 Slika 3.1 Arhitektura Cloud Foundry [26] Za interakcijo s platformo Bluemix je možnih več načinov. Preko spleta dostopamo neposredno do portala, preko ukazne vrstice na našem operacijskem sistemu kjer uporabljamo ukaze ki so po standardu Cloud Foundry. Obstaja pa tudi možnost razvijanja aplikacije v okolju kot je Eclipse, od koder nato ustvarjen projekt pošljemo v platformo Bluemix. Platforma IBM Bluemix ponuja brezplačno registracijo in 30-dnevno uporabo, s katero smo omejeni na 2 GB prostora v oblaku in s številom storitev, ki jih lahko uporabimo. Ob prijavi 17

27 smo preusmerjeni na Dashboard, kjer najdemo že ustvarjene aplikacije in uporabljene storitve ter možnost ustvarjanja oziroma dodajanja le teh. Slika 3.2 IBM Bluemix IoT Dashboard Aplikacijo ustvarimo s pomočjo storitve Internet of Things, kjer je za ustvarjanje aplikacije edino potrebno podati le ime, za ostalo pa poskrbi platforma sama. S podatki, ki jih bo aplikacija prejemala upravljamo v okolju NODE-Red. Sami podatki in shematična postavitev toka podatkov so shranjeni v storitvi Cloudant NoSQL DB v formatu JSON. Za prejemanje podatkov iz naprave ali pošiljanje ukazov le tej, je potrebno napravo registrirati v platformi. To storimo s pomočjo storitve IoT, ki smo jo na začetku izbrali. Napravi moramo ob registraciji definirati tip (v našem primeru, Android) in unikatno ime znotraj organizacije v platformi (rezerviran prostor, ki pripada uporabniškemu računu). Stanje naprave lahko spremljamo v storitvi IoT pod zavihkom Devices. Primer dnevnika uspešnih prijav v platformo vidimo na sliki

28 Slika 3.3 Dnevnik povezav V dnevniku povezav so navedena sporočila o uspešnih prijavah in odjavah iz platforme. Ob uspešni prijavi se v dnevnik zapiše sporočilo, ki vsebuje ID povezane naprave kot je razvidno na sliki 3.3 kot ClientID. Na sliki 3.4 vidimo spremljanje aktivnost izbrane naprave. V tem primeru vidimo prejemanje podatkov v obliki JSON ter ob kliku na posamezen dogodek, njegovo vrednost. 19

29 Slika 3.4 Dnevnik dogodkov 20

30 4. IZDELAVA APLIKACIJE Slika 4.1 predstavlja arhitekturo izdelane aplikacije v okviru te diplomske naloge. Podatke iz okolja pridobiva temperaturni senzor, ki jih nato preko žične povezave posreduje mikrokrmilniku Funduino (klon mikrokrmilnika Arduino), ki ga vidimo na sliki 4.2. Slednjemu je preko žične povezave dodan modul iz slike 4.3, ki omogoča komunikacijo preko protokola Bluetooth. Android aplikacija preko Bluetooth povezave sprejme podatke o izmerjeni temperaturi in jo pošlje v aplikacijo v oblaku, ki v primeru nenadnega dviga temperature pošlje opozorilo uporabniku. Slika 4.1 Arhitektura aplikacije 21

31 Slika 4.2 Funduino [20] Slika 4.3 BLE UART modul [22] Mobilno aplikacijo smo izdelali na podlagi že obstoječih aplikacij, ki smo jih našli na sistemu GitHub. Del aplikacije, ki pridobiva podatke iz mikrokrmilnika smo povzeli po [24], prenos podatkov v aplikacijo v oblaku pa smo izvedli s pomočjo primera [23]. Izgled aplikacije je viden na sliki 4.4, kjer so prav tako vidni parametri potrebni za povezavo z našo aplikacijo v oblaku, kjer je potrebno predhodno registrirat napravo v storitvi IoT. 22

32 Slika 4.4 Prejemanje podatkov o temperaturi 4.1. NODE-RED Node-RED je programsko orodje za povezovanje strojne opreme v aplikacijah IoT. Omogoča razne API-je in spletne storitve. Programiranje je shematično, kar pomeni da željene funkcionalnosti dodajamo preko posameznih elementov, ki jim je potrebno nastaviti parametre. Shemo, ki smo jo uporabili v sklopu diplomske naloge lahko vidimo na sliki 4.5. Elementu vhod smo nastavili naš registrirani pametni telefon kot izvor podatkov. Element preveri_temp je namenjen preverjanju višine temperature, ter se bo v primeru previsoke temperature sprožil element pozarni_alarm, ki bo obvestil končno napravo(element izhod), da je zaradi nagle porasti temperature nevarnost požara. 23

33 Slika 4.5 Upravljanje s podatki v aplikaciji 4.2. MQTT Komunikacijski protokol MQTT je bil razvit leta 1999 s strani Andy Stanford-Clark in Arlen Nipper. Deluje po principu arhitekture objavi/naroči (publish/subscribe). Objave objavljajo naprave, ki pridobivajo podatke, v primeru našega diplomskega dela to predstavlja temperaturni senzor. Naročniki so končne naprave, ki sprejemajo ukaze iz aplikacije v oblaku. Za komunikacijo med naročniki in napravami, ki objavljajo in, skrbi posrednik, ki ga predstavlja aplikacija IoT v oblaku. Končna naprava se pri posredniku naroči na določeno temo z katero pove, katere podatke želi prejemati. Tema je predstavljena v tekstovnem nizu, ki ima lahko več kategorij. Primer pošiljanja podatkov o temperaturi dnevne sobe bi bil: stanovanje/dnevna-soba/temperatura. Posrednik bo končnim napravam poslal informacije le v primeru novih prejetih podatkov ob novi spremembi glede na prejšnjo stanje. Na sliki 4.6 vidimo arhitekturo protokola. Slika 4.6 Arhitektura protokola MQTT [21] 24

34 5. SKLEP Glavni cilj te diplomske naloge je predstavljala predstavitev področja IoT in izdelava aplikacije na oblačni platformi IBM Bluemix, ki se lahko uporabi za alarmiranje v primeru hitre rasti sobne temperature, kar bi pomenilo možnost požara. V praktičnem, delu smo zasnovali preprosto aplikacijo, ki prikazuje koncept samodejne komunikacije med napravami in aplikacijo v oblaku. Rešitev smo realizirali z mikrokrmilnikom Funduino, ki pridobiva podatke od temperaturnega senzorja. Podatke nato preko povezave Bluetooth LE posreduje v pametni telefon, ki v tem primeru služi kot prehod, saj izmerjene podatke posreduje aplikaciji v oblaku. Namen aplikacije je pravočasna obvestitev uporabnika ali pa nujne pomoči v primeru požara. V tem diplomskem delu je za takšno delovanje potreben pametni telefon v bližini senzorja, kar pa v praksi ni kaj koristno. Izboljšana bi vsebovala dodaten ethernet modul samemu mikrokrmilniku, s čemer bi se izognili uporabi pametnega telefona, ki je posrednik med senzorjem in aplikacijo v oblaku. 25

35 6. VIRI [1] Elahi A., Geschwender A., ZigBee Wireless Sensor and Control Network, Prentice Hall, 2010 [2] Hersent O., Boswarthick D., Elloumi Omar., The Internet of Things, John Wiley & Sons Ltd, 2012 [3] Margaret Rouse, Internet of Things (IoT), Dostopno na [ ] [4] Brucelin Kithion, Actuators in IOT, Dostopno na: [ ] [5] Brucelin Kithion, What they do in IOT?, Dostopno na: [ ] [6] Brucelin Kithion, How IOT works?, Dostopno na: [ ] [7] Brucelin Kithion, Sensors in IOT, Dostopno na: [ ] [8] Tutorials point, Internet of Things Hardware, Dostopno na: [ ] [9] Brian Ray, Bluetooth vs Bluetooth LE, Dostopno na: [ ] [10] Angel Tomala-Reyes, What is IBM Bluemix?, Dostopno na: [ ] [11] Hobbytronics, Arduino OneWire temperature sensor DS18B20, Dostopno na: [ ]. [12] EL-PRO-CUS,»ZigBee Wireless Technology Architecture and Applications«. Dostopno na: [ ]. [13] Wikipedia,»Arduino Uno«. Dostopno na: _R3.jpg. [ ]. [14] Arduino,»Arduino Wireless Shield with XBee Series 2 radios«. Dostopno na: [ ]. 26

36 [15] Inventrom,»The thing in Internet of Things«. Dostopno na: [ ]. [16] Linkedin,»Simple steps to learn IOT architecture«. Dostopno na: [ ]. [17] CDN,»Raspberry Pi«. Dostopno na: [ ]. [18] Sharetechnote,»IoT (Internet of things) Development Tools«. Dostopno na: [ ]. [19] Postscapes,»IoT Sensors and Actuators«. Dostopno na: [ ]. [20] Grobotronics,»Funduino Uno«. Dostopno na: [ ]. [21] JavaCodeGeeks,»MQTT Protocol Tutorial«. Dostopno na: [ ]. [22] Adafruit,»Adafruit Bluefruit LE UART Friend«. Dostopno na: [ ] [23] Github,»paho.mqtt.android«. Dostopno na: n/java/paho/mqtt/java/example/pahoexampleactivity.java. [ ]. [24] Github,»Bluefruit_LE_Connect_Android«. Dostopno na: /adafruit/bluefruit/le/connect/mqtt/mqttmanager.java. [ ]. [25] Instructables,»How do i wire a car power door lock actuator to a 12V power suply«. Dostopno na: /. [ ]. [26] Techtarget,»Cloud Foundry«. Dostopno na: [ ]. [27] Postscapes,»Internet of Things (IoT) History«, Dostopno na: [ ]. [28] HiveMQ,»MQTT 101 How to Get Started with the lightweight IoT Protocol«, Dostopno na: [ ]. 27