Aleksandar Maričić dipl.ecc.
Narodni muzej Kraljevo
aleksandar.maricic@nmkv.rs

Abstract:

The development of Internet of Things (IoT) systems and devices represents a key technology that is transforming the ways in which people, devices, and systems communicate with each other. IoT enables the exchange of data between physical devices over the internet using sensors, software, and other technologies. The complex architecture of IoT systems consists of four main layers: the sensor layer, the network layer, the data processing layer, and the application layer. Each of these layers has a specific role in data collection, transmission, analysis, and user interaction with the data. IoT technology finds wide application in industrial automation, smart cities, healthcare, agriculture, and smart homes, enabling efficiency, savings, and better system control. However, the development of IoT comes with challenges in the areas of security, privacy, energy efficiency, and system interoperability. The future of IoT technology depends on advancements in artificial intelligence, security, and standardization, which will allow for even broader adoption and innovation across various industries.

Apstrakt:

Razvoj tehnologije internetom povezanih sistema i uređaja (IoT – Internet of Things) predstavlja ključnu tehnologiju koja transformiše načine na koje ljudi, uređaji i sistemi međusobno komuniciraju. IoT omogućava razmenu podataka između fizičkih uređaja putem interneta koristeći senzore, softver i druge tehnologije. Složena arhitektura IoT sistema obuhvata četiri osnovna sloja: senzorski sloj, mrežni sloj, sloj obrade podataka i aplikativni sloj. Svaki od ovih slojeva ima specifičnu ulogu u prikupljanju, prenosu, analizi i interakciji sa podacima. IoT tehnologija nalazi široku primenu u industrijskoj automatizaciji, pametnim gradovima, zdravstvu, poljoprivredi i pametnim kućama, omogućavajući efikasnost, uštede i bolju kontrolu sistema. Međutim, razvoj IoT-a nosi izazove u oblasti sigurnosti, privatnosti, energetske efikasnosti i interoperabilnosti sistema. Budućnost IoT tehnologije zavisi od napretka u oblasti veštačke inteligencije, sigurnosti i standardizacije, čime će omogućiti još širu primenu i inovacije u različitim industrijama.

Uvod

IoT koncept podrazumeva mrežu fizičkih uređaja koji koriste senzore, softver i druge tehnologije za razmenu podataka preko interneta. Ova tehnologija ima široku primenu u oblastima kao što su pametne kuće, industrijska automatizacija, zdravstvo i transport. Njegov razvoj je podstaknut napretkom u oblasti bežičnih komunikacija, obrade podataka i veštačke inteligencije.

Arhitektura IoT sistema

IoT sistemi se obično sastoje od četiri osnovna sloja:

1. Senzorski sloj

Senzorski sloj – uključuje uređaje i senzore koji prikupljaju podatke iz okruženja. Senzorski sloj u IoT arhitekturi predstavlja osnovni nivo koji se sastoji od različitih senzora i uređaja namenjenih za prikupljanje podataka iz okruženja. Ovaj sloj omogućava IoT sistemima da „osete“ svet oko sebe i prikupe ključne informacije koje se kasnije prenose na više nivoe obrade i analize.

1. Glavne komponente senzorskog sloja
2. Senzori – uređaji koji detektuju fizičke ili hemijske promene u okruženju i konvertuju ih u električne signale. Primeri senzora uključuju:
   • Temperaturni senzori (npr. DHT11, DS18B20) – mere temperaturu okruženja.
   • Senzori vlažnosti – koriste se u meteorološkim i poljoprivrednim aplikacijama.
   • Senzori pritiska – koriste se u vremenskim stanicama, automobilskim sistemima i industrijskim aplikacijama.
   • Gasni senzori – detektuju prisustvo štetnih gasova (npr. CO2, metan).
   • Senzori pokreta – koriste se u sigurnosnim sistemima i pametnim kućama.
3. Aktuatori – uređaji koji pretvaraju električne signale u fizičke akcije, poput uključivanja svetla, pokretanja motora ili otvaranja ventila.
4. Identifikacioni moduli – uključuju RFID (Radio Frequency Identification) i NFC (Near Field Communication) koji omogućavaju bežičnu identifikaciju objekata.
5. Funkcionalnost senzorskog sloja
6. Neprekidno ili periodično prikupljanje podataka.
7. Pretvaranje analognih vrednosti u digitalne podatke za dalju obradu.
8. Komunikacija sa mrežnim slojem putem žičnih ili bežičnih tehnologija (Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, LPWAN, 5G).
9. Optimizacija potrošnje energije, naročito kod IoT uređaja koji rade na baterije.
10. Senzorski sloj je ključan deo IoT sistema jer obezbeđuje sirove podatke koji se kasnije analiziraju i koriste za donošenje odluka u realnom vremenu.

2. Mrežni sloj u IoT sistemima

Mrežni sloj predstavlja ključni deo IoT arhitekture, jer omogućava prenos podataka između senzorskog sloja i sloja obrade podataka. On obuhvata različite komunikacione tehnologije i protokole koji se koriste za slanje podataka sa senzora na centralne servere, oblak ili krajnje korisnike.

Funkcije mrežnog sloja:

1. Prenos podataka – omogućava komunikaciju između IoT uređaja i servera ili drugih povezanih uređaja.
2. Upravljanje mrežnim resursima – optimizuje korišćenje dostupnih mrežnih kapaciteta i energije.
3. Sigurnost prenosa – obezbeđuje enkripciju i zaštitu podataka u tranzitu.
4. Interoperabilnost – omogućava povezivanje uređaja različitih proizvođača kroz standardizovane protokole.

Vrste komunikacionih tehnologija u mrežnom sloju

IoT uređaji koriste različite tehnologije za bežični i žični prenos podataka, zavisno od potreba sistema (brzina, domet, potrošnja energije).

1. Bežične tehnologije:

• Wi-Fi (802.11) – koristi se za uređaje koji zahtevaju visoku brzinu prenosa podataka, kao što su pametni kućni uređaji i industrijski sistemi.
• Bluetooth i BLE (Bluetooth Low Energy) – pogodan za uređaje sa malom potrošnjom energije, kao što su nosivi uređaji (npr. pametni satovi).
• LPWAN (Low Power Wide Area Network) – uključuje protokole poput LoRaWAN i NB-IoT, pogodne za daljinski nadzor i senzorske mreže sa malom potrošnjom energije.
• 5G – omogućava ultra-brzi prenos podataka i podržava ogroman broj povezanih uređaja, što ga čini idealnim za industrijske IoT primene i pametne gradove.
• Zigbee i Z-Wave – koriste se u pametnim kućama i automatizaciji, gde je potrebna niska potrošnja energije i sigurna komunikacija na kratkim rastojanjima.

2. Žične tehnologije:

• Ethernet – koristi se u industrijskim IoT sistemima gde je potreban stabilan i brz prenos podataka.
• Modbus i CAN bus – industrijski standardi za komunikaciju između senzora i kontrolnih sistema.

Izazovi mrežnog sloja u IoT sistemima:

• Sigurnost i privatnost – bežične mreže su podložne napadima, pa je neophodna enkripcija podataka i sigurna autentifikacija.
• Energetska efikasnost – uređaji koji rade na baterije moraju koristiti energetski efikasne protokole poput LPWAN-a ili BLE-a.
• Interoperabilnost – različiti IoT uređaji koriste različite standarde komunikacije, što može otežati integraciju.

3. Sloj obrade podataka u IoT

Sloj obrade podataka u IoT (Internet of Things) sistemima igra ključnu ulogu u analizi podataka koji dolaze sa povezanih uređaja. U ovom sloju se podaci prikupljeni sa senzora i drugih IoT uređaja obrađuju pre nego što se pošalju dalje za skladištenje ili donošenje odluka. Ovaj sloj obuhvata nekoliko ključnih aktivnosti, i to:

1. Prikupljanje podataka: IoT uređaji, poput senzora, kamera, ili pametnih uređaja, prikupljaju podatke u stvarnom vremenu. To mogu biti temperature, vlažnost, brzina, geografske koordinate i mnoge druge metrike.
2. Predobrada podataka: Prikupljeni podaci često moraju biti očišćeni i transformisani kako bi bili korisni za analizu. To uključuje filtriranje šuma, ispravljanje grešaka, normalizaciju podataka i njihov format.
3. Analiza podataka: Nakon predobrade, podaci se analiziraju kako bi se izvukli korisni uvidi. Ovo može uključivati statističke analize, upotrebu algoritama mašinskog učenja ili čak primenu naprednih metoda poput dubokog učenja.
4. Upotreba računarskih resursa: Ovaj sloj koristi računske resurse, bilo da su to lokalni serveri ili oblačne usluge. Kada se koristi oblak, procesiranje se može obaviti na udaljenim serverima koji omogućavaju skalabilnost, fleksibilnost i dostupnost resursa. Lokalne servere je pak korisno koristiti za kritične ili vremenski osetljive aplikacije, gde je brzina obrade ključna.
5. Odlučivanje u realnom vremenu: U nekim slučajevima, IoT sistemi zahtevaju odluke u realnom vremenu, kao što je u automatizovanim industrijskim postrojenjima ili pametnim domovima. Obrada podataka na samim uređajima (edge computing) može biti ključna za minimiziranje kašnjenja.
6. Slanje podataka za dalje procesiranje ili skladištenje: Nakon obrade, podaci mogu biti poslati za dalju analizu ili skladištenje, kao što je na oblak ili u bazu podataka, gde se mogu koristiti za donošenje dugoročnih poslovnih odluka.
7. Ukratko, sloj obrade podataka u IoT sistemima koristi računske resurse da obradi velike količine podataka u realnom vremenu i omogući efikasnu analizu i donošenje odluka, bilo lokalno ili u oblaku.

4. Aplikativni sloj

Aplikativni sloj – Aplikativni sloj u IoT (Internet of Things) sistemima predstavlja vrhunski sloj koji omogućava interakciju korisnika sa samim sistemom. Ovaj sloj se fokusira na način na koji ljudi komuniciraju sa IoT uređajima i kako pristupaju podacima koji su prikupljeni i obrađeni u prethodnim slojevima.

Evo ključnih funkcionalnosti aplikativnog sloja u IoT sistemima:

1. Interfejs za korisnika: Aplikativni sloj omogućava korisnicima da pristupe podacima i funkcijama IoT sistema kroz različite vrste aplikacija, kao što su mobilne aplikacije, web interfejsi ili kontrolni paneli. Ove aplikacije pružaju vizualni prikaz podataka prikupljenih od IoT uređaja, kao i mogućnosti za interakciju sa sistemom (npr. podešavanje parametara, aktiviranje određenih funkcija, ili slanje komandi uređajima).
2. Kontrolni paneli: U mnogim IoT aplikacijama, korisnici koriste kontrolne panele za upravljanje uređajima. Na primer, u industrijskim sistemima korisnici mogu koristiti kontrolne panele za nadgledanje proizvodnih linija ili za podešavanje parametara rada mašina. U pametnim domovima, kontrolni panel može omogućiti korisnicima da upravljaju grejanjem, osvetljenjem ili sigurnosnim uređajima.
3. Prikaz podataka: Aplikativni sloj omogućava korisnicima da vide i analiziraju podatke koji dolaze sa IoT uređaja. To može biti u obliku grafika, tabela, upozorenja ili drugih vizualnih prikaza. Na primer, u sistemima za pametne zgrade, podaci o potrošnji energije mogu biti prikazani kroz grafikone, a korisnici mogu dobiti upozorenja ako potrošnja premaši određene pragove.
4. Donošenje odluka i automatizacija: Aplikativni sloj takođe omogućava korisnicima da postave određena pravila i automatizovane radnje koje će se izvršiti na osnovu podataka prikupljenih iz sistema. Na primer, u pametnom domu korisnik može postaviti pravilo da se svetla automatski gase kada svi napuste dom, ili da se grejanje poveća kada temperatura padne ispod određene vrednosti.
5. Komunikacija sa drugim sistemima: Aplikativni sloj takođe može omogućiti povezivanje sa drugim sistemima, kao što su ERP sistemi, cloud platforme ili analitički alati, čime se omogućava šira upotreba podataka u poslovne svrhe.
6. Personalizacija i prilagodba: Aplikacije u aplikativnom sloju često omogućavaju korisnicima da prilagode svoja iskustva. Na primer, korisnici mogu birati koje uređaje žele pratiti ili koje vrste obaveštenja žele da dobiju, čime se poboljšava korisničko iskustvo i efikasnost.

U suštini, aplikativni sloj u IoT sistemima omogućava krajnjim korisnicima da na intuitivan i efikasan način upravljaju IoT uređajima, analiziraju podatke i donose odluke na osnovu informacija dobijenih iz sistema. On pruža most između tehničke infrastrukture sistema i stvarnog korisničkog iskustva.

Primene IoT tehnologije

IoT tehnologija nalazi široku primenu u različitim sektorima:

• Industrijska automatizacija – poboljšava efikasnost i prediktivno održavanje mašina.
• Pametni gradovi – optimizacija saobraćaja, ušteda energije i nadzor kvaliteta vazduha.
• Zdravstvo – praćenje vitalnih parametara pacijenata i automatizacija medicinske opreme.
• Poljoprivreda – optimizacija irigacije i korišćenje senzora za monitoring useva.
• Pametne kuće – automatizacija osvetljenja, grejanja i sigurnosnih sistema.

Izazovi i sigurnosni rizici

Razvoj IoT sistema donosi niz izazova, posebno u pogledu sigurnosti i privatnosti. Ključni problemi uključuju:

• Zaštita podataka – prenos i skladištenje podataka moraju biti adekvatno šifrovani.
• Autentifikacija i kontrola pristupa – neophodna je implementacija sigurnih mehanizama autentifikacije.
• Standardizacija i interoperabilnost – različiti proizvođači koriste različite protokole, što otežava integraciju sistema.
• Potrošnja energije – IoT uređaji često rade na baterije, pa je optimizacija potrošnje ključna.

Zaključak

Internet stvari donosi značajne prednosti u mnogim industrijama, ali zahteva pažljivu implementaciju zbog sigurnosnih i tehničkih izazova. Dalji razvoj IoT tehnologije zavisiće od napretka u oblasti veštačke inteligencije, sigurnosti i standardizacije protokola.

Reference

1. Atzori, L., Iera, A., & Morabito, G. (2010). “The Internet of Things: A survey.” Computer Networks, 54(15), 2787-2805.
2. Gubbi, J., Buyya, R., Marusic, S., & Palaniswami, M. (2013). “Internet of Things (IoT): A vision, architectural elements, and future directions.” Future Generation Computer Systems, 29(7), 1645-1660.
3. Perera, C., Zaslavsky, A., Christen, P., & Georgakopoulos, D. (2014). “Context aware computing for the Internet of Things: A survey.” IEEE Communications Surveys & Tutorials, 16(1), 414-454.
4. Miorandi, D., Sicari, S., De Pellegrini, F., & Chlamtac, I. (2012). “Internet of things: Vision, applications and research challenges.” Ad Hoc Networks, 10(7), 1497-1516.
5. Yang, Y., Wu, L., Yin, G., Li, L., & Zhao, H. (2017). “A survey on security and privacy issues in Internet-of-Things.” IEEE Internet of Things Journal, 4(5), 1250-1268.