Esineiden internet

Pienoismalli älykaupungista.

Johdanto

Esineiden internetillä (engl. Internet of Things, lyhyemmin IoT) tarkoitetaan laitteita, jotka keräävät tietoa sensoreidensa avulla ja käsittelevät sekä siirtävät sitä automaattisesti eteenpäin toisiin laitteisiin internet-verkon välityksellä. Se on valtava toisiinsa yhdistettyjen laitteiden verkosto, joka kerää ja jakaa tietoa laitteiden käytöstä ja niiden käyttöympäristöstä. Tavoitteena on ympäristö, jossa laitteet toimivat keskenään saumattomasti ja älykkäästi. Esineiden internetillä viitataan älykkäiden laitteiden lisäksi käsitteisiin, kuten älykkäisiin koteihin ja kaupunkeihin sekä infrastruktuuriin. Käsite esineiden internet on ollut käytössä ensimmäisen kerran jo 1990-luvulla; englanninkielistä termiä ehdotti Kevin Ashton vuonna 1999.

Esineiden internet on mahdollistanut monia parannuksia ja innovaatioita niin kuluttajien elämään, liiketoimintaan, terveydenhuoltoon, liikkuvuuteen kuin kaupunkien ja yhteiskunnan toimintaan. Yhä useammalla toimialalla esineiden internet on auttanut organisaatioita tehostamaan palveluja ja parantamaan asiakaspalvelua, päätöksentekoa sekä liiketoimintaa. Se tarjoaa organisaatioille mahdollisuuksia luoda innovatiivisia tuotteita, vähentää kustannuksia ja parantaa työntekijöiden tuottavuutta. Yksilöille esineiden internet näyttäytyy monessa eri muodossa liittyen esimerkiksi terveyteen, turvallisuuteen, taloudellisuuteen ja elämän päivittäiseen suunnitteluun.

LG julkisti internettiin liitetyn jääkaapin jo vuonna 2000, mutta se ei ideana ottanut vielä silloin tuulta alleen.

Historia

Esineiden internetin kehittymisen voidaan katsoa alkaneen vuonna 1982, kun Carnegie Mellon -yliopiston tietojenkäsittelytieteen laitoksella sijainnut juoma-automaatti yhdistettiin silloiseen Internetin edeltäjään eli ARPANET-verkkoon opiskelijoiden toimesta. Verkkoon yhdistetyltä automaatilta voitiin verkon välityksellä kysyä sen sisällöstä ja juomien lämpötilasta. Vuonna 1989 englantilainen fyysikko ja tietojenkäsittelytieteilijä Tim Berners-Lee ehdotti nykyisen muotoista internettiä ja vuosi tämän jälkeen World Wide Web sai alkunsa. Samoihin aikoihin ensimmäiset nykyaikaiset visiot esineiden internetistä alkoivat syntyä ja ensimmäinen varsinainen ”älylaite”, joka oli John Romkeyn ja hänen ystäviensä rakentama leivänpaahdin, liitettiin TCP/IP-protokollalla Internettiin.

Termi ”esineiden internet” sai alkunsa kuitenkin vasta kymmenen vuotta myöhemmin, kun Massachusettsin teknillisen korkeakoulun (eng. Massachusetts Institute of Technology) Auto-ID keskuksen perustaja ja toiminnanjohtaja Kevin Ashton, keksi sen visioidessaan RFID-tunnisteilla varustettujen esineiden ja Internetin yhdistämisestä. 2000-luvun ensimmäisen vuosikymmenen aikana käsite alkoi saavuttaa suosiota tukevien teknologioiden, kuten RFID-ratkaisujen ja pilvipalvelujen, kehityksen siivellä. Myös siirtyminen IPv6-protokollaan mahdollisti uusien IP-osoitteiden riittävyyden kaikille laitteille. Samoihin aikoihin vuonna 2007 Applen ensimmäinen iPhone, nykyisien älypuhelimien edelläkävijä, ilmestyi markkinoille ja toi kädessä kulkevat älylaitteet tavallisten kuluttajien saataville.

Hiljalleen myös valtiot ja isot yritykset alkoivat kiinnostua esineiden internetistä. Teknologian kehityksen myötä vuonna 2009 Google aloitti itseohjautuvien autojen testaamisen ja vuosi myöhemmin Kiinan valtio nosti silloisen pääministeri Wen Jiabaon johdolla esineiden internetin tärkeäksi osaksi kansallisen IT-sektorin kehityssuunnitelmia. ICT-alan tutkimus- ja konsultointiyritys Gartner lisäsi vuonna 2011 esineiden internetin ylläpitämäänsä teknologioiden elinkaarta kartoittavaan Hype Cycleen. Vuoteen 2018 tullessa esineiden internet on tullut osaksi ihmisten jokapäiväistä elämää muun muassa kotiautomaation ja puettavien älylaitteiden myötä.

Tekniikat

Tietokoneiden kehitys toisen maailmansodan jälkeen on ollut hurjaa, ja sen mukana tulleet keksinnöt ovat olleet tärkeitä myös esineiden internetin kehittymisen kannalta. Tietokoneiden laskenta teho on noussut jopa triljoonakertaiseksi vuoteen 2015 tullessa siitä mitä se oli vuonna 1956. Tämä on seurausta niin kutsutusta Mooren laista eli transistorien lukumäärän kaksinkertaistumisesta mikropiirissä noin kahden vuoden välein yhdessä muiden tekniikoiden kehityksen kanssa. Samaan aikaan tallennustekniikoiden kehittyessä tallennustilan hinta gigatavua kohden on pudonnut sadoista tuhansista dollareista vuonna 1980 noin 7 senttiin vuonna 2009. Esineiden internetin kannalta kriittisin kehitys on tapahtunut sensoreiden keskimääräisen hinnan laskussa tällä vuosituhannella. Niiden hinnan odotetaan laskevan 1,30 dollarista vuonna 2004 38 senttiin vuoteen 2020 mennessä. Tällä hetkellä hinta on noin 45 sentin tienoilla. Nykypäiväiset sensorit eivät ole vain halvempia, mutta myös pienempiä ja tehokkaampia. Näiden lisäksi kehitys on tuonut mukanaan aivan uudenlaisia teknologioita, kuten esimerkiksi pilvilaskenta ja koneoppiminen, jotka ovat osaltaan tukeneet esineiden internetin muodostumista. Omat haasteensa vielä toistaiseksi tuo yhtenäisten protokollien puute, josta seuraa ongelmia yhteensopivuudessa eri valmistajien laitteiden välillä. Tässä kappaleessa jaamme älylaitteiden koostumuksen laitteisto- ja ohjelmistopuoleen. Tarkastellaan tarkemmin, minkälaisista osista esineiden internet pohjimmiltaan koostuu:

Monissa älylaitteissa käytetään Arduinon kaltaisia mikrokontrollereita.

Laitteistot

Fundamentaalinen osa esineiden internettiä ovat erilaiset sensorit. Niiden avulla laite havannoi ympäristöään ja välittää tätä informaatiota sähköisessä muodossa eteenpäin. Sensorit ovat liitetty osaksi sulautettua järjestelmää, joka koostuu niiden lisäksi mikrokontrollerista, virtalähteestä, verkkoliitännöistä ja muista osista, eli kyseessä on käytännössä tietokone pienoiskoossa. Sensoreita täydentää aktuaattorit, joiden tehtävänä on muuntaa sähköistä informaatiota liikkeeksi tai muuhun ei-sähköiseen muotoon. Näin laite kykenee ympäristönsä aistimisen lisäksi vaikuttamaan siihen esimerkiksi liikkumalla mekaanisesti. Keskeisen osansa takia sopivien sensoreiden valinta on ensisijaisen tärkeää laitteen oikeaoppiselle toiminnalle. Tämän seurauksena niiden valitsemisessa tulee ottaa huomioon monia asioita, kuten esimerkiksi tarkkuus ja toiminta eri olosuhteissa.

Tässä muutamia erilaisia älylaitteissa käytettyjä sensoreita:

Liikesensorit(Gyroskooppi/Kiihtyvyysanturi (eng. Accelerometer))

Havainnoi laitteen asentoa ja kiihtymistä/liikettä

Magnetometri

Havainnoi laitteen ympäristön magneettikentän voimakkuutta.

Akustiset sensorit

Havainnoivat laitteen ympäristön ääniä kuten esimerkiksi puhetta.

Painesensorit

Havainnoi laitteeseen kohdistuvaa painetta.

Kaikille esineiden internettiin kuuluville laitteille on yhteistä kuvan kaltainen toimintamalli.

Kosteussensorit

Havainnoivat laitteen ympäristön ilman kosteutta.

Lämpötilasensorit

Havainnoi ympäristönsä lämpötilaa ja sen muutoksia.

Biosensorit

Käytetään biologisten tapahtumien havainnointiin. Esimerkiksi verensokerin seuraaminen.

Sensoreiden lisäksi toimivat verkkoyhteydet ovat yksi esineiden internettiin liitettyjen älylaitteiden kulmakivistä, sillä monesti sensoreista saatavan informaation analyysi tapahtuu laitteen ulkopuolella. Laitteet ovat yhteydessä verkkoon erilaisten verkkolaitteiden, kuten esimerkiksi reitittimen, välityksellä. Yhdistymäisessä voidaan käyttää monenlaisia ratkaisuja. Suosittuja ovat langallisista USB ja Ethernet sekä langattomista Bluetooth, RFID ja Wi-Fi . Myös matkapuhelinteknologioita kuten 2G-, 3G- tai 4G-verkkoja voidaan käyttää. Verkkojen avulla laitteet voidaan liitetään toisiinsa ja pilvipalvelimeen. Verkon välityksellä voidaan myös ihmisen toimesta hallinnoida laitteita etänä muun muassa älypuhelimen avulla. Nykyisiä älypuhelimia voisikin pitää yhtenä esineiden internetin tärkeimmistä mahdollistajista.

Ohjelmistot

Laitteista data kulkee verkkoja pitkin johonkin keskitettyyn kohteeseen, kuten esimerkiksi keskusserverille tai pilveen. Siellä saatu data kerätään yhteen ja sitä analysoidaan niin, että laitteen on sen perusteelle mahdollista toimia joko ihmisen päätöksestä tai itsenäisesti. Esineiden internettiin kytketyt laitteet tuottavat jatkuvalla syötöllä uutta dataa joten sen onnistunut käsittely ja tulkinta ovat avainasemassa toimivissa ratkaisuissa. Tämä datan käsittely ja riittävien tallennusinfrastruktuurien pystyttäminen on usein työlästä, joten monet yritykset hyödyntävät niissä pilvessä olevia ratkaisuja omien datakeskuksien sijasta. Tallennusratkaisuissa tulee kuitenkin ottaa huomioon kerätyn datan luonne, sillä sen joutuminen vääriin käsiin on yksi esineiden internetin esineiden internetin suurimmista vaaroista.

Tallennuksen lisäksi pilvessä tapahtuu datan analyysi. Tämä analysointiprosessi ja sen perusteella toimiminen antaa laitteille niiden "älykkyyden". Data-analytiikka onkin yksi tärkeä tekijä esineiden internetin suosion kasvussa. Erilaisia analyyttisia malleja on useita ja alla on esitelty muutamia niistä:

Kuvaileva analytiikka

Käytetään tiedonlouhintaan ja sen esittämiseen ihmisille helposti ymmärrettävällä tavalla.

Datan tallennus ja käsittely tapahtuu datakeskuksissa.

Virtaava analytiikka

Käytetään koko ajan muutoksessa olevien datajoukkojen, kuten esimerkiksi finanssimarkkinoiden, analysointiin.

Spatiaalinen analytiikka

Käytetään tulkitsemaan dataa, kuten esimerkiksi paikkatietoja, esineiden maantieteellisten suhteiden selvittämiseksi.

Aikasarja analytiikka

Käytetään selvittämään ja mallintamaan ajan mittaan kehittyviä trendejä.

Ohjaileva analytiikka

Käytetään tilanteeseen nähden parhaiden toimintamallien löytämiseksi.

Monimutkaisen analytiikan mahdollistajana toimii nykypäivän laitteissa tekoäly ja se myös mahdollistaa esineiden internetin toimintasyklin viimeisen kohdan eli toiminnan. Tekoäly kykenee monissa laitteissa analyysin tekemisen lisäksi itsenäisesti vaikuttamaan laitteiden toimintaan optimaalisten tulosten saavuttamiseksi.

Haasteet

Alustan jakaminen Ohjelmistot voivat jakautua monille eri alustoille joka saattaa aiheuttaa yhteensopivuusongelmia laitteiden välillä

Yksityisyys Yksityisten käyttäjien toimintaa voidaan tarkkailla ja seurata liikkuvaa dataa analysoimalla ilman salatun sisällön hajottamista, mutta synteettistä paketininjektio-ohjelmaa voidaan käyttää turvallisesti välttääkseen yksityisyyden loukkaamisen

Turvallisuus Suojaamattomat laitteet voidaan valjastaa esimerkiksi tekemään palvelunestohyökkäyksissä. Esineiden internet voi auttaa parantamaan elämän laatua, mutta laitteissa piilee kyberturvallisuusriski. Suurin ongelma on, kuinka arkipäiväisissä laitteissa olevia tietokoneita voidaan suojella. Monissa laitteissa ei ole otettu huomioon tietoturvariskejä laitteen valmistusvaiheessa. Tietoturva tulisi ottaa huomioon jo laitteen suunnittelun alkuvaiheessa, ennen tuotteiden markkinoille pääsyä. Sisään rakennettua tietoturvaa tulisi testata, jotta sen heikkoudet voidaan mahdollisesti huomata ja korjata. Esineiden internetin tietoturvariskit ovat erilaisia kuin tietokoneiden, esimerkiksi huono käyttöliittymä voi saada kuluttajan tekemään huonoja turvallisuuspäätöksiä laitteellaan. Turvallisuuden tulisi olla ratkaisu, ei niinkään ongelma.

Käyttökohteet

Älykellot ja muut puettavat älylaitteet ovat yleistyneet viime vuosina.

Kuluttajatuotteet

Älypuhelinten yleistyminen ja sensorien hintojen halpeneminen on mahdollistanut esineiden internetin laajentumisen suoraan kuluttajille suunnattuihin tuotteisiin. Kuluttajatuotteet sisältävät erityyppisiä sensoreita ja analyysi tapahtuu yleensä laitteen ulkopuolella. Yhdistämisessä käytetään monia langallisia ja langattomia teknologioita (Bluetooth, Wifi, RFID).

Kuluttajatuotteet joita on laajemmin tuotettu, voidaan jakaa karkeasti viiteen alakategoriaan:

1. Vanhustenhoito: Yksinasuvien vanhusten voinnin monitorointiin voidaan käyttää huoneistossa olevia sensoreita, mikrofoneja, liikesensoreita, kutsunappeja ja videostreamia, jolloin apua on saatavilla nopeasti ongelmien, kuten kaatumisten tai sairaskohtausten varalta.

2. Turvallisuus/hälytysjärjestelmät: Kotien turvajärjestelmät murtojen varalta tekevät hälytyksen suoraan valittuihin kohteisiin (omistaja, vartiointiyritys, poliisi) kun sensorit sen havaitsevat. Myös lukitusjärjestelmät voivat olla verkossa ja toimivat esimerkiksi Bluetoothilla tai biometrisillä tunnisteilla.

3. Älykodit: Kotien lämmitys, tuuletus, valaistus ja energiankäyttö voidaan rakentaa verkkopohjaiseksi, älykkääksi ja hallinnoida esimerkiksi älypuhelimen aplikaatiolla. Myös puheella aktivoitavat toiminnot (valaistus, muu elektroniikka) on jo saatavilla.

4. Puettava teknologia: Sensoreita ja toiminallisuutta on lisätty monenlaisiin puettaviin tuotteisiin. Näistä älykellot ja älylasit ovat varmasti tunnetuimpia, mutta alan tuotevalikoima on jatkuvasti kasvava pitäen sisällään tuotteita myös liikuntaan, terveyteen, vaatteisiin ja virtuaalisen todellisuuden sovellutuksiin saakka

5. Henkilökohtaiset avustajat: Puheella ohjattavat avustajat, kuten Applen Siri, Google avustaja ja Amazon Alexa ovat olleet markkinoilla jo jonkin aikaa, kehittyen koko ajan. Sensorien kehittyessä erilaisilla paikkasensoreilla, bluetoothilla, paikkatietosovelluksilla ja RFID teknologialla voidaan erilaisten esineiden paikantamiseksi tehdä sovelluksia myös kuluttajakäyttöön.

Teollisia robotteja autovalmistaja Teslan tehtaalla.

Kaupalliset käyttökohteet

Kaupallisella alalla esineiden internet kehittyy nopeasti kattaen kaikkia yrityksen toimialoja. Yrityksen toiminnan tarkoitus perustuu tuottavuuteen. Valjastamalla yrityksen käytössä olevat resurssit elektronisten toimintamahdollisuuksien keinoin tuotantokustannuksia voidaan laskea. Uusien toimintamallien käyttöönotto vaatii usein suuria investointeja, mutta kaupallisten tuotteiden kehitykseen sijoituksia tehdään nopeasti.

Yritykset voivat muodostaa yhtenäisen esineiden internetin esimerkiksi lisäämällä, tai teknologisoimalla täysin tuotannon, hallinnon ja myynnin prosesseja. Kun toiminnot on liitetty samaan verkkoon, ne voivat analysoida toisiaan ja optimoida esimerkiksi tuotannon toiminnan halutulle tasolle.

Teolliset käyttökohteet

Teollisuudessa Esineiden internet (englanniksi: Industrial Internet of Things tai lyhennettynä, IIoT) on levinnyt laajalti eri teollisuuden alojen käyttöön. Internetin yhdistäminen tuotantolaitteisiin on mahdollistanut sen, että ihmistyövoimaa saadaan karsittua ja kustannuksia pienennettyä. Verkkoon integroidut koneet pystyvät havaitsemaan virhetilanteet ja ilmoittamaan niistä reaaliajassa käyttäjälle. Näin koneiden virheisiin päästään puuttumaan viipymättä, ja tämä lisää koneiden tehokkuutta. Kalliiden laitteiden paikantaminen auttaa kokonaisuuden hahmottamisessa. Koneiden toimintaa ja käyttöastetta pystytään seuraamaan reaaliajassa. Koneet pystyvät myös useiden sensoreiden avulla mittaamaan omaa kulutustaan ja päästöjä, näin saadaan ajantasaista tietoa koneiden kannattavuudesta ja ekologisuudesta.

Infrastruktuuri

Myös julkishallinnon puolella on alettu viime vuosina kiinnittää huomiota esineiden internettiin. Ympäri maailmaa on melkein kahdessa sadassa kaupungissa laitettu vireille erilaisia smart city-projekteja esineiden internetin tuomiseksi osaksi kaupunkien toimintaa. Liikenne kaupungeissa on ollut yksi osa-alue johon on kiinnitetty paljon huomiota. Älykkäät liikenteenohjausjärjestelmät ovat auttaneet ruuhkien ja onnettomuuksien minimoimisessa. Myös julkista liikennettä on parannettu muun muassa optimoimalla julkisten kulkuvälineiden reittejä ja tuomalla käyttäjille älypuhelinsovelluksia lippujen ostoon. Muita tärkeitä infrastruktuureja kuten sähkön jakelua ja jätehuoltoa on paranneltu uusilla ratkaisuilla. Sähkön kulutusta on vähennetty tehostamalla sen jakelua älykkäiden sähköverkkojen avulla. Katukuvaan on myös ilmestynyt älykkäitä lyhtypylväitä jotka voivat säädellä valotehon määrää liikenteen mukaan tai jopa osoittaa tyhjiä parkkiruutuja. Jäteastioihin on asennettu sensoreita, jotka ilmoittavat tyhjennyksen tarpeesta eteenpäin. Kaupunkien turvallisuuteen on myös panostettu uusilla kamerajärjestelmillä, jotka kykenevät tekoälyn avulla tunnistamaan henkilöitä ja näin ollen etsimään etsintäkuulutettuja rikollisia tai kadonneeksi ilmoitettuja henkilöitä.