ฉันต้องสร้างคลาวด์ส่วนตัวสำหรับอุปกรณ์ IoT อย่างไร

นี่เป็นเรื่องที่ฉันคิดถึงมาระยะหนึ่งโดยเฉพาะอย่างยิ่งเพราะแนวคิด "IoT" ลอยไปรอบ ๆ เมื่อไม่นานมานี้

ฉันจะเริ่มต้นกับสิ่งที่ฉันหมายถึงเมื่อผมบอกว่า"IOT" ฉันรู้ว่าคำว่า IoT อาจหมายถึงสิ่งที่แตกต่างกันและบางครั้งก็ใช้ผิดวัตถุประสงค์ มันอาจเป็นคำที่ไม่ชัดเจนและอาจนำไปสู่การอภิปรายครั้งใหญ่เกี่ยวกับความหมายที่แท้จริงฉันเองไม่ทราบคำจำกัดความที่ถูกต้องและเป็นที่ยอมรับอย่างกว้างขวาง ดังนั้นสำหรับฉัน IOT เป็นแนวคิดแนวคิดที่กำหนดความสามารถในการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ฝังตัวจากระยะไกลผ่านทางอินเทอร์เน็ตทั้งจากอุปกรณ์ฝังตัวอื่นหรือจากโทรศัพท์มือถือได้ ง่ายเหมือนที่

ในบริบทนี้วัตถุประสงค์ของการเชื่อมต่อไม่สำคัญว่าถ้าคุณสามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์หนึ่งเครื่องในสำนักงานของคุณกับอุปกรณ์อื่นที่บ้านหรือถ้าคุณสามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์หนึ่งที่บ้านจากโทรศัพท์มือถือของคุณทั้งหมดนี้ผ่านอินเทอร์เน็ต ถ้าอย่างนั้นเรากำลังพูดถึงอุปกรณ์ IoT (อุปกรณ์ฝังตัวไม่ใช่โทรศัพท์)

ดังนั้นเมื่อเห็นด้วยกับสิ่งที่ฉันหมายถึงโดย IoT ตอนนี้ฉันจะอธิบายสิ่งที่ฉันพยายามที่จะบรรลุ

สิ่งที่ฉันพยายามที่จะบรรลุคือสิ่งที่ฉันอธิบายในคำจำกัดความของ IoT

ฉันต้องการมีอุปกรณ์ฝังตัวหนึ่งหรือหลายตัวที่บ้านที่เชื่อมต่อกับเราเตอร์อินเทอร์เน็ตของฉันไม่ว่าจะโดยอีเธอร์เน็ตหรือ wifi และสามารถเชื่อมต่อกับอุปกรณ์เหล่านั้นจากระยะไกลได้ด้วยอุปกรณ์ฝังตัวอื่นในสถานที่ห่างไกล และอาจจะสามารถเชื่อมต่อกับพวกเขาด้วยแอพตรวจสอบบนโทรศัพท์ของฉัน

ตัวอย่างเช่นฉันอาจมีอุปกรณ์สมองกลฝังตัวที่เรียบง่ายซึ่งทำหน้าที่เป็นสวิตช์เปิด / ปิดตะขอเกี่ยวกับที่เปิดประตูโรงรถของฉันและอุปกรณ์ฝังตัวอื่นที่ทำหน้าที่เป็นปุ่มสีแดงขนาดใหญ่บนโต๊ะทำงานของฉันเพื่อให้ฉันสามารถกดปุ่มสีแดงบนโต๊ะทำงาน และประตูโรงรถเปิดขึ้น

อีกตัวอย่างหนึ่งคือการมีอุปกรณ์ฝังตัวที่มีความสามารถของ ADC ที่สามารถตรวจสอบอุณหภูมิของบ้านของฉันและส่งการแจ้งเตือนเมื่อถึงเกณฑ์ สามารถรับการแจ้งเตือนได้โดยแอป Android ที่เรียบง่ายหรืออุปกรณ์ฝังตัวอื่นที่มีหน้าจอเล็ก ๆ นั่งอยู่บนโต๊ะทำงานของฉัน

ตัวอย่างเหล่านี้อาจไร้สาระ แต่เป็นเพียงการอธิบายสถานการณ์ที่เป็นไปได้และใช้กรณีสำหรับสิ่งที่ฉันพยายามทำ ในตอนท้ายแนวคิดก็เหมือนกันเชื่อมอุปกรณ์หนึ่งเข้ากับอุปกรณ์อื่นผ่านอินเทอร์เน็ต

สิ่งที่ชัดเจนอีกประการหนึ่งคือการแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างอุปกรณ์เหล่านี้จะมีน้ำหนักเบามากเพียงไม่กี่ไบต์ทุกครั้งไม่ใช่ว่าต้องใช้หลายร้อยกิโลไบต์เพื่อแลกเปลี่ยนระหว่างอุปกรณ์

นอกจากนี้ชนิดของ "อุปกรณ์ฝังตัว" ที่ฉันอ้างถึงนั้นเป็นอุปกรณ์ที่เรียบง่าย แต่มีความสามารถซึ่งใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์คอร์เท็กซ์ -m4 100MHz หรือ 200MHz และนั่นเป็นสิ่งสำคัญที่ต้องชี้แจงเพราะจะไม่มีลินุกซ์หรือไลบรารีที่ซับซ้อนใด ๆ ที่ทำงานบนอุปกรณ์เหล่านั้น ในท้ายที่สุดเป็นของเสียดังกล่าวของทรัพยากรและสมบูรณ์จำเป็นต้องมีหน่วยประมวลผลที่มีประสิทธิภาพใช้ Linux เพียงเพื่อเปิดและปิดหลอดไฟ ไม่ว่าในกรณีใดฉันวางแผนที่จะใช้ BeagleBoard, Raspberry Pi หรือบอร์ดอื่น ๆ เช่นนั้นเป็นอุปกรณ์ฝังตัวของฉัน เพียงแค่ไมโครคอนโทรลเลอร์ไม่จำเป็นต้องมีความซับซ้อนมากไปกว่านี้

ฉันไม่รู้อะไรมากเกี่ยวกับแพลตฟอร์ม IoT และโซลูชั่นที่ซับซ้อนประเภทนั้น เมื่อฉันเริ่มต้นการเดินทางครั้งนี้เพื่อค้นหาวิธีการเชื่อมต่ออุปกรณ์ฝังตัวหนึ่งเข้ากับอุปกรณ์อื่นผ่านทางอินเทอร์เน็ตฉันพบเว็บไซต์สองแห่งที่มีบริการ IoT

ฉันรู้ว่ามีบริการคลาวด์ IoT บางอย่างเช่น:

• Blynk
• แพลตฟอร์ม Google Cloud
• แพลตฟอร์ม IoT แบบ Exosite
• แพลตฟอร์ม Ayla IoT

เพียงเพื่อชื่อไม่กี่ ปัญหาหลักของเรื่องเหล่านี้คือเรื่องค่าใช้จ่ายและความซับซ้อน คุณต้องจ่ายเงินเพื่อรับบริการเหล่านั้นและคุณต้องเรียนรู้วิธีการใช้บริการทั้งหมดที่พวกเขามีในกรณีที่คุณต้องการพวกเขาทั้งหมดและ APIs ของพวกเขาและอาจเป็นเรื่องอื่น ๆ ที่ไม่จำเป็นสำหรับฉัน สามารถเพียงแค่แลกเปลี่ยนไบต์ระหว่างอุปกรณ์ ฉันแค่ต้องการสิ่งที่ง่ายกว่านั้นสิ่งที่ฉันสามารถทำได้เอง

คุณอาจพูดว่าการใช้ "คลาวด์" ของตัวเองถ้านั่นคือสิ่งที่ฉันต้องทำไม่ใช่เรื่องง่ายและบางครั้งดีกว่าที่จะใช้บริการเหล่านั้นเพื่อความเรียบง่าย แต่มีสองเหตุผลหลักที่ฉันต้องการทราบวิธีการ ใช้บริการ IoT ของฉันเอง

เหตุผลหลักคือฉันต้องการทำด้วยตัวเอง ฉันไม่ต้องการพึ่งพาบุคคลที่สามเพื่อเชื่อมต่ออุปกรณ์ของฉันกับแต่ละอื่น ๆ และเนื่องจากฉันจะพัฒนารหัสและฮาร์ดแวร์สำหรับอุปกรณ์ของฉันแล้วมันรู้สึกดีกว่าที่จะสร้างวิธีการของตัวเองเพื่อเชื่อมต่อพวกเขาเป็นอุปกรณ์ IoT

เหตุผลที่สองคือการเรียนรู้วิธีการทำ โดยการรู้ทุกสิ่งที่จำเป็นที่ฉันต้องการเพื่อให้บรรลุนี้ฉันจะมีความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับโลกของ IoT

นอกจากนี้ฉันต้องการพูดถึงว่าฉันมีความเชี่ยวชาญใน C และฉันใช้ Linux เป็นระบบปฏิบัติการประจำวันของฉันที่ทำงานเช่นเดียวกับที่บ้านของฉันดังนั้นโปรดหลีกเลี่ยงสิ่ง windows เพราะมันไร้ประโยชน์สำหรับฉัน ฉันไม่กลัวสิ่งใดที่ฉันต้องนำไปใช้ใน C สำหรับอุปกรณ์ฝังตัวของฉันหรือบน Linux เพื่อใช้สิ่งที่จำเป็นเพื่อให้บรรลุเป้าหมายของฉัน

ดังนั้นคำถามของฉันคือสิ่งที่จำเป็นในการดำเนินการและสถานที่ที่สามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์ฝังตัวสองตัวหรือมากกว่าเข้าด้วยกันโดยมีวัตถุประสงค์เพื่อแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างกัน

คำถามนี้ฉันสามารถใช้อะไรเพื่อสร้าง IoT บนเซิร์ฟเวอร์ของเราเอง มีบางอย่างที่คล้ายกัน แต่ถูกปิดและไม่มีคำตอบใด ๆ รวมถึงโครงสร้างพื้นฐานคลาวด์ที่มีอยู่แล้วที่จะใช้ ดังนั้นจึงไม่ช่วยฉัน

โพสต์อื่น ๆ นี้มีบริการ IoT ใดบ้างสำหรับการจัดเก็บ / ส่ง / เผยแพร่ข้อมูลทั่วไปในคลาวด์ มีคำถามที่คล้ายกัน แต่ OP กำลังขออย่างชัดเจนสำหรับบริการ IoT และฉันพยายามหลีกเลี่ยง

บางทีฉันอาจพลาดจุดคำถาม แต่ฉันคิดว่านี่เป็นจุดเริ่มต้นที่ดีในการตอบ

คุณต้องการสามสิ่งอย่างน้อยที่สุด

1. โหนดการคำนวณตลอดเวลาเพื่อรวมข้อมูลของคุณ สิ่งนี้ไม่จำเป็นต้องมีประสิทธิภาพมันอาจเป็นกระบวนการที่ทำงานบน NAS ของคุณหรือแม้แต่ (ในทางทฤษฎี) บนเราเตอร์ของคุณ เพื่อความง่ายสมมติว่าเป็น Raspberry Pi สิ่งนี้สามารถให้โพรโทคอลวิทยุแฟนซีใด ๆ ที่คุณตัดสินใจที่จะสนับสนุนในอนาคต แม้ว่าในทางทฤษฎีคุณสามารถเรียกใช้เพียร์ทูเพียร์กับโหนดทั้งหมดที่เปิดรับอินเทอร์เน็ตได้ แต่ก็ง่ายกว่าที่จะเสนอชื่อเป็นมาสเตอร์และมีการจัดการการจัดเรียงข้อมูลและการเผยแพร่ แน่นอนว่าฮับสามารถเป็นโหนดได้เช่นกันโดยเฉพาะถ้าคุณใช้โหนด WiFi ซึ่งมีประสิทธิภาพปานกลาง
2. สแต็กซอฟต์แวร์ที่เหมาะสมเพื่ออนุญาตให้อุปกรณ์ปลายทางส่งข้อมูลไปยังฮับโหนดของคุณ mqttเป็นประเภทของสิ่งที่คุณต้องการที่นี่รวมถึงระบบปฏิบัติการที่จะเรียกใช้
3. DNS และการส่งต่อพอร์ตเพื่ออำนวยความสะดวกในการเข้าถึงเซิร์ฟเวอร์ของคุณจากอินเทอร์เน็ตที่กว้างขึ้น

จากนั้นอย่าลืมความปลอดภัย ด้วยการทำเช่นนี้คุณจะสามารถเปิดทุกสิ่งบนเครือข่ายในบ้านของคุณเพื่อโจมตีได้ อาจจะเพียงเล็กน้อย แต่ก็เป็นเรื่องดีที่จะตระหนักถึงความเสี่ยง คุณสามารถลองและดูแลรักษา แต่คิดว่าคุณจะทำผิดพลาด

อุปกรณ์ที่มีน้ำหนักเบาและอัตราวันที่สองไบต์ขอให้ใช้MQTTเนื่องจากมีการพูดถึงแล้ว โหนดเซ็นเซอร์ของคุณอาจขึ้นอยู่กับโมดูล ESP8266 แบบสแตนด์อโลนซึ่งมีประสิทธิภาพเพียงพอที่จะโฮสต์การใช้งานไคลเอ็นต์ MQTT หรือคุณสามารถใช้โมดูลเหล่านี้เป็นโมดูล Wi-Fi ที่ควบคุมด้วยคำสั่ง AT พร้อมกับไมโครคอนโทรลเลอร์ภายนอกของคุณ

คุณสามารถดำเนินการแก้ปัญหา MQTT ของคุณเองบนไมโครคอนโทรลเลอร์ที่มีประสิทธิภาพน้อยเหมือนผู้ชายคนนี้ที่มีการใช้ Atmega48V 4 กิโลไบต์แฟลช

คุณสามารถโฮสต์โบรคเกอร์ในคอมพิวเตอร์ของคุณได้แม้ว่าจะใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าในการใช้ Raspberry Pi แทน อีกครั้งถ้าคุณชอบการเข้ารหัสคุณสามารถใช้ MQTT โบรกเกอร์ของคุณเอง โดยส่วนตัวฉันพบว่าMosquittoยอดเยี่ยมสำหรับจุดประสงค์นี้

ข้อเสียที่โหนดเซ็นเซอร์ของคุณจะต้องเชื่อมต่อ TCP / IP

โซลูชันที่เป็นมิตรกับแบตเตอรี่อาจใช้LoraWANหรือZigBee ที่เปิดใช้งานเซ็นเซอร์ / แอคทูเอเตอร์และใช้เกตเวย์บน Raspberry / BeagleBone ซึ่งสามารถโฮสต์เว็บเซิร์ฟเวอร์แบบง่าย ๆ ที่สามารถเข้าถึงได้จากโทรศัพท์หรืออุปกรณ์อื่น ๆ ของคุณ

ในทุกกรณีมันจะทำให้ฮับเกตเวย์หรือเซิร์ฟเวอร์ของคุณสามารถเข้าถึงได้จากเครือข่ายส่วนตัวของคุณ มีวิธีการทำเช่นนี้มากกว่าและข้อกังวลหลักคือความปลอดภัยเสมอ นี่เป็นส่วนที่เสี่ยงที่สุดในความคิดของฉัน

ข้อกำหนดขั้นพื้นฐานสามารถสรุปได้ค่อนข้างดีโดย @Sean

คุณเคยถามทั้งคำตอบก่อนหน้าเกี่ยวกับความต้องการคอนโทรลเลอร์ / ฮับ พิจารณาว่าการทำสิ่งต่าง ๆ เกิดขึ้นคุณต้องมีกฎ หากคุณต้องการกดปุ่มสีแดงขนาดใหญ่เพื่อเปิดประตูโรงรถกฎบางอย่างจำเป็นต้องผูกเซ็นเซอร์ (ปุ่ม) กับการกระทำที่ต้องการ (เปิดประตู) มีสองวิธีในการทำให้เกิดขึ้น: คุณสามารถวางกฎในปุ่มโดยตรงหรือคุณสามารถวางกฎในคอมพิวเตอร์แยกต่างหาก

ลองคิดเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีแก้ปัญหาโดยตรง หากคุณสอนปุ่มเกี่ยวกับประตูโรงรถปุ่มของคุณจะถือกฎไว้ภายใน ปุ่มต้องการ ID ของประตูโรงรถดังนั้นหากคุณเปลี่ยนประตูโรงรถปุ่มจะไม่ทำงาน หากปุ่มอยู่บนโต๊ะทำงานของคุณและบ้านของคุณใช้เครือข่ายที่เป็นกรรมสิทธิ์ปุ่มนั้นจะต้องรู้ทั้งที่อยู่ของประตูบ้านและที่อยู่ของประตู ปุ่มจำเป็นต้องรู้โปรโตคอลเฉพาะเพื่อส่งสัญญาณประตูของคุณเพื่อเปิด - ผู้ผลิตทั้งหมดทำปุ่มที่เข้ากันได้ที่รู้เกี่ยวกับสัญญาณประตูทั้งหมดหรือไม่ ปุ่มไม่สามารถทำอะไรได้อีกนอกจากว่าคุณจะทำการตั้งโปรแกรมใหม่ - คุณมีโปรแกรมเมอร์แฟลชสำหรับชิปของปุ่มวางอยู่รอบ ๆ หรือไม่และโปรแกรมเมอร์นั้นสามารถทำงานร่วมกับอุปกรณ์อื่น ๆ ได้หรือไม่? หากคุณต้องการให้ประตูโรงรถเปิดและปิดในเวลา 5 นาที ปุ่มของคุณต้องการความซับซ้อนทั้งหมดในการดูแลรักษานาฬิกาตามเวลาจริง ปุ่มของคุณจะไม่ทราบสถานะของประตูทำให้ทราบได้ยากว่าคุณกำลังปิดประตูหรือเปิดประตูอยู่ และคุณสำรองข้อมูลกฎอย่างไรเพื่อที่ว่าหากปุ่มของคุณแตกปุ่มเปลี่ยนของคุณจะสามารถทำงานได้? ในด้านบวกมันฟังดูถูก: คุณไม่จำเป็นต้องใช้คอมพิวเตอร์แยกต่างหาก

ด้วยคอนโทรลเลอร์สิ่งต่าง ๆ ข้อความทั้งหมดจากเซ็นเซอร์ทั้งหมดจะถูกส่งไปยังตัวควบคุม เซ็นเซอร์แต่ละตัวนั้นง่าย: ส่งสัญญาณไปยังตัวควบคุม ตัวควบคุมสามารถใช้อินพุตใดก็ได้ที่จำเป็นสำหรับกฎที่ซับซ้อนมาก: สามารถตรวจสอบเซ็นเซอร์ซันไชน์และไม่เปิดไฟกลางแจ้งเว้นแต่จะมืดหรือไม่สามารถเรียกใช้หัวฉีดน้ำถ้าค่าเฉลี่ยปริมาณน้ำฝนสำหรับเดือนนั้นสูงกว่าค่าเฉลี่ยและอุณหภูมิปัจจุบัน ต่ำกว่าค่าเฉลี่ยห้าองศา ตัวควบคุมสามารถติดตามสถานะ นี่อาจสำคัญถ้าคุณต้องการปุ่ม "ปิดประตูโรงรถ" แต่ไม่ใช่ปุ่ม "เปิดประตูโรงรถ" (เมื่อฉันอยู่ห่างจากบ้านฉันไม่ค่อยต้องการเปิดประตู แต่ฉันอยากปิดถ้ามันเป็น เปิดทิ้งไว้โดยไม่ตั้งใจ)

คอนโทรลเลอร์สามารถจัดเตรียมที่สำหรับไดรเวอร์อุปกรณ์ที่รู้วิธีฟังปุ่มและไดรเวอร์อื่น ๆ ที่รู้วิธีพูดกับประตู คอนโทรลเลอร์สามารถอัปเกรดเป็นอุปกรณ์และอุปกรณ์ใหม่ ๆ ได้มากกว่าชิปตัวเล็ก ๆ ที่อยู่ในปุ่มเดียว

คอนโทรลเลอร์สามารถมีตรรกะที่ซับซ้อนมากขึ้นสำหรับงานโครงสร้างพื้นฐานเช่นการส่งข้อความโดยเสนอบริการในระดับที่แน่นอน ตัวอย่างเช่นโปรโตคอล MQTT อนุญาตให้มีสามระดับที่แตกต่างกัน: พยายามส่งข้อความหนึ่งครั้งส่งมันซ้ำ ๆ จนกว่าจะเห็นอย่างน้อยหนึ่งครั้งหรือส่งครั้งเดียว

คอนโทรลเลอร์มีสถานที่เชิงตรรกะในการรวมการส่งข้อความทั้งหมดไปยังและจากเกตเวย์การสื่อสารอนุญาตให้ใช้อินเทอร์เฟซภายนอก ซึ่งหมายความว่าปุ่มและโทรศัพท์ของคุณสามารถส่งสัญญาณได้และกฎสามารถระบุได้ว่าอนุญาตให้เปิดประตูโรงรถได้ เกตเวย์สามารถให้ความปลอดภัยได้ คุณไม่จำเป็นต้องใส่ปุ่มและประตูโรงรถของคุณบนอินเทอร์เน็ต คุณสามารถวางไว้ทั้งบนเครือข่ายแยกส่วนตัวและใช้เกตเวย์เพื่อส่งสัญญาณ คอนโทรลเลอร์ยังมีจุดเดียวในการสำรองกฎทั้งหมดสำหรับระบบของคุณ

ข้อเสียของตัวควบคุมจะเพิ่มเวลาแฝงและความซับซ้อนเป็นพิเศษ น่าแปลกที่ผู้ควบคุมไม่ได้ทำให้ค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด คุณสามารถติดตั้งคอนโทรลเลอร์บน Raspberry Pi ได้โดยมีค่าใช้จ่ายน้อยกว่าค่าเฉลี่ยของสวิตช์ไฟที่ควบคุมได้จากระยะไกล อย่าลดความคิดบนพื้นฐานของต้นทุนเพียงอย่างเดียว