Download het artikel in 
ENGINEERINGNET - Niet echt een verrassing, maar toch: ze zien het groter en koppelen er meteen andere, volgens hen onlosmakelijke aspecten zoals big data en wireless aan vast. En ze nemen uitgesproken en vaak controversiële standpunten in. Zoals een hernieuwde interesse in analoge signalen...
Een vaststelling in de Amerikaanse 'mindset' is dat we IoT of het 'Internet of Things' al werkelijkheid zien worden in de consumentenwereld. Daar is het internetgebruik van pure 'communicatie' (downloaden of uitwisselen) reeds omgezet in 'living together'.
Want sociale netwerken maken communicatie en in essentie het samenleven al volledig anders. Internet gaat de kant op van 'controlling': er zijn bijvoorbeeld de interactieve TV-toepassingen, of de internetgebaseerde en via je smartphone regelbare domoticasystemen. Of apps om iemand via zijn of haar smartphone te lokaliseren.
In deze consumentenversie van IoT vallen volgens hen nog twee aspecten op. Het eerste is: alles wordt wireless. Er wordt voorspeld dat binnen de tien jaar meer smartphones in gebruik zullen zijn dan er mensen op aarde rondlopen. En de tweede trend: meer en meer toepassingen steunen op immense data streams. En we hebben het internet nodig als massa-opslagmedium en als computercapaciteit voor de (real time) analyses op die big data.
IoT voor de industrie
Daarnaast wordt hard gewerkt aan de IoT voor industriële toepassingen, die de Amerikanen zien evolueren langs drie hoofdassen: Smart Production Systems, Smart Energy Grids en Smart Cities.
Dr. Joe Salvo, directeur bij GE Global research en oprichter van het kersverse Internet Industrial Consortium, ziet de toekomst daarvan alvast volgens dezelfde krachtlijnen evolueren. Zijn controversieelste uitspraak was wel: «Vandaag zou iedereen raar opkijken als iemand zou vragen: 'Hoeveel friends heeft uw verpakkingsmachine?' of 'Hoeveel experten liken uw productie-oplossing?' U lacht, u bent sceptisch dat dergelijke dingen gaan gebeuren? Dat waren we over het smartphone-gebruik geen drie jaren geleden ook nog.»
Naar zijn mening zal het 'industrial internet' van de nabije toekomst gebaseerd zijn op een netwerk van 'things' met 'lokale intelligentie'. Networking zal zich zowel op de productievloer tussen de verschillende delen van de productielijn als buiten de directe kring afspelen. Enkele voorbeelden: experten die zorgen voor de nodige opvolging en predictief pannes aankondigen, managers die productie-efficiëntie on-line opvolgen en in real time beslissingen nemen rond instellingen....
Jim Robinson, General Manager van de IoT Solutions Group bij Intel onderschrijft zijn mening: «De 'factory of the future' zal worden opgebouwd uit modulaire productielijnen met delen die automatisch in en uit de lijn worden geschoven, in functie van wat is ingepland. Dat zal gebeuren zonder dat je enige bekabeling moet connecteren en deze componenten zullen zich 'plug and play' integreren in de productielijn. Zoals een printer zich draadloos en naadloos koppelt met je PC. En de support? Experteams analyseren het productiesysteem via de cloud en de servicemensen komen predictief ter plaatse met de correcte wisselstukken al in hun handbagage.»
Virtual fysical systems
James Truchard, CEO van National Instruments, ziet de productietechnologie zich ontwikkelen in de richting van virtual fysical systems : «Meer en meer hardwaretoepassingen worden softwaregebaseerd. Het verstrengelen van 'operationele technieken' - zoals sensoren, meetsystemen, machines, handling systems - met 'intelligente informatietechnologie' leidt tot virtual fysical systems. Zoals de virtuele instrumenten vandaag reeds een combinatie zijn van intelligente hardwaresensoren en veel rekenkracht in combinaties van embedded controllertechnologie en FPGA's. Door dit samenwerken van sensoren, embedded systems en softwaretoepassingen, gebaseerd op internet, wordt het mogelijk dat mensen en machines efficiënt en veilig samenwerken.»
Smart Grids & Cities
Smart Energy Grids zijn een belangrijk IoT-thema. Met de groeiende onvoorspelbaarheid van leveringen door de 'renewable energy'-bronnen wordt het beheersen van het elektrische energienet steeds moeilijker en complexer. Als een windmolen van 8 MW er ineens inkomt of uitgaat, moet in hypersnel gereageerd kunnen worden. En het in balans houden van dit elektrisch net is dit een schoolvoorbeeld van enorm veel decentrale actiepunten die permanent, in real time moeten gesondeerd en gecontroleerd worden en in de totaalberekening ingebracht worden. Real time betekent: micro- en nanoseconden. Indien men niet kan meten en bijsturen op dergelijke tijden, dan verhoogt het risico dat het licht uitgaat.
Hetzelfde geldt voor 'Smart City'-technologie'. Een voorbeeld: de driverless hybrid car, die één netwerk van intelligente controllers wordt. In de driverless car is het niet enkel de veilige afstand tot de vorige wagen die moet gemonitord worden, er zijn ook de randfenomenen zoals 'veilig reageren als een voetganger ineens tussen de wagens oversteekt'. Dan kan men zich inbeelden dat (reactie)tijd en synchronisatie van taken (detectie, interpretatie, sturen, remmen...) enorm belangrijk is.
«Het lijkt vandaag 'slechts' een mooi onderwerp voor onderzoek, maar binnen tien jaar begrijpen we niet meer dat we ooit het risico namen om zelf te sturen», stelde een overtuigde spreker. «En de voetganger zal nooit begrijpen dat hij ooit géén verkeers-app op zijn smartphone had, een 'knop' die hem toelaat – zonder dat verkeerslichten de flows steeds in de war sturen – veilig tussen de rijdende wagens over te steken.»
Tijd is cruciaal
Eén ding mag duidelijk zijn: in de hele IoT-evolutie is 'real time' een kerngedachte. Waar echter eind jaren 1970 bij productiesystemen milliseconden 'real time' was, wordt in de toekomstige IoT-toepassingen eerder gedacht aan microseconde en zelfs nanoseconde responstijden. De technologie an sich bestaat al. Denk aan controllers op basis van FPGA's, overigens een stokpaardje van National Instruments. FPGA's zijn programmeerbare hardwareschakelingen, waarbij via software gelegde verbindingen tussen massa's gates op de chip toelaten om een hardwareschakeling te realiseren. Deze FPGA's laten toe meerdere controlecircuits in timeframes van nanoseconden synchroon te laten functioneren.
Het gaat hier over nanoseconden respons 'on chip in one system'. Bij de Internet of Things gaat het om gedistribueerde systemen die volgens het plug-and-play principe met elkaar moeten functioneren. Ook tussen en op deze soms mijlen uit elkaar staande gedecentraliseerde systemen moet 'dezelfde tijd' gehanteerd worden. Tijd en synchronisatie van die tijd is dus zeer belangrijk... en niet zo eenvoudig te realiseren. Te bedenken dat vele van die gedistribueerde systemen werken op basis van 'voorspellingen' die via simulaties worden gegenereerd, dan begrijpt u dat er gesproken wordt over 'time control loops' in de grootte-orde van 1 microseconde en tijdsynchronisaties in de grootte-orde van nanoseconden (10-9 seconden).
Hernieuwde interesse in .... analoog
De trend naar almaar méér 'software based decentralised systems' creëert een bottleneck ter hoogte van de verwerking en het ter beschikking houden van de data. Op het gebruikersevent bleek dat deze hoeveelheid data nog drastisch dreigt te verhogen doordat er opnieuw een stijgende interesse is om... analoge data door te sturen.
De reden hiervoor is dat men naast de digitale data ook alle randfenomenen zoals storingen of interferenties ter beschikking wil hebben. De analyse van de analoge gegevens geeft daar een beter beeld van. Ze zijn ook de basis voor predictieve alarmgeving, onder meer over de toestand van de sensor zelf.
Daarnaast zijn er toepassingen waarbij het onmogelijk is het signaal te digitaliseren omdat men dan te veel informatie verliest, zoals 'unieke' meetsituaties die moeilijk opnieuw te creëren zijn (windtunneltesten, weerobservaties...). Dat men dan terug grijpt naar het doorzenden van analoge signalen, betekent niet dat er geen intelligentie (meer) nodig is in de sensor.
Integendeel. Men heeft zeer performante systemen nodig voor signaalconditionering, voor timestamps... en voor het doorsturen van de digitale waarden die nodig zijn voor de 'klassiek' controletaken.
Pushing up wireless communication
En bij deze stijgende communicatie en vernetting komt het extra probleem van de bottleneck die 'wireless' bij stijgend gebruik gaat vormen. Vandaag spreken we over 4G-netwerken. 4G staat voor 'vierde generatie draadloos netwerk'. 1G werd door Nordic Mobile Telephone geïntroduceerd in 1981, 2G (GSM) werd uitgerold vanaf, de eerste 3G systemen (IMT-2000, UMTS) dateren van 2001.
En de standaarden van 4G (IMT Advanced) dateren van 2012. Maar wil men de vraag naar steeds grotere bandbreedtes beantwoorden, dan zal men naar een volgende generatie mobiele netwerken moeten overstappen. In de US is men reeds sterk begonnen met het profileren van 5G. Niet enkel de US, want we zagen een poster van prof. dr. ir. Sofie Pollin over het 5G-onderzoek dat de KULeuven onder haar leiding doet aan de KULeuven. Spitstechnologie dicht bij huis, ontdekt ver van huis.
5G draait om het leren gebruiken van steeds hogere frequenties, m.a.w. nog kortere golflengtes: verschuiving van de communicatie naar de cm-band. Goed nieuws, want de antennes verkleinen (een antenne is meestal ¼ van de golflengte groot) en dat laat toe de apparatuur steeds kleiner te maken.
Vandaag is een limiet van de grootte van het kastje - naast voor door de mens gebruikte devices de grootte van de knoppen en het scherm – de grootte van de antenne. Nadeel is echter: hoe kleiner de golflengtes hoe minder ver het bereik. Wifi werkt vandaag met small cells, 5G vergt microcells. En waar gaan we dus alle basisstations neerzetten en... onderling beheren om te communiceren?
Nog heel veel werk, maar alle sprekers waren het over één punt eens: vandaag begrijpen we nog niet hoe we het moeten realiseren, morgen begrijpen we niet dat we het ooit niet gehad hebben. Denk maar aan de smartphone, de e-mails, interactieve digitale TV...
(foto's: NI)
door Alfons Calders, Engineeringnet
Kadertekst:
De driver in de VS achter de IoT-trend is het zeer recent opgezette Industrial Internet Consortium (IIC), een non-profit organisatie die ijvert voor 'Smart America'. Het IIC werd opgericht in maart 2014 door de grote industriële spelers General Electric, AT&T, Intel en Cisco Systems.
Het doel is een IoT- ecosystemen te ontwikkelen. Ze wil daarvoor onderzoek uit de industrie, academische instellingen en vanuit de VS-overheid coördineren en stimuleren die werken aan gemeenschappelijke architectuur, interoperabiliteit en open standaards.
Het consortium telt ondertussen reeds een honderdtal organisaties en bij de laatste nieuwe leden ziet men dat ook de interesse vanuit Europese en internationale hoek in stijgende lijn gaat. Zijn bijvoorbeeld toegetreden: Technische Universität Darmstadt, Schneider Electric, Fujitsu Limited, Samsung Electronics en Hitachi.
James Smith, director embedded systems en de brugpersoon voor NI met IIC, wees er op dat ook het IEEE werkt aan de noodzakelijke nieuwe standaarden voor het Industrial Internet. Deze moeten onder meer toelaten dat de noodzakelijke tijdstempel in alle IoT-systemen op dezelfde wijze zal doorgegeven en herkend worden.
Naast tijd moet ook de herkenbaarheid en integriteit van data gewaarborgd worden. En ook dat vergt nieuwe normen. Dus voor aleer IoT mogelijk wordt, is er nog heel wat werk aan de winkel om de noodzakelijke nieuwe standaarden te realiseren die de 'plug-and-play'-functie over gedistribueerde systemen van verschillende merken zal moeten garanderen.
Aan deze standaarden wordt gewerkt binnen de in september 2011 opgezette 'IEEE Standards Associations INTERNET OF THINGS'.
