Tiedonsiirto kulunvalvonnan IoT-järjestelmässä
Tiitola, Elmo (2022)
2022
Automaatiotekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Automation Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-05-12
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202205044379
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202205044379
Tiivistelmä
Maailmanlaajuisiin tietoverkkoihin liitettyjen älylaitteiden määrä on kasvanut räjähdysmäisesti sekä kuluttaja- että teollisuuskäytössä viime vuosien aikana. Näiden IoT-laitteiden kasvun odotetaan kiihtyvän myös tulevien vuosien aikana ja sen myötä laitteiden tietoverkoissa siirtämän tiedon määrä tulee kasvamaan. Yksittäisen IoT-laitteen siirtämän tiedon määrä on tyypillisesti pieni, mutta IoT-järjestelmille ominaisen suuren laitemäärän vuoksi järjestelmän tiedonsiirron määrä voi kokonaisuudessaan kasvaa huomattavan suureksi.
Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia mahdollisuuksia laitekohtaisen tiedonsiirron vähentämiseen kulunhallinnan IoT-järjestelmässä. Tutkimuksessa käsiteltiin IoT-laitteiden tiedonsiirtoa Internetissä, ja tutkittiin langattomien tiedonsiirtoverkkojen ja tiedonsiirtoprotokollien vaikutusta tiedonsiirron määrään, sekä niitten sopivuutta järjestelmän tarpeisiin. Työ suoritettiin käyttäen kirjallisuuslähteitä, sekä suorittamalla mittauksia käyttämällä eri tiedonsiirtoverkkoja ja tiedonsiirtoprotokollia.
Koska järjestelmän laitteet ovat levinneet maantieteellisesti laajalle alueelle, langattomien tiedonsiirtoverkkojen osalta mielenkiinto kohdistui IoT-laitteille tarkoitettuihin LPWA-verkkoihin. IoT-laitteille suunnitellut matkapuhelinverkkoteknologiat ovat osa LPWA-verkkoja ja niiden toiminnan mahdollistavat matkapuhelinoperaattorit. Vähentämällä tiedonsiirtoa voidaan käyttää pienempiä ja halvempia operaattorin tarjoamia tiedonsiirtopaketteja. Tiedonsiirtoprotokollien osalta keskityttiin yleisimpien IoT-käytössä olevien protokollien toimintaan, ja tutkittiin protokollien tehokkuutta kohdejärjestelmän tarpeiden näkökulmasta.
Haastavimmaksi vaatimukseksi sekä langattomien tiedonsiirtoverkkojen, että tiedonsiirtoprotokollien osalta muodostui mahdollisimman reaaliaikaisen kaksisuuntaisen tiedonsiirron mahdollistaminen. Kaksisuuntainen tiedonsiirto vaati sekä tiedonsiirtoverkolta, että käytetyltä protokollalta valmiutta olla jatkuvassa valmiudessa vastaanottamaan viestejä. Tämä sulki pois UDP-protokollapinon avulla toimivat tiedonsiirtoprokotollat, sillä kaksisuuntainen tiedonsiirto aiheutti ongelmia matkapuhelinliittymien toiminnan vuoksi. Laitteiden toiminta IoT-käyttöön tarkoitetuissa matkapuhelinverkoissa oli mahdollista asettaa niin, että saavutettiin tarpeeksi pieni viive kaksisuuntaisessa tiedonsiirrossa. Tämä kuitenkin eliminoi laitteiden virransäästöön tarkoitettujen mekanismien hyödyt.
Internetin käyttö itsessään on harvoin tehokasta pieniä tietomääriä siirtävien laitteiden käytössä. Tämä johtuu internetin eri kerroksissa mukaan lisättävistä ylätunnisteista. Tämä antoi aihetta jatkotutkimukselle siitä, voidaanko järjestelmän tiedonsiirron vaatimuksiin vastata käyttämättä Internetiä tiedonsiirron pohjana.
Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia mahdollisuuksia laitekohtaisen tiedonsiirron vähentämiseen kulunhallinnan IoT-järjestelmässä. Tutkimuksessa käsiteltiin IoT-laitteiden tiedonsiirtoa Internetissä, ja tutkittiin langattomien tiedonsiirtoverkkojen ja tiedonsiirtoprotokollien vaikutusta tiedonsiirron määrään, sekä niitten sopivuutta järjestelmän tarpeisiin. Työ suoritettiin käyttäen kirjallisuuslähteitä, sekä suorittamalla mittauksia käyttämällä eri tiedonsiirtoverkkoja ja tiedonsiirtoprotokollia.
Koska järjestelmän laitteet ovat levinneet maantieteellisesti laajalle alueelle, langattomien tiedonsiirtoverkkojen osalta mielenkiinto kohdistui IoT-laitteille tarkoitettuihin LPWA-verkkoihin. IoT-laitteille suunnitellut matkapuhelinverkkoteknologiat ovat osa LPWA-verkkoja ja niiden toiminnan mahdollistavat matkapuhelinoperaattorit. Vähentämällä tiedonsiirtoa voidaan käyttää pienempiä ja halvempia operaattorin tarjoamia tiedonsiirtopaketteja. Tiedonsiirtoprotokollien osalta keskityttiin yleisimpien IoT-käytössä olevien protokollien toimintaan, ja tutkittiin protokollien tehokkuutta kohdejärjestelmän tarpeiden näkökulmasta.
Haastavimmaksi vaatimukseksi sekä langattomien tiedonsiirtoverkkojen, että tiedonsiirtoprotokollien osalta muodostui mahdollisimman reaaliaikaisen kaksisuuntaisen tiedonsiirron mahdollistaminen. Kaksisuuntainen tiedonsiirto vaati sekä tiedonsiirtoverkolta, että käytetyltä protokollalta valmiutta olla jatkuvassa valmiudessa vastaanottamaan viestejä. Tämä sulki pois UDP-protokollapinon avulla toimivat tiedonsiirtoprokotollat, sillä kaksisuuntainen tiedonsiirto aiheutti ongelmia matkapuhelinliittymien toiminnan vuoksi. Laitteiden toiminta IoT-käyttöön tarkoitetuissa matkapuhelinverkoissa oli mahdollista asettaa niin, että saavutettiin tarpeeksi pieni viive kaksisuuntaisessa tiedonsiirrossa. Tämä kuitenkin eliminoi laitteiden virransäästöön tarkoitettujen mekanismien hyödyt.
Internetin käyttö itsessään on harvoin tehokasta pieniä tietomääriä siirtävien laitteiden käytössä. Tämä johtuu internetin eri kerroksissa mukaan lisättävistä ylätunnisteista. Tämä antoi aihetta jatkotutkimukselle siitä, voidaanko järjestelmän tiedonsiirron vaatimuksiin vastata käyttämättä Internetiä tiedonsiirron pohjana.