Den här utmaningen kan inte lösas enbart av molntjänstföretagen eftersom deras kapacitet främst omfattar programvara och plattformstjänster på serversidan, och kan därför knappast täcka alla tänkbara klienter längst ut i nätverket. I den här artikeln föreslår vi ett datacentrerat IoT-ramverk med stöd för massiv IoT och bredbandig IoT i lokala (LAN), personliga (PAN), samt globala (WAN) nätverk. Genom att dra fördel av molnplattformen Microsoft Azure, har vi utvecklat ett ramverk med en enhetlig datamodell för olika typer av klienter. Vi har också gjort en implementation för att demonstrera möjligheter för praktiska tillämpningar.

II. DATACENTRERAT IOT-RAMVERK
Som framgår av Figur 1 är det datacentrerade IoT-ramverket [1] indelat i två olika delar, lokal respektive molnrelaterad infrastruktur. Lokalt är sensorer, ställdon, routrar med mera uppkopplade med trådlösa kommunikationsprotokoll som wifi, Thread och Lorawan, vilka stöder LAN-, PAN- och WAN-nätverk för olika typer av IoT-applikationer. Ett starkt lokalt nätverk förlänger räckvidden för internetaccessen och har en datakapacitet som täcker både massiv IoT med låg datahastighet och bredbandig IoT med hög datahastighet.

Nyckelfunktioner hos det datacentrerade IoT-ramverket:
• Ramverket omfattar både hårdvara och mjukvara med stöd för tre protokoll för LAN, PAN och WAN, med inbyggda hög­nivåsäkerhetsfunktioner [2].
• Förenklad kompatibilitet, samexistens, ­enhetshantering och datahantering ­genom stöd för molnplattformen ­Microsoft Azure.
• Validerat med en användning för ­digitalisering av en grön växtvägg.

III. IMPLEMENTATION
För att uppnå full kompatibilitet mellan olika protokoll har vi förenat enhetshantering och dataprocessning genom att implementera stöd för Azure IoT Hub för datacentrerade system. Ett användarfall där IoT-ramverket implementeras på en så kallad aktivväxtvägg för kontroll och övervakning av inomhusmiljö presenteras nedan.

ANSLUTNING AV LOKALA ENHETER
Figur 2 visar hur olika sensorer och elektriska ställdon är anslutna till Thread PAN-nätverket (nRF52840 DK från Nordic Semiconductors som ändenhet och KW41Z från NXP som router), och till wifinätet (Arduino Uno WiFi), så väl till en edge-enhet (Raspberry Pi3) med trådbunden LAN-anslutning. Edge-enheten är ansluten till molnet via en wifi-accesspunkt. Sensorer kan också anslutas till Lora-noder i ett WAN-nätverk med låg effektförbrukning, och data sparas i en Lora-server via en Lora-router (MultiTech Conduit AP) och sedan skickas vidare till molnet. Dessutom är andra typer av sensornätverk länkade till molnet via en meddelanderouter.

IoT-ramverket har framgångsrikt använts för att skapa en digitaliserad växtvägg för styrning och övervakning av inomhusklimat. Växtväggen är en vertikal konstruktion täckt med tät vegetation. Bevattning, belysning och ventilation finns integrerat för att plantorna ska få allt de behöver för att växa. Integrerat finns också flera miljösensorer som kan mäta temperatur, luftfuktighet, ljus, vattennivå i vattentanken, mikropartiklar, koldioxidhalt (CO2) och åtta andra typer av gaser. En detaljerad studie av systemet och dess möjligheter finns presenterat i [3]. Implementation av systemet har gjorts på växtväggar placerade i olika miljöer. Ett system har implementerats i en pilotanläggning i ett laboratorium på LiU, Campus Norrköping, på ett äldreboende, i en verkstad för metallarbeten och på ett antal andra platser runt om i Sverige där växtväggens tillverkare Vertical Plants System i Norrköping gjort installationer.

IV. MOLNTJÄNST
Som framgår av Figur 4a så är huvudkomponenten i molnplattformen IoT Hub som sköter enhetshanteringen. Baserat på praktiska behov kan en rad tjänster och funktioner läggas till och integreras direkt i IoT Hub med olika plugin. All inkommande sensordata passerar genom molnroutern i IoT Hub för att genomgå autentisering och för att slussas till rätt tjänst för vidare processning, lagring och visualisering. Som exempel är en webbapplikation för växtväggen i Figur 3 utvecklad och paketerad som en containertjänst för att visualisera data i realtid, visa historiska data samt tillhandahålla administrativa hanteringsfunktioner för slutanvändare,.

[1] Y. Liu, K. Hassan, M. Karlsson, Z. Pang and S. Gong, ”A Data-Centric Internet of Things Framework Based on Azure Cloud”,
IEEE Access, DOI: 10.1109/ACCESS.2019. 2913224, 2019.

[2] Y. Liu, Z. Pang, G. Dan, D. Lan and S. Gong, ”A Taxonomy for the Security Assessment of IP-Based Building Automation Systems: The Case of Thread”, IEEE Transactions on Industrial Informatics, Vol. 14, No. 9, pp. 4113-4123, 2018.

[3] Y. Liu, K. Hassan, M. Karlsson, O. Weister, S. Gong, ”Active Plant Wall for Green ­Indoor Climate Based on Cloud and ­Internet of Things”, IEEE Access, DOI: 10.1109/ACCESS.2018.2847440, 2018.