Introduction to the IoT (Internet of Things)

Introduction to IoT (Internet of Things)

Internet of Things (IoT) एक rapidly developing technology है जो various devices और objects को internet के through से आपस में connect और communication करने की permission देता है।

Place to learn IoT in Kanpur :- Sagar Prashikshan Sansthan

History of IoT (Internet of Things)

IoT का concept late 20th century में था, लेकिन यह 21th century की start में wireless technologies, sensors और internet की widespread adoption के साथ significant strength gain किया।

1. The Origins (1980s–1990s):

The term “Internet of Things” was coined by Kevin Ashton in 1999 while working at Procter & Gamble. उन्होंने एक ऐसी system की imagination की जहां physical object internet से connect हों और एक-दूसरे के साथ conversation कर सकें। इस duration के दौरान, IoT के लिए basic technologies जैसे Radio-Frequency Identification (RFID) tag, wireless sensor network और embedded system advanced  किए गए।

2. Early Development (2000s):

Early 2000s  में, “Internet of Things” शब्द popular हुआ, और researchers और companies ने इसके potential applications को trace करना start कर दिया।

IPv6 की शुरुआत, जिसमें एक बहुत बड़ा space था, जिसने अरबों devices को unique IP addresses assigning करने की Probability को capable किया।

Bluetooth, Wi-Fi, cellular network, wireless technologies का Spreading, devices, connectivity and convenience बनाया।

3. Rise of IoT (2010s):

IoT market 2010s के early में momentum gain करना शुरू हुआ, driven by affordable sensors, better connectivity, and the rise of cloud computing and big data analytics.

Cisco, IBM, Intel और Google जैसी Major tech companies ने IoT Initiatives में heavy investment किया और platform और solutions को develop किया।

4. IoT Expansion (2020s):

health care, agriculture, transportation and smart cities, including different areas of IoT को adoption.

5G network, low-power wide-area network (LPWAN) और edge computing के develop ने और more efficient और Reliable IoT deployment को able किया है।

IoT security, confidentiality, interoperability challenges, standards, best practices, development, medium and addressed किया जा रहा है।

Artificial intelligence (AI), machine learning, blockchain, and Other emerging technologies के साथ IoT के integration से new use cases और applications को able किया जा रहा है।

Characteristics of Devices and Applications in IoT Ecosystem

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SENSORS 

Sensor किसी भी IoT device की front-end unit हैं। उनका main work environment से data collect करना और उसे database या processing system पर forwarded करना है।

Processor

Processors IoT system का brain होते हैं, जिनका main work sensor द्वारा collect किए गए data को processed करना और उन्हें कुछ meaningful information में convert करना या cloud पर transmit करना है।

Gateways

Gateway का main work, network के through से processed data को appropriate database या network storage (cloud) में transfer करना है

Application 

Applications को IoT system का end point माना जाता है। Application users को data को view, understand और analyses करने के लिए एक interface provide करता है।

Various Technologies making up IoT ecosystem IoT

IoT ecosystem system को developed करने में various technology का उपयोग किया जाता है, कुछ major technologies इस प्रकार हैं।

1. Wireless sensors network
2. Cloud computing 
3. Big data analytics
4. Embedded systems 
5. Communication protocol 

Wireless Sensors Network 

Wireless sensors, distributed independent sensors devices का एक wireless network है जिसका उपयोग physical या environmental conditions की monitor के लिए किया जाता है।

Cloud Computing

Cloud computing  internet पर services के रूप में computing resources की on-demand Availability है। Cloud computing mainly तीन type के होते हैं |

1. SAAS: Software as a service. (Software rent पर ले सकते हैं|) 
2. IAAS: Infrastructure as a service. (Processor या Host rent पर ले सकते हैं|) 
3. PASS: Platform as a service. (OS rent पर ले सकते हैं|)

Big Data Analytics

Big Data का mean, structured और unstructured data का एक large set (Petabytes or gigabytes) और उन data का analysis करके problems की prediction करना और उनके होने से पहले ही उन्हें fixed करना।

Embedded System

एक embedded system एक computer system है जिसमें एक processor, memory और I/O और peripheral device का combination होता है। यह hardware और software दोनों का combination है।

Ex:- Switches, Routers, Modems, Phones etc..

Communication Protocol

IoT में कई communication protocol और technologies use की जाती हैं। कुछ प्रमुख IoT technologies और protocol like, Bluetooth, Wi-Fi, Radio protocol, LTE-A हैं जिनका use IoT devices के बीच communication established करने के लिए किया जाता है।

Some Common Communication Protocols Used in IoT

CoAP ( Constrained Application Protocol)

• Characteristics:- 
  1. छोटे aera के लिए इस protocol का use किया जाता हैं |
  2. Constrained devices and networks के लिए design किया गया हैं |
  3. Restful architecture
  4. Low power consumption
  5. UDP-  based
• Use of CoAP
  1. Smart cities 

HTTP / HTTPS

• CHARACTERISTICS:-
  1. Web communication के लिए widely used किया जाता हैं |
  2. Stateful or stateless communication
  3. HTTPS का use करके secure रहा जा सकता है
• Use cases
  1. Web-based IoT applications.
  2. Cloud-based IoT services.

DDS ( Data Distribution Service )

• Characteristics 
  1. Real-time data exchange.
  2. Publish/subscribe model.
  3. Real-time की requirements वाली complex systems के लिए suitable हैं ।
• Use cases:-
  1. Industrial automation.
  2. Healthcare systems.

IoT System Consists Of The Following Components

1. Device
2. Resources
3. Controller service
4. Database
5. Web service
6. Analysis component
7. application

Device 

एक IoT device की identification, remote sensing और remote monitoring capabilities की permission देता है।

Resources 

• IOT device पर software components के लिए
  1. Accessing, processing, and storing sensor information.
  2. device से connected actuators को control करना।
  3. device के लिए network access enable करना।

Controller Service

1. Controller service एक basic service है जो device पर चलती है और web service के साथ interact करती है।
2. यह device से data को web service पर send करता है और device को control करने के लिए application (web services के माध्यम से) से command receive करता है।

Database 

Database, या तो local या cloud में हो सकता है और IoT device द्वारा generate data को store करता है।

Web Service

1. Web service IoT device, application, database और analysis components के बीच एक link के रूप में work करता है।
2. इसे HTTP और REST principle (rest service) का उपयोग करके या WebSocket (WebSocket service) का उपयोग करके implemented किया जा सकता है।

Analysis Component

Analysis component IoT data का analysis करने और ऐसे रूप में result generate करने के लिए responsible है जिसे users के लिए understand करना आसान हो।

Application 

• IoT application एक interface provide करते हैं जिसे users कर सकते है:-
  1. IoT system के various side को control और monitor करना।
  2. Application, users को system status और processed data देखने की भी permission देते हैं।

IoT Levels

IoT system में use किए जाने वाले monitoring nodes की संख्या, database के type, complexity of analysis/Simplicity और Calculation के base पर IoT को 6 level में divide किया गया है। IoT level के base पर different application developed किए जाते हैं।

IoT Level 1

1. Level 1 के IoT system काफी normal होती हैं, जो एक user की problem को solve करने के लिए बनाया जाता हैं |
2. इसमे sensing, monitoring, actuating, data store करने, analyzing करने and application host करने के लिए single node/ device होता हैं |
3. इसमे data large involved नही होता हैं, जिसके वजह से data को local database में store किया जाता हैं |
4. Primary analysis की requirement computationally रूप से intensive नहीं है, इसलिए analysis local level पर हो सकता है।
5. Level-1 IoT low-cost and low-complexity के लिए  suitable modelling हैं |
6. Ex:- Home Automation system

IoT Level 2

1. IoT level 2 में sensing, monitoring, actuating, performing analysis and hosting के लिए एक single node/device होता हैं |
2. इसमे large data involved होता हैं | इसलिए data को cloud में store करते हैं |
3. इसमे data को show करने के लिए cloud based application को use किया जाता हैं |
4. Primary analysis की requirement computationally रूप से intensive नहीं है, इसलिए analysis local level पर हो सकता है।
5. Ex:- Smart Irrigation

IoT Level 3

1. IoT level 3 में sensing, monitoring, actuating, performing analysis and hosting के लिए एक single node/device होता हैं |
2. इसमे large data involved होता हैं | इसलिए data को cloud में store करते हैं |
3. इसमे data को show करने के लिए cloud based application को use किया जाता हैं |
4. Primary analysis की requirement computationally रूप से intensive है, इसलिए cloud में collect किया जाता है और analysis किया जाता है।
5. Ex:- Tracking Package Handling

IoT Level 4

1. इसमे  sensing, monitoring, actuating, performing analysis and hosting के लिए multiple node/device होता हैं |
2. इसमे large data involved होता हैं, इसलिए data को cloud में store करते हैं, Data को visualize करने के लिए |
3. Primary analysis की requirement computationally रूप से intensive है, इसलिए cloud में collect किया जाता है और analysis किया जाता है।
4. इसमे दो observer nodes होता हैं | Local and cloud-based, जो cloud में IoT device की सदस्यता(subscribe) ले सकता है और उनसे information receive कर सकता है |
5. Node के through data को analyze करते है और इस  information को different ways में use कर सकते हैं |
6. Observation node कोई control function नहीं करता है।
7. Ex:- noise monitoring, sound sensor.

IoT Level 5

1. level 5 IoT system में multiple end nodes and one coordinator node होता हैं |
2. इसमे  large data involved होता हैं, इसलिए  data को cloud में store करते हैं |
3. coordinator node data को end nodes से collect करता है और उस data को cloud में send करता हैं |
4. Data को cloud में stored और analysis किया जाता है और application cloud-based होता  है।
5. level-5 IoT system wireless network sensor पर based solutions के लिए suitable हैं, जिसमें involve data large है और analysis की requirement computationally रूप से intensive है,
6. Ex:- forest fire detection

IoT Level 6

1. Level-6 IoT system में multiple independent end nodes होते हैं जो sensing करते हैं |
2. Data को cloud में stored और application cloud-based होता  है।
3. Analytics component, data का analysis करता है और result को cloud database में store करता है।
4. Result cloud based application के साथ देखे जाते हैं।
5. centralized controller सभी end nodes की स्थिति से aware होता है और nodes को control command send करता है।
6. Ex:- weather monitoring and structural health monitoring.

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INTRODUCTION TO IOT DESIGN METHODOLOGY

IoT systems को design करना एक complex और challenging task हो सकता है क्योंकि इन system में various components के बीच Interaction involve होती है। each component के लिए choices की एक wide range available है। IoT designers normally specific products को ध्यान में रखते हुए system design करते हैं।

IoT design methodology that includes:-

1. Purpose & Requirements
2. Process specification
3. Domain model specification
4. Information model specification
5. Service specification
6. IoT level specification
7. Functional view specification
8. Operational view specification
9. Device & component Integration
10. Application development

Purpose and requirements specification

First step के purpose और requirements को define करना है।

1. Data collection requirements
2. Data analysis requirements
3. System management requirements
4. Security requirements
5. User interface requirements

Process specification

इसमे किसी को IoT system के requirement के according use cases को define करते हैं |

Information model specification

Information model IoT system में सभी information की structure को define करता है। यह describe नहीं करता कि information कैसे store और represent की जाती है।

Domain model specification

Domain, model को define करता हैं | Domain model concept, entities, object, attribute of object को define करता हैं | Domain model के साथ , IoT system designers उस domain को समझ सकता हैं, जिसके लिए system design किया जायेगा |

IoT Level specification

Requirements के base पर हम IoT application deployment level का choose करेंगे।

Functional view specification

IoT system के functional को define करता हैं | Various functional group को grouped करता हैं |

Service specification

Service model मे service को define करते हैं |

1. Service in the IoT system
2. Service type
3. Service I/O
4. Service endpoints
5. Service schedules
6. Service preconditions
7. Service effects

Operational view specification 

 इस model में IoT system के deployment और operation से related option को define करता हैं |

1. Service hosting options
2. Storage options
3. Device options
4. Application hosting options

Device and component integration

इस model मे IoT system के device को किस तरह से connect किय जयेगा उसको define करते हैं |

Like:- sensors, computing devices etc

Application development

इस model में IoT system के application को developed किय जाता हैं |

THE PHYSICAL DESIGN/ LOGICAL DESIGN OF IoT

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PHYSICAL DESIGN OF THE INTERNET OF THINGS

Physical design IoT system में उन device और Protocol को define किया जाता हैं जिनका use IoT system को build करने के लिए किया जाता हैं |

PHYSICAL DESIGN OF THE INTERNET OF THINGS

IoT system में logical design किसी भी particular function को complete करने के लिए उसमे लगने वाले components arranged करता है और एक actual design देता हैं |

1. IoT logical design includes
2. IoT functional blocks
3. IoT communications models
4. IoT communications APIs

IOT FUNCTIONAL BLOCKS

एक IoT system में equipment, service, communication, security और applications जैसे several functional blocks होते हैं जो  sensing, functionality, identification, communication और management capabilities provide करते हैं।

APPLICATION:- यह एक interface होता हैं | जो user को एक control provide करता हैं, जिसके help से work का status और उसका analysis कर सकते हैं |

MANAGEMENT:- यह system various function को manage करता हैं |

SERVICE:- ये system, monitoring, controlling publishing, deleting data, restore की service provide करता हैं |

COMMUNICATION:- यह system client और cloud-based server के बीच communication को handles करता हैं  और data transmit करता हैं Protocol के through.

SECURITY:- यह system IoT system को secure करता हैं, कुछ certain function के help से like:- data protecting authentication, authorization, 2 step verification etc.

IoT COMMUNICATIONS MODELS

System और server के बीच communications के लिये use किया जाता हैं |

• Request- Response Communication model
• Publish – subscribe communication model
• Push- Pull communication model
• Exclusive- Pair

NOTE:- request- response is stateless communication but exclusive-pair is state communication. इसके अलावा dono client- server होता हैं |

DEVELOPMENT TOOLS USED IN IoT

IoT system create करने के लिए जो hardware और software चाहिए, उसके लिए कई company हैं जो IoT developers को H/S प्रदान करते हैं 

1. ARDUINO
2. M2M LABS MAINSPRING
3. HOME ASSISTANT
4. DEVICE HUB
5. OPEN SCADA
6. TESSEL 2
7. FLUTTER
8. KINOMA

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