T04 – Internet vecí
Vlastnosti
| okruh | TČOZ |
| stav | vypracované |
INTERNET VECÍ – architektúra, hardvér, komponenty, programátorské rozhranie, softvér IoT, Ohmov zákon, Kirchhofove zákony
Definícia a architektúra internetu vecí
Internet vecí (IoT) prepája fyzické objekty, senzory, akčné členy a softvérové služby cez komunikačné siete. Zariadenie meria stav prostredia, odošle údaj na spracovanie a podľa výsledku môže vykonať akciu. Architektúra sa v praxi delí na vrstvy:
- zariadenie/snímacia vrstva — senzor, akčný člen a mikrokontrolér,
- prístupová sieť — Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth LE, Zigbee, LoRaWAN alebo mobilná sieť,
- brána a edge — preklad protokolov, lokálne filtrovanie a reakcia s malým oneskorením,
- platforma/cloud — príjem správ, databáza, analýza, pravidlá a správa zariadení,
- aplikácia — dashboard, mobilná aplikácia alebo automatizované rozhranie.
Bezpečnosť, identita zariadenia, aktualizácie a správa kľúčov prechádzajú všetkými vrstvami. Nie každé IoT riešenie musí používať cloud; pri citlivých alebo časovo kritických úlohách sa časť spracovania ponechá lokálne.
Hardvér a komponenty
Typické IoT zariadenie obsahuje:
- mikrokontrolér alebo jednodeskový počítač,
- digitálne snímače a analógové snímače s A/D prevodníkom,
- akčné členy, napríklad relé, LED, ventil alebo motor,
- GPIO piny, PWM, komunikačné rozhrania UART, I²C alebo SPI,
- pamäť programu a dát, prípadne RTC hodiny,
- komunikačný modul a anténu,
- napájanie, menič, batériu a obvod na úsporný režim,
- puzdro a ochranu pred prostredím.
Pri voľbe hardvéru sa posudzuje spotreba, dosah, priepustnosť, latencia, presnosť merania, rozsah teplôt a možnosť aktualizácie firmvéru.
Programátorské rozhranie a softvér IoT
Na úrovni mikrokontroléra je programátorské rozhranie API alebo knižnica, ktorá poskytuje funkcie na čítanie GPIO/ADC, zápis PWM, komunikáciu a časovanie. Na úrovni siete ide o aplikačné API, napríklad REST/HTTP alebo publikovanie a odber správ cez MQTT. MQTT používa brokera a témy, čo je vhodné pre malé správy a prerušované pripojenie.
Softvérový zásobník tvoria:
- bootloader a firmware s inicializáciou a hlavnou slučkou,
- ovládače snímačov a komunikačného modulu,
- protokolová vrstva a autentifikácia,
- gateway/broker a služba na ukladanie časových radov,
- dashboard, pravidlá automatizácie a logovanie,
- bezpečné OTA aktualizácie.
Príklad logiky je: zmerať teplotu každých 10 sekúnd, hodnotu overiť proti rozsahu, publikovať ju na dom/izba/teplota a pri prekročení limitu zapnúť ventilátor. Do správ sa nemajú ukladať heslá ani tajné kľúče v otvorenom tvare.
Ohmov zákon a výkon
Pre rezistor platí
U = R·I, I = U/R, R = U/I.
Výkon možno vypočítať ako P = U·I = I²R = U²/R. Ak je LED napájaná z 5 V, má úbytok 2 V a požadovaný prúd 10 mA, sériový rezistor je približne
R = (5 - 2)/0,01 = 300 Ω.
Zvolí sa najbližšia vhodná normalizovaná hodnota a overí sa jeho výkonové zaťaženie. V IoT je výpočet dôležitý aj pre dimenzovanie batérie a regulátora.
Kirchhoffove zákony
Prvý Kirchhoffov zákon pre uzol vyjadruje zachovanie náboja: súčet prúdov vtekajúcich do uzla sa rovná súčtu prúdov vytekajúcich. Algebraicky ΣI = 0.
Druhý Kirchhoffov zákon pre uzavretú slučku vyjadruje súčet napätí: ΣU = 0, teda zdrojové napätie sa rovná súčtu úbytkov na prvkoch. Pomocou oboch zákonov možno vypočítať prúdy v rozvetvenom obvode a skontrolovať, či elektrická časť zariadenia neprekračuje limity.
Platformy a komunikačné technológie
| Platforma | Čo to je | Typické použitie |
|---|---|---|
| Arduino (Uno, Nano) | mikrokontrolér bez OS, program v C/C++ | snímače, riadenie motorov, výuka |
| ESP32 / ESP8266 | mikrokontrolér s Wi-Fi (ESP32 aj Bluetooth) | lacné sieťové IoT zariadenia |
| Raspberry Pi | jednodoskový počítač s Linuxom | brána, server, kamera, dashboard |
| Technológia | Dosah | Spotreba | Rýchlosť | Použitie |
|---|---|---|---|---|
| Wi-Fi | desiatky m | vysoká | vysoká | domáce zariadenia, kamery |
| Bluetooth LE | ~10 m | veľmi nízka | nízka | nositeľná elektronika |
| Zigbee | ~10–100 m, sieť mesh | nízka | nízka | inteligentná domácnosť |
| LoRaWAN | km | veľmi nízka | veľmi nízka | poľnohospodárstvo, odpočty |
| NB-IoT / LTE-M | km (mobilná sieť) | nízka | nízka | merače, sledovanie |
MQTT funguje na princípe publish/subscribe: zariadenie publikuje správu
do témy (dom/izba/teplota), broker (napr. Mosquitto) ju doručí všetkým
odberateľom tej témy. Štandardný port je 1883, so šifrovaním TLS 8883.
Príklad programu (Arduino)
const int SENZOR = A0; // analógový snímač teploty
const int VENTILATOR = 7; // relé ventilátora
void setup() {
pinMode(VENTILATOR, OUTPUT);
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
int hodnota = analogRead(SENZOR); // 0 až 1023
float napatie = hodnota * 5.0 / 1023.0;
float teplota = napatie * 100.0; // LM35: 10 mV/°C
Serial.println(teplota);
digitalWrite(VENTILATOR, teplota > 30 ? HIGH : LOW);
delay(1000);
}
setup() sa vykoná raz po štarte, loop() sa opakuje stále dokola.
Delič napätia
U_výst = U_vst · R2 / (R1 + R2)
Pri 5 V a R1 = R2 = 10 kΩ je na výstupe 2,5 V. Takto sa pripája
napr. fotorezistor alebo termistor k analógovému vstupu. Pull-up rezistor
(napr. 10 kΩ k napájaniu) drží vstup tlačidla v definovanom stave 1, kým
tlačidlo nie je stlačené.
Riešený príklad – Kirchhoffove zákony
Zdroj 12 V, R1 = 100 Ω v sérii s paralelnou dvojicou R2 = R3 = 200 Ω.
R23 = (200 · 200) / (200 + 200) = 100 ΩR = R1 + R23 = 200 Ω,I = 12 / 200 = 0,06 A = 60 mAU1 = 100 · 0,06 = 6 V,U23 = 100 · 0,06 = 6 VI2 = I3 = 6 / 200 = 30 mA
Kontrola: 1. KZ v uzle 60 mA = 30 mA + 30 mA, 2. KZ v slučke
12 V = 6 V + 6 V.
Výdrž batérie
t = kapacita / priemerný prúd. Batéria 2000 mAh pri priemernom odbere
20 mA vydrží asi 100 h. Preto IoT zariadenia väčšinu času spia
(deep sleep, odber v µA) a prebudia sa len na meranie a odoslanie.
Krátka ústna odpoveď
IoT spája senzory, mikrokontrolér, komunikačnú sieť, bránu alebo cloud a používateľskú aplikáciu. Hardvér tvoria snímače, akčné členy, GPIO/ADC/PWM, pamäť, komunikácia a napájanie; softvér tvorí firmware, API, MQTT/HTTP, broker, databáza a dashboard. Pri návrhu používam Ohmov zákon a výkonové vzťahy a pri zložitejších obvodoch Kirchhoffove zákony. Dôležitá je aj autentifikácia, šifrovanie a bezpečná aktualizácia.
Hardvér Arduina obsahuje mikrokontrolér, digitálne a analógové piny, napájanie a rozhrania UART/I2C/SPI. API je rozhranie, cez ktoré aplikácie komunikujú; IoT softvér spracúva dáta, vizualizuje ich a riadi zariadenie. Pri návrhu treba riešiť aktualizácie, silné heslá, šifrovanie a minimálne oprávnenia.
Ohmov zákon: U = R·I. Kirchhoffov prúdový zákon: súčet prúdov do uzla je nulový; napäťový zákon: algebraický súčet napätí v slučke je nulový.
Kontrolné otázky
Opíš vrstvy architektúry IoT.
Zariadenie (senzory, akčné členy, MCU) → prístupová sieť (Wi-Fi, BLE, Zigbee, LoRaWAN) → brána/edge → platforma/cloud (databáza, analýza) → aplikácia (dashboard). Bezpečnosť prechádza všetkými.
Aký je rozdiel medzi Arduinom a Raspberry Pi?
Arduino je mikrokontrolér bez OS, ktorý vykonáva jeden program. Raspberry Pi je počítač s Linuxom, zvládne viac úloh naraz a sieťové služby.
Ako funguje MQTT?
Publish/subscribe: klient publikuje správu do témy, broker ju pošle odberateľom. Je úsporný, vhodný pre malé správy a nestabilné pripojenie.
Vypočítaj rezistor pre LED (5 V, úbytok 2 V, 10 mA).
R = (5 − 2) / 0,01 = 300 Ω, zvolím najbližšiu vyššiu normalizovanú hodnotu (330 Ω).
Vyslov oba Kirchhoffove zákony.
- KZ: súčet prúdov vtekajúcich do uzla = súčet vytekajúcich (
ΣI = 0). - KZ: v uzavretej slučke je súčet napätí nulový, napätie zdroja = súčet úbytkov.
Na čo slúžia rozhrania GPIO, ADC, PWM, I²C, SPI a UART?
GPIO – digitálne vstupy/výstupy; ADC – meranie analógového napätia; PWM – regulácia výkonu; I²C, SPI, UART – sériová komunikácia so snímačmi a modulmi.
Aké bezpečnostné riziká má IoT a ako sa im bráni?
Predvolené heslá, nešifrovaná komunikácia, neaktualizovaný firmvér. Obrana: vlastné silné heslá, TLS, bezpečné OTA aktualizácie, oddelená sieť (VLAN) pre IoT, minimálne oprávnenia.