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Internet of things applications covering industrial domain

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Internet of things (IOT) applications covering industrial domain was presented at World congress on Industrial Automation on July 22 '15. This presentation provides an overview of IOT and industrial IOT including protocols, system architecture, industrial IOT key differences, industrial IOT system architecture and requirements, architectural components such as operational technology(OT) and informational technology components (IT), Edge processing device hardware and software.

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Internet of things applications covering industrial domain

  1. 1. Internet of things (IOT) applications  covering industrial domain Dev Bhattacharya dev_bhattacharya@ieee.org
  2. 2. Outline  • Internet of things  • IOT Protocols • Industrial Internet of things – Operational Technology – Information Technology • Conclusion 7/22/2015 2
  3. 3. What is Internet of Things(IoT)? • New services by integrating with everyday objects  – Objects are globally accessible from the Internet • Embedded system device  – Processing subsystem with full network connectivity – Run the application on the device • In contrast, “Things” are resource constrained  – Energy, data throughput, computing and connectivity  – The IOT application need not run on the device • Runs as a web application on the cloud  • Runs in the cloud connected dedicated server 7/22/2015 3
  4. 4. Simplified IoT System Architecture Data Analytics smartphone Internet cloud Cloud server Full Capability IoT IoT Network Constrained  Capability IoT Constrained  Capability IoT User remote server Internet  gateway Can connect to internet directly or, through an  internet gateway hub 7/22/2015 4
  5. 5. Multiple Protocols of IoT • Higher layer protocols  – Application – Transport – Network • Lower layer protocols – Link layer    HTTP/REST, MQTT, COAP, DDS, etc. TCP, UDP IPV6 , IPV6 w 6LOWPAN, etc. Wireless (802.15.4, WiFi, BTLE, etc.) Security Security 7/22/2015 5
  6. 6. MQTT Application layer Protocol • MQTT (Message Queue Telemetry Transport) – Extremely lightweight publish/subscribe messaging  transport.  • Small device,  low bandwidth, intermittent connectivity.  • MQTT is message oriented with message size as small as 2 byte.  Good for small footprint device with intermittent internet  connection such as through a satellite link, primarily for collecting  data and response delay of ~10ms  – A hub‐and‐spoke architecture is natural for MQTT.  • Client Server architecture for data collection. Protocol works on  top of TCP to avoid data loss and provides a simple, reliable  stream.  – The publisher subscriber model allows MQTT clients to  communicate one‐to‐one, one‐to‐many and many‐to‐one. 7/22/2015 6
  7. 7. MQTT architecture diagram Enterprise Concentrator Concentrator Message Broker Billing Maintenance SCADA MQTT Enterprise messaging 7/22/2015 7
  8. 8. COAP Application layer Protocol • Constrained application protocol(COAP) over UDP – Resource constrained with small device memory – Short message for low‐power devices. • COAP with Datagram Transport Layer Security (DTLS) – (DTLS) security on top of UDP to provide transmission  protection(by retransmission and sequence number  within handshake).  – DTLS secures CoAP with features like integrity,  authentication and confidentiality. – can work between device to server and has a  response time of ~10ms. 7/22/2015 8
  9. 9. DDS Application layer Protocol • Data Distribution Service (DDS)  – Direct device‐to‐device “bus” communication with a  relational data model. This is exactly what many high‐ performance devices need to work together as a  single system.  – DDS is a data centric publish and subscribe  technology to address the data distribution  requirements of real time systems  – Real time response of ~0.1ms and good for control  and data distribution between smart devices with  good network connectivity. 7/22/2015 9
  10. 10. DDS architecture diagram Operator human interface Enterprise  Integration Realtime analytics & control Sensors Actuators Databus to access shared space 7/22/2015 10
  11. 11. Lower layer Protocols • WiFi – Integrates Security (WPA2 uses an encryption device which encrypts  the network with a 256 bit key) – Higher cost & power (~100mW) than 802.15.4 or, BT – Data transfer rate 54 Mb/s, Range 100 m • 802.15.4 – 802.15.4  good for sensor related low‐data‐rate applications  – extended‐life low‐power‐consumption uses (~1mW) – Security 128 bit AES – Data transfer rate 250 Kb/s, Range 10 to 100m  • Bluetooth LE  – BTLE has very long battery life with sleep mode and used for  medical sensors (0.1 to 0.5mW) – Security 128 bit AES – Data transfer rate lower than 100 kb/s, Range 50m 7/22/2015 11
  12. 12. What is Industrial Internet of things? • What is industrial internet of things (IIOT) – Existing plant field is connected with sensors, data management,  advanced analytics, decision making, people and automation  – Allows enterprise to control and communicate to field assets • IIOT difference with general class of IOT – Large number of nodes – Controlled latency at various levels of hierarchical data  processing – Keep existing plant field running • What is the benefit – Asset optimization – Process optimization – Business Optimization 7/22/2015 12
  13. 13. Industrial IoT Requirements • Existing manufacturing field industrial I/O devices including  sensors, actuators, analyzers, drives, vision, video, and robotics • Accommodate large number of nodes • Controlled latency at various levels of hierarchical processing • High reliability, high availability, safe & resilience to failure • Provides smarter services (monitoring, alarm management) • Non‐invasive IT integration with Operational technology  – IT is top down designed from business point of view, well defined  – Operational technology is defined bottom up with different vendor  proprietary equipment  – Communication network system that works in presence of internet,  intermittent internet or, independent and connects to edge nodes for  real time processing • High access security and provision • Human interaction 7/22/2015 13
  14. 14. Industrial IoT System Architecture Data Analytics smartphone Cloud server Private cloud Second level of  Edge processing Second level of  Edge processing Cloud server First level of  Edge processing Public cloud First level of  Edge processing First level of  Edge processing First level of  Edge processing Data Analytics IT OT Field Device Field hub sensors motor sensors Industrial hub Industrial  device PLC 7/22/2015 14
  15. 15. IIoT Architectural components • Operational Technology (OT) – Characteristics (Triggered by event, Changing data, low  latency real time) – Use of MQTT, COAP (D2S,~10ms, collect) or, DDS  (D2D,~0.1ms, distribute) – First level of edge processing (low latency) • Real time connectivity with data aggregation, device management,  device security, communication gateway and processing  • Support low latency industrial real time process management and  event generation • Connects actuators, analyzers, drives, vision, video, controllers  and robotics – Second level of edge processing (medium latency) • Supports medium latency industrial process management, alarm  generation, storage 7/22/2015 15
  16. 16. IIoT Architectural components (Contd.) • Informational Technology (IT) – Characteristics (Triggered by query, stored data, high  latency non real time) – Enterprise Data processing  • Integration of data and virtualization of data for further  processing by applications and analytics • Application level protocols processing • Historical data analysis, business decisions and processes 7/22/2015 16
  17. 17. Edge Processing Device Technology • Hardware – Interface for collecting sensor data from in the  industrial field directly or, through a hub • Wired: RS 422/RS485/RS232, Digital Input/output (5 to 48V)  powered • Wireless: Zigbee, Bluetooth, 3G – Interface to next level of edge processing/cloud • Wireless: 3G, WiFI • Wired: Ethernet – Processing module • Microcontroller with MMU, memory, Flash, storage • ADC, DAC • USB, SPI 7/22/2015 17
  18. 18. Edge Processing Device Technology(Contd.) • Software – Operating system: Embedded OS with low latency  TCP/IP – Security  • Open SSL Library, SRM Signing Tool, Certificate  Management, SecureBoot, Application Integrity Monitor, Application Resource  Control, Secure Package management, encrypted storage, application whitelisting,  NSA Suite B algorithms  for public and private key cryptography – Management: OMA DM, TR‐069, Web‐based  configuration interfaces 7/22/2015 18
  19. 19. Conclusion • Progression from IOT to IIOT are covered – Applications, system, architecture and protocols • Following Key questions related to IOT and IIOT are answered – What constitutes an IOT, its architecture and  protocols – What way Industrial IOT is different from general  class of IOT – How OT and IT are combined to create Industrial IOT – What kind of hardware and software technologies  are used in Edge processing device 7/22/2015 19

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