Senzory, aktory, protokoly

Role senzorů, aktorů a komunikace v IoT

Internet věcí (IoT) propojuje fyzický svět s digitálním za účelem měření, řízení a automatizace. Senzory převádějí fyzikální veličiny na digitální signál, aktory vykonávají akce v reálném světě a komunikační protokoly zajišťují spolehlivý a bezpečný přenos dat mezi zařízeními, bránami a cloudem. Klíčovými návrhovými cíli jsou přesnost, latence, energetická náročnost, bezpečnost, škálovatelnost a interoperabilita napříč heterogenními technologiemi a dodavateli.

Klasifikace senzorů: fyzikální principy a rozhraní

• Environmentální: teplota (RTD, termočlánek), vlhkost (kapacitní), tlak (piezo-rezistivní), plyn (MOS, elektrochemické), světlo (fotodioda), UV/IR, hluk.
• Pohyb a poloha: akcelerometr, gyroskop, magnetometr (IMU), odometrie, GNSS; proximity/ToF (VL53Lx), ultrazvuk, radar/FMCW, UWB.
• Pro průmysl: průtok (turbínkové, Coriolis), hladina (ultrazvuk, kapacitní), vibrace (piezo), proud/napětí (Hall, shunt), teplota povrchu (IR).
• Biosenzory: fotopletysmografie (PPG), EKG, galvanická reakce kůže, teplota kůže; specifické certifikace (MDR/IVDR).

Elektrická rozhraní: analog (např. 4–20 mA, 0–10 V), digitální (I²C, SPI, 1-Wire), pulzní (PWM, frekvenční výstup), sběrnicové (RS-485/Modbus RTU, CAN). Signálové úpravy: filtrace (RC/Butterworth), anti-aliasing, chopper zesílení, teplotní kompenzace, kalibrace (offset/scale/lineárizace), synchronní vzorkování.

Aktory: typy, napájení a bezpečnost

• Spínací a výkonové: relé (mechanická izolace), SSR, MOSFET/IGBT H-bridge pro DC motory, TRIAC pro AC zátěže.
• Lineární a rotační pohon: serva (PWM), krokové motory (mikrokrokování), solenoidy, pneumatické/elektrické ventily.
• Procesní: HVAC klapky, čerpadla, dávkovače, regulátory otáček (VFD), osvětlení (DALI, 0–10 V, PWM), žaluzie.

Bezpečnost a EMC: galvanické oddělení (optoprvky, transformátor), ochrany (transily, pojistky), snubber RC, diody proti indukční špičce, SELV a IP krytí. Funkční bezpečnost: SIL/PL, bezpečný stav při chybě (fail-safe), watchdog a „dead-man switch“.

Topologie sítí a vrstvy IoT

• Topologie: hvězda (LoRaWAN, Wi-Fi), strom (Zigbee/Thread), mesh (BLE Mesh, Thread), point-to-point (UWB, RS-485).
• Vrstvy: sensing/actuation → edge (MCU/SoC) → brána (gateway) → core/cloud → aplikace a analýza.
• Edge vzory: store-and-forward, local closed loop (řízení v bráně), stream processing, digital twin.

Bezdrátové protokoly krátkého dosahu

• BLE / BLE Mesh: nízká spotřeba, profil GATT, broadcast (beacony), mesh pro světla/senzoriku; datové rámce malé, latence nízká.
• Zigbee: 2,4 GHz/868 MHz, mesh, profily pro domácí/průmysl; vhodné pro senzory/aktory s nízkou Throughput.
• Thread: IPv6 přes 6LoWPAN v mesh, bezpečnost s DTLS; základ Matter ekosystému.
• Wi-Fi (2,4/5/6 GHz): vysoká propustnost, vyšší spotřeba; vhodné pro kameru/OTA, méně pro bateriová čidla.
• UWB: přesné měření vzdálenosti/RTLS (10–30 cm), krátký dosah, nízký duty-cycle.
• NFC/RFID: blízká pole, identifikace, pasivní tagy, inventarizace.

LPWAN a mobilní sítě

• LoRaWAN: volné pásmo, spreading factor SF7–SF12, dlouhý dosah, nízký bitrate; ADR, třídy A/B/C; ideální pro bateriová měřidla.
• Sigfox: ultra-narrow band, omezený počet zpráv/den, jednoduchý stack; focus na velmi malá data.
• NB-IoT / LTE-M: licencované pásmo, celoplošné pokrytí, lepší SLA, PSM/eDRX pro úsporu energie; vhodné pro AMI, sledování majetku.
• 5G (URLLC/mMTC): nízká latence, masivní počet zařízení, network slicing; průmyslové privátní sítě (campus).

Drátové průmyslové sběrnice

• RS-485/Modbus RTU: robustní, dlouhé trasy, master-slave; běžné v HVAC a měření.
• CAN/CANopen: determinismus, odolnost, SAE/ISO v automotive a strojích.
• Ethernet-IP/Profinet/EtherCAT: realtime průmyslový Ethernet; časové požadavky řízení.
• OPC UA: informační modely, bezpečné publish/subscribe; bridging OT↔IT.

Transportní protokoly aplikační vrstvy

• MQTT/MQTT-SN: publish/subscribe, QoS 0/1/2, retained, last-will; ideální pro telemetrii a ovládání.
• CoAP: REST-like nad UDP, DTLS, observe pro notifikace; CBOR/EXI pro kompaktní payload.
• HTTP/REST, WebSocket: interoperabilita, snadná integrace; vyšší režie než CoAP/MQTT.
• AMQP: enterprise messaging, směrování, transakce; těžší klienti.
• SPB (Sparkplug B): profil MQTT s definovaným topic space a state managementem pro průmysl.

Formáty zpráv a schémata

• JSON: čitelnost, vyšší overhead.
• CBOR/MessagePack: binární, kompaktní pro constrained zařízení.
• Avro/Protobuf: schémata, evoluce, validace; vhodné pro brány a cloud.

// Příklad minimalistického telemetry payloadu (CBOR map → JSON ekvivalent) {"ts": 1730131200, "dev":"mtr-0421", "t": 22.6, "rh": 0.48, "vbat": 3.71}

Synchronizace času a determinismus

• NTP/SNTP: sekundová přesnost pro běžnou telemetrii.
• IEEE 1588 PTP: sub-mikrosekundová přesnost pro průmyslové řízení a časové značky měření energie.
• Time-in-payload: timestamp na zdroji pro správné seřazení při store-and-forward.

Energetická efektivita zařízení

• Power budget: duty-cycle, spánkové módy (deep sleep), wake-on-event (interrupt), batchování telemetrie.
• Adaptive data rate: LoRaWAN ADR, LTE eDRX/PSM; výběr nejnižšího Tx výkonu a SF.
• Energy harvesting: solární, piezo, tepelný gradient; superkapacitory, nízkoztrátové DC-DC.

Spolehlivost a robustnost komunikace

• QoS a potvrzování: mapování byznys událostí na QoS 0/1/2 (MQTT) nebo Confirmable (CoAP).
• Store-and-forward: vyrovnávací paměť v zařízení/bráně, deduplikace na serveru, idempotentní zpracování.
• Back-off a retry: exponenciální back-off, jitter, okna přenosu pro regulované pásmo.
• FEC a redundantní cesty: rozmanitost linek (celulární + LoRaWAN), FEC na PHY (LoRa), hot-standby brány.

Edge computing a lokální inteligence

• Předzpracování: filtrace šumu, downsampling, komprese (LZ4, delta), detekce anomálií (EWMA, STL).
• ML na okraji: TinyML (TensorFlow Lite Micro), klasifikace vibrací, rozpoznání zvuku; model drift & aktualizace OTA.
• Closed-loop řízení: nízká latence, fallback při výpadku cloudu, bezpečnostní limity v lokální logice.

Řízení zařízení a OTA

• Device management: LwM2M (bootstrap, objekty, telemetry), MQTT-based management (twin/shadow), příkazy s potvrzováním.
• OTA update: A/B banky firmware, podpis (Ed25519/ECDSA), delta update (BSDiff), rollback při chybě.
• Konfigurace: verze, audit trail, transakční aplikace změn (commit/abort), šifrované parametry.

Bezpečnost: od křemíku po cloud

• Kořen důvěry: Secure Element/TPM/TEE, unikátní klíče, secure boot, ochrana debug portů (JTAG lock).
• Šifrování a autentizace: TLS/DTLS (ECDHE-ECDSA), PSK jen pro constrained uzly s rotací; vzájemná autentizace (mTLS), certifikáty s krátkou životností.
• Autorizace: jemnozrnná (topic-level ACL u MQTT), politika nejmenších oprávnění, tokeny (OAuth2 mTLS, PoP).
• Integrita a non-repudiation: podpisy zpráv, časové razítkování, replay ochrana (nonce, okna).
• Bezpečné aktualizace: SBOM, CVE monitoring, politiky odvolání certifikátů (CRL/OCSP), roll-out po vlnách.

Interoperabilita a standardy ekosystémů

• Matter: sjednocený aplikační standard pro domácí IoT nad Thread/Wi-Fi, modely zařízení (clusters), bezpečné přidávání.
• OPC UA + PubSub: průmyslové modelování a interoperabilita s IT; mapování na MQTT/AMQP.
• Datové modely: semantické modelování (Digital Twin Definition Language, W3C WoT Thing Descriptions).

Návrhové vzory brán a integrací

• Protokolový překlad: Modbus→MQTT, OPC UA→AMQP; konsolidace do jednotného topic space.
• Edge API: lokální REST/GraphQL pro servis a diagnostiku, s mTLS a rolemi.
• Buffering a prioritizace: oddělení telemetrie, alertů a OTA kanálů; QoS mapování a škatulkování do front.

Datová kvalita, telemetrie a SLA

• Metadata: kvalita měření (QoI), jednotky (SI), přesnost a rozlišení, kalibrační konstanta, faktor umístění senzoru.
• SLA metriky: dostupnost linky, ztrátovost zpráv, P95 latence od události k ingestu, drift hodin.
• Observabilita: health-check, heartbeat, měření RSSI/SNR, BER, baterie/SoC, počet retry, diagnostické logy s rate-limit.

Tabulka: volba komunikační technologie podle požadavků

Požadavek	Preferovaná technologie	Poznámka
Ultra nízká spotřeba, 1–4 zprávy/den	LoRaWAN (tř. A), Sigfox	Dlouhá výdrž na baterii
Celoplošné pokrytí, SLA operátora	NB-IoT, LTE-M	PSM/eDRX, SMS fallback
Vysoká propustnost (video, OTA)	Wi-Fi, 5G	Napájené uzly
Deterministické řízení	EtherCAT/Profinet, PTP	Realtimové sítě
Interoperabilita v domácnosti	Thread + Matter	IPv6 mesh, bezpečné párování
Přesná lokalizace uvnitř	UWB	RTLS, TDoA/ToF

Kalibrace, přesnost a dlouhodobá stabilita

• Kalibrační model: vícobodová, teplotní závislost, stárnutí; uložení koeficientů v zabezpečené paměti.
• Autodiagnostika: detekce zkrat/rozpojení, saturace, self-test IMU, watchdog.
• Rekondice senzorů: MOS plynové – burn-in a cyklování; optické – čistota optické cesty.

Ukázkové MQTT topic space a QoS

# Telemetrie (QoS 1, retained=false) site/plant1/dev/mtr-0421/telemetry # Stavy zařízení (QoS 1, retained=true) site/plant1/dev/mtr-0421/state # Příkazy (QoS 1, request/response) site/plant1/dev/mtr-0421/cmd site/plant1/dev/mtr-0421/cmd/ack

Testování, certifikace a compliance

• RF a EMC: pre-scan, komora, odolnost; regionální normy (RED/FCC/IC), SAR pro wearables.
• Bezpečnost: pen-test, fuzzing protokolů, hardening OTA; bezpečnostní požadavky (IEC 62443 v průmyslu).
• Životní cyklus: HALT/HASS, teplotní cykly, vlhkost, vibrace; MTBF odhad, prediktivní údržba.

Typické vzory chyb a prevence

• Payload bloat → používat CBOR/Protobuf, deduplikovat metadata, delta-kódování.
• Battery drain kvůli častému „keep-alive“ → prodloužit intervaly, využít QoS 1 bez zbytečných opakování.
• Nespolehlivý čas → timestamp na zdroji, PTP/NTP, monotónní hodinový čítač pro pořadí.
• Vendor lock-in → otevřené protokoly (MQTT/CoAP, OPC UA), semantické modely (DTDL, WoT), Matter/OPC UA profily.

Checklist návrháře IoT

• Je zvolen správný senzor/aktor (rozsah, přesnost, teplotní drift, životnost)?
• Je definována komunikační strategie (protokol, QoS, latence, SLA, roaming/pokrytí)?
• Má zařízení energetický rozpočet s rezervou a duty-cycle optimalizací?
• Jsou bezpečnostní kořeny (secure boot, klíče, mTLS) implementovány od výroby?
• Existuje device management (inventář, OTA, konfigurace, audit)?
• Je připravena observabilita (heartbeat, metriky linky, logy) a runbook incidentů?
• Sedí interoperabilita na cílový ekosystém (Matter, OPC UA, Sparkplug B)?

Závěr

Úspěšný IoT systém vzniká vyvážením kvalitního snímání, bezpečného a efektivního ovládání a odolné komunikace. Volba protokolu a topologie musí odrážet latenci, energetické limity, spolehlivost a bezpečnostní požadavky domény. Důsledné standardy (od payloadu po řízení zařízení), silná bezpečnost od křemíku po cloud a provozní observabilita jsou klíčem k dlouhodobě udržitelným, škálovatelným a interoperabilním nasazením.