Van idee naar IoT

Deze teleurstelling kun je ook terugvinden in de Gartner Hype Cycle, een grafiek waarop de verwachtingen van nieuwe technologieën worden weergegeven. Reeds sinds 2014 plaatst Gartner Internet-of-Things bovenop hun zogenaamde ‘Peak of Inflated Expectations’, losjes vertaald als het toppunt van overdreven verwachtingen, en dreigen we af te glijden naar nog meer desillusie vooraleer de technologie volwassen wordt. En toch is iedereen nog steeds overtuigd van de vele voordelen die IoT ons gaat brengen. De pessimistische vooruitzichten van Gartner staan dus haaks op de vragen in de markt. Dat vereist verder onderzoek: welke onderdelen van IoT-technologie zijn niet klaar voor een volwassen en schaalbare uitrol en vooral ook, waarom niet?

De Gartner Hype Cycle: van overspannen verwachtingen naar diepe desillusie?

IoT-technologie

Een typisch IoT product bestaat uit de volgende onderdelen:

1. De toestellen zelf (devices), uitgerust met sensoren om data te verzamelen.

2. De communicatietechnologie om deze data (meestal draadloos) door te sturen.

3. De (centrale) business logica en data-analyse.

4. De visualisatie van de (al dan niet verwerkte) data voor de eindgebruikers.

Als we deze vier componenten bekijken, zien we dat er nu al heel wat technologieën en integratoren voorhanden zijn die het mogelijk maken om een IoT product schaalbaar in de markt te zetten.

Op het vlak van visualisatie zijn er technologieën zoals HTML5- en JavaScript-bibliotheken voor web, en Android en iOS voor smartphones en tablets. Hierbij worden al jaren dezelfde frameworks ingezet voor zowel proof-of-concept designs als voor de uitrol van een project.

Om onze honger naar databases en business logica te stillen zijn er tegenwoordig betaalbare oplossingen zoals Microsoft Azure, Amazon web services en het Google Cloud platform. Minder dan tien jaar geleden was dit ondenkbaar, maar nu hebben we met een druk op de knop toegang tot quasi oneindige opslag en rekenkracht. Er zijn dus geen grote investeringen nodig om een schaalbare infrastructuur uit te rollen. Cloud-technologie schaalt quasi 1-op-1 mee met een groeiend IoT-project.

Mobiele communicatie voor IoT-sensoren is lang een afweging geweest tussen overbrugbare afstand en energieverbruik, maar nieuwe technologieën zoals LoRa(WAN), Sigfox en binnenkort LTE Cat NB1 bieden een oplossing voor toepassingen waar enkele keren per dag een kort bericht gestuurd moet worden. Ook hier is voor de meeste toepassingen de juiste technologie en infrastructuur voorhanden om een professionele en snel schaalbare IoT-oplossing in de markt te zetten.

Voor deze drie onderdelen van een IoT product (visualisatie, business logica en communicatie) zijn er dus oplossingen voorhanden om de stap te zetten van een proof-of-concept naar honderden, duizenden of tienduizenden nieuwe klanten.

Tevens kunnen nieuwe features zelfs op een later tijdstip toegevoegd worden door middel van een centraal gecoördineerde update van de app, de HTML frontend of de business logica in de cloud.

Schaalbare elektronica

Kunnen we stellen dat diezelfde schaalbaarheid ook van toepassing is op het vierde onderdeel van ons IoT product, op het toestel zelf? We zullen zien dat in dit geval de stap van een proof-of-concept naar een verkoopbaar product een stuk moeilijker zal zijn.

Ook de wereld van hardware en elektronica heeft allesbehalve stil gestaan de laatste jaren. Voor het bouwen van een proof-of-concept is er tegenwoordig voor ieder wat wils, vaak voor onwaarschijnlijk lage prijzen. Je hoeft ook echt geen elektronica ingenieur meer te zijn om in de wereld van Internet-of-Things hardware te stappen (een trend die we alleen maar kunnen aanmoedigen).

Maar de extra investering om te gaan van een proof-of-concept naar een verkoopbaar product is erg groot. We illustreren dit aan de hand van een voorbeeld. We zien een opportuniteit voor een GPS-tracker met GSM-connectiviteit. Op relatief korte termijn kunnen we op basis van een Arduino, een breadboard en wat componenten van een van de vele Chinese verkopers een proof-of-concept in elkaar steken. Data vloeit naar de backend, so far so good.

Maar nu? Vormt ons proof-of-concept ook een goede basis voor een professioneel, schaalbaar en verkoopbaar product? Al snel komen we enkele onoverbrugbare problemen tegen:

• Het energieverbruik moet meerdere grootteordes naar omlaag, want het product moet nu jaren blijven werken in plaats van weken voor de demo-opstelling. De meeste kant-en-klare bouwblokken gebruiken de goedkoopste en niet de meest energiezuinige componenten. De lekstroom door een fout gekozen diode verbruikt soms 100x meer energie dan een CPU in slaapstand.

• De verschillende onderdelen van onze proof-of-concept moeten geïntegreerd en aangepast worden. De snelle oplossing via een externe USB-batterij moet nu een interne Lithium-Ion lader worden.

• Productie moet opgestart worden. Elektronische componenten hebben vaak een erg lange levertermijn (12 weken of meer is geen uitzondering) of ze zijn zelfs helemaal niet meer leverbaar op het moment dat volumeproductie moet beginnen. Ook heeft iedere fabrikant zijn eigen verpakkings-eenheden en minimale order hoeveelheden. Goed supply-chain management is een must.

• Certificatie voor CE of andere keuringen is noodzakelijk. Kant-en-klare hobby bouwblokken zijn hier zelden voor geschikt.

Maar ook op het softwarevlak zijn er nog veel problemen op te lossen. In tegenstelling tot de visualisatie en business logica kunnen we de software van toestellen in het field niet zomaar aanpassen. We kunnen proberen om alle functionaliteit in het toestel te steken zonder de mogelijkheid van een remote upgrade, maar dat brengt vele risico’s met zich mee. De toestellen iedere keer manueel upgraden kost veel tijd en is niet schaalbaar wanneer klanten zich ver weg bevinden. Dus voor we kunnen beginnen met verkopen moeten we eerst remote upgrades mogelijk maken.

De barrière tussen proof-of-concept en een verkoopbaar product is dus erg groot. De oplossingen voor deze problemen vereisen vaak specifieke ervaring en expertise die niet zomaar voor handen is.

Als een extra investering geen probleem is, zijn er tal van (diensten-) leveranciers die kunnen helpen met het vervolg van het project. Echter, hiermee gaat kostbare tijd verloren. De doorlooptijd van een idee tot een eerste productie is al snel zes maanden voor een typische IoT-sensor, met risico op verlies van onze window-of-opportunity.

Wanneer de toestellen uiteindelijk bij de eerste klanten terecht komen is de kans groot dat nieuwe problemen of opmerkingen naar boven komen, aangezien deze toestellen heel anders zijn opgebouwd dan het originele proof-of-concept. In tegenstelling tot software, zijn aanpassingen aan hardware altijd duur (re-engineering, nieuwe productie-opstartkosten, bestaande (onverkoopbare?) stock, …) en veroorzaken alweer een langere time-to-market.

De hierboven beschreven problemen en hindernissen vormen een grote belemmering voor de ontwikkeling van IoT-producten. Voor grote bedrijven is een lang en duur traject misschien nog haalbaar, maar de kleine, dynamische startup of een middelgroot bedrijf met beperkt investeringsbudget loopt hierop vast. Kan het ook anders?

Platform ontwikkeling

Het antwoord komt in de vorm van professionele IoT hardwareplatforms, een opkomende trend die tegemoetkomt aan de vele (gemeenschappelijke) uitdagingen van de ontwikkeling van IoT-producten.  De problemen met ons GPS-tracker voorbeeld zijn immers geen alleenstaand geval. De aangehaalde problemen zijn allemaal eveneens relevant voor een totaal andere toepassing zoals bijvoorbeeld meettoestellen voor het grondwaterpeil.

De IoT hardwareplatforms, met bijhorende intelligente en uitgebreide software, spelen hierop in. Enkele speciifieke kenmerken zijn:

• Gemiddeld is 80% van de benodigde functionaliteit van elke IoT-oplossing gelijkaardig en al beschikbaar in het basis platform. Veel van de features die voor de hobbyplatformen onnodig zijn, zijn hier wel standaard inbegrepen, bijvoorbeeld remote upgrade mogelijkheden.

• Standaard low-power hardware architectuur met bijhorende software waarbij de juiste rekenkracht versus energieverbruik balans afgewogen is.

• Modulaire, professionele hardware die ontwikkeld wordt door experts met het oog op flexibiliteit. Dit laat toe om gemakkelijk extra sensoren of andere vormen van communicatie toe te voegen om antwoord te geven op zoveel mogelijk IoT-vragen.

• De hardware bouwblokken zijn geschikt voor latere volumeproductie zonder zorgen. Door een goede kennis van de supply chain weet een platform aanbieder welke componenten het geschiktst zijn voor deze toepassingen. Door dezelfde componenten te gebruiken in meerdere toepassingen kunnen ook betere afspraken gemaakt worden met leveranciers.

Een IoT-toestel ontwikkelen op basis van een hardwareplatform biedt heel wat voordelen. Eerst en vooral is er een veel kleinere stap tussen het originele proof-of-concept en het eindproduct omdat er een gefaseerd en schaalbaar traject voorzien is zonder abrupte overgangen.

Hierdoor kunnen de initiële ontwikkelkosten sterk verlaagd worden. Een representatief proof-of-concept kan gebouwd worden met off-the-shelf componenten en hetzelfde design kan later gebruikt worden voor de eerste volumeproducties zonder een volledig nieuwe ontwikkeling te moeten starten. Voor het GPS-tracker voorbeeld kan een doorstart van een proof-of-concept naar een productie van 100 of 1000 stuks worden gerealiseerd met slechts enkele dagen engineering.

Logisch gevolg hiervan is een kortere doorlooptijd. Door minstens drie maanden engineering te vermijden besparen we niet alleen geld, maar realiseren we ook meteen 25% meer jaaromzet door een snellere time-to-market.

Tenslotte worden ook de risico’s van het project sterk gereduceerd omdat de onderdelen van het IoT hardwareplatform reeds hun dienst bewezen hebben in vele andere IoT oplossingen.

Aanbieders van hardwareplatforms begeleiden hun klanten door alle fases van een project, van idee tot volumeproductie. Hierdoor kan er steeds gebruik worden gemaakt van de juiste expertise op het juiste moment, gaande van specificaties en engineering tot productie-opstart en certificaties.

Hoe zou ons GPS-tracker project er uit zien als we gebruik maken van een IoT hardwareplatform?

Stap 1 – Proof-of-Concept

Door gebruik te maken van modulaire en professionele bouwblokken is tot 80% van de vereiste functionaliteit reeds standaard beschikbaar bij aanvang (bijvoorbeeld connectiviteit, remote upgrades, lokale dataopslag als buffer, …). Extra ontwikkeling is minimaal en wordt flexibel uitgevoerd. De eerste paar producten worden gerealiseerd na enkele dagen/weken op basis van hoofdzakelijk off-the-shelf onderdelen.

Stap 2 – Pilootproductie

Voor een pilootproductie worden enkele tientallen of honderden toestellen op maat van de klant bestukt. Hierbij is de hardware identiek aan deze van de proof-of-concept fase, met het enige verschil dat bepaalde onderdelen weggelaten worden om stukprijzen te verlagen (bijvoorbeeld weglaten van een temperatuursensor die we toch niet nodig hebben). Er is dus vaak geen extra ontwikkeling nodig. De platformleverancier verzorgt de volledige productie en levert afgewerkte en geteste producten op maat.

Stap 3 – Volumeproductie

Vanaf een bepaald volume kan er gekozen worden om de flexibele bouwblokken die tot nu toe gebruikt werden samen te voegen tot één geïntegreerd design. Dit zal toelaten om de stukprijzen verder te optimaliseren. Deze integratie vereist ontwikkeling, maar is grotendeels beperkt tot hardware re-engineering. De volledige softwaretoepassing kan, mits met minimale aanpassingen, worden hergebruikt.

Dit is gewoonlijk zinvol vanaf 1000 stuks, maar kan ook vroeger of later worden uitgevoerd. Het grote voordeel is dat klant controle heeft over het tijdstip wanneer deze integratie (en bijhorende investering) zal gebeuren. Dit in tegenstelling tot de klassieke aanpak waarbij een redesign reeds noodzakelijk is voor de eerste klanten bediend kunnen worden.

Conclusie

We hebben gezien hoe hardware verantwoordelijk is voor vele, vaak moeilijk te overbruggen problemen bij de ontwikkeling van een IoT toepassing. In navolging van oplossingen voor de andere onderdelen (visualisatie, cloud-based business logica en communicatienetwerken) biedt de opkomende trend van IoT hardwareplatforms een schaalbaar en betaalbaar antwoord op de vele en courante problemen bij de ontwikkeling van IoT toestellen. De zeer gunstige doorlooptijden en minimale investeringen zorgen vaak voor de enige volwaardige, laagdrempelige oplossing in een snel evoluerende IoT markt.

Ronald Vanschoren, Screvle

Screvle

Tel.: +32 (0)477 56 51 91

http://www.screvle.com/

Ronald Vanschoren is elektronica ingenieur en oprichter van Screvle. Dankzij de zelf ontwikkelde professionele hardware- en software bouwblokken zet Screvle een idee om in een intelligent elektronisch toestel en zorgt voor een 5x snellere time-to-market en 3x lagere ontwikkelkosten. De bewezen oplossing van Screvle minimaliseert risico’s en zorgt voor een zorgeloos en schaalbaar traject van proof-of-concept tot volumeproductie.