vk_logo twitter_logo facebook_logo youtube_logo telegram_logo telegram_logo

Введение в концепцию "интернета вещей" (IoT)

Дата публикации: 30.09.2020
  1. Статьи
  2. Редакционные статьи
Количество просмотров: 3070
Автор: ,

1. Введение

Интернет вещей (англ. Internet of Things, IoT) – это концепция развития технологий сетей Интернет в сторону автоматизации, и исключения участия человека из большинства процессов работы IT-инфраструктуры. Интернет-вещи посредством обмена информацией между различными датчиками и сенсорами должны полностью автоматизировать процессы управления группами устройств.

Чаще всего, при рассмотрении потенциала Интернета вещей, приводят пример работы умного дома. Ведь в любом доме существуют системы отопления, вентиляции, кондиционирования и освещения. И хорошо бы сделать так, чтобы все это работало само, без лишнего вмешательства человека..

Технологию IoT связывают с объединением множества интеллектуальных предметов в единую систему. Рекомендация Y.206 переносит это представление на виртуальные объекты. Согласно данной рекомендации, IoT обеспечивает коммуникацию между любыми вещами в режиме реального времени. За IoT-системами будущее, и ниже мы рассмотрим основные концепции этих систем, а также некоторые сценарии их использования.

2. Архитектура IoT-систем

IoT состоит из набора различных инфокоммуникационных технологий, которые обеспечивают его работу. Архитектура Интернета вещей показывает, как разные технологии связаны между собой, и включает в себя следующие основные уровни:

Things (дос. вещи) Уровень сенсоров и сенсорных сетей
Things (дос. вещи) Уровень сенсоров и сенсорных сетей

Здесь непосредственно речь идет об устройствах. Это самый нижний уровень архитектуры IoT. Он состоит из "умных" объектов, соединенных с сенсорами. Они обеспечивают сбор и обработку информации в реальном времени для соответствующих целей. Например, для измерения температуры, давления, скорости движения, местоположения и многого другого. Развитие микропроцессоров привело к сокращению физических размеров аппаратных сенсоров и позволило внедрять их повсеместно. 

Обычно, вещи имеют соединение со шлюзами, подключаемыми к локальной или глобальной вычислительной сети. Но есть и самодостаточные устройства, которые могут работать на базе сетей сотовых операторов (подключение с помощью Wi-Fi или Ethernet). Сами шлюзы являются концентраторами, поддерживающими определенный стандарт или протокол, обеспечивающий связь с "Вещами".

В качестве конкретного примера IoT-системы без шлюза, ниже приведено изображение, описывающее схему работы GPS-трекера с NB-IoT модулем:

Схема работы GPS-трекера с NB-IoT модулем

Таким образом, есть устройства которым не нужен шлюз, и они обладают стандартным интерфейсом связи. Они самодостаточны и для координации с облаком им хватает доступа в интернет через провод, GSM/3G/LTE, NB-IoT, Wi-Fi и т.д.

В примере с трекером на рисунке выше, оператор присваивает устройству IP-адрес (либо может использоваться технология non-IP) через NB-IoT(L1, L2) и выпускает девайс в интернет. Сам трекер может поддерживать MQTT, CoAP или просто отправлять свой payload в UDP-пакетах на указанный в настройках адрес платформы через публичную сеть.

Сенсоры, которые характеризуются низким энергопотреблением и низкой скоростью передачи данных, образуют беспроводные сенсорные сети (WSN - Wireless Sensor Network). Они набирают все большую популярность, потому что могут содержать гораздо больше датчиков с поддержкой работы от батарей и охватывают большие площади. Достигается это путем применения топологии mesh-сети. В качестве примера, можно привести стандарт ZigBee (IEEE 802.15.4), всё чаще применяемый в системах домашней автоматизации по методу "Умного Дома".

Gateway (шлюзы). Уровень шлюзов и сетей

Для реализации широкого спектра задач в IoT необходимо обеспечить совместную работу множества различных технологий и протоколов. Сети доступа должны обеспечивать требуемые значения передачи информации по задержке, пропускной способности и безопасности. Уровень шлюзов предназначен для соединения разнородных сетей в единую сетевую платформу.

Сетевые шлюзы позволяют пользователям или автоматизированным системам, обеспечить сетевое взаимодействие с конечными устройствами IoT-инфраструктуры, посредством поддерживаемого стандарта связи.

Cloud (облачная система). Сервисный уровень и уровень приложений

Сервисный уровень содержит набор информационных услуг, обеспечивающих автоматизацию технологических и бизнес-операций в IoT:

  • поддержка операционной и бизнес-деятельностей;
  • различная аналитическая обработка информации;
  • интерфейс хранения, ввода/вывода данных из внешней системы;
  • приложение (API); 
  • обеспечение информационной безопасности;
  • управление различными бизнес-процессами;
  • централизованная панель управления "Вещами".


На этом уровне архитектуры IoT существуют различные типы приложений для соответствующих промышленных секторов и сфер. Приложения могут быть "вертикальными", когда они являются специфическими для конкретной отрасли промышленности, а также "горизонтальными", которые используются в различных секторах экономики.

3. Сценарии применения IoT-систем

Умный дом

Системы Интернета вещей способны автоматизировать процессы и исключить непосредственное участие человека. Представьте, что вы приезжаете с работы, а в вашей квартире работает система "Умный дом". Еще до прибытия домой, в систему можно отправить команду через мобильное приложение и подготовить апартаменты к своему приходу. Реакция такого дома молниеносна. Вы открываете дверь, а свет в прихожей уже горит. Внутри комфортная температура, система проветрила и подогрела воздух, проверила остатки продуктов и бытовой химии, а затем, оповестила хозяина о необходимости пополнения запасов. 

Можно внедрить машинное обучение, тогда система умного дома соберет необходимую информацию, например, за предшествующий месяц, и будет адаптировать свою работу.

Еще до прибытия домой, в систему можно отправить команду через мобильное приложение и подготовить апартаменты к своему приходу. Реакция такого дома молниеносна

Принципы функционирования IoT, описанные на примере бытовых процессов, можно перенести на бесконечное множество любых других, начиная от уличного освещения и управления светофорами, и до управления огромными предприятиями и городами.

Принципы функционирования IoT, описанные на примере бытовых процессов, можно перенести на бесконечное множество любых других процессов

IoT в организации дорожного движения

Одним из главных направлений развития и внедрения технологий интернета вещей является транспорт. За предыдущие десять лет автомобили превратились в интеллектуальную систему, способную сохранять жизни пешеходов и пассажиров. В настоящее время уже внедрены различные ассистенты, помощники и системы автоматического реагирования на возникшую угрозу на дороге. Среди них: активная система контроля и удержания полосы, система автоматического торможения при возникновении препятствия или обнаружения опасности, контроль мертвых зон и открывания дверей, ассистенты парковки, системы автоматического поиска места для парковки и многое другое. 

Если те же десять лет назад автомобиль мог максимум предупредить о выходе из полосы, то сейчас системы безопасности не позволят сделать это непреднамеренно и даже смогут полностью остановить автомобиль.

Круиз-контроль на базе ИИ от Hyundai
Круиз-контроль на базе ИИ от Hyundai

С автомобилями всё в принципе ясно, новые "фишки" и ассистенты помогают продавать автомобили, поэтому инженеры совместно с маркетологами активно их развивают и внедряют. С дорогами все немного сложнее. За тот же временной период в 10 лет модернизацию можно описать несколькими пунктами: 

  • светодиодное освещение дорог;
  • камеры контроля движения;
  • программирование циклов работы светофоров с учетом суточных циклов движения.


Применение концепции интернета вещей к дорожному движению позволит умным автомобилям обмениваться информацией между транспортными средствами, центрами управления дорожным движением и сервисами, предоставляемыми частными компаниями для информирования о дорожных заторах, авариях и погодных условиях. 

Ключом к тому, чтобы это произошло, как раз является IoT, объединяя датчики, встроенные в проезжую часть, ограждения, столбы и светофоры. Существующие на данный момент интеллектуальные транспортные системы,  обеспечивают некоторые из перечисленных функций. Например, информация, собранная камерами наблюдения за дорожным движением, используется для корректировки интервалов работы сигналов светофоров в режиме реального времени для того, чтобы устранить или минимизировать заторы. Парковки, оборудованные датчиками, могут уведомлять водителей о наличии свободных мест прямо через смартфон. 

Дороги с поддержкой IoT обладают рядом преимуществ, по сравнению с обыкновенными дорогами, но к сожалению, без недостатков тоже не обходятся. Зачастую, при развертывании системы IoT на дорогах, разработчики сталкиваются с проблемами безопасности и конфиденциальности, а также вопросами совместимости различных стандартов.

Существуют некоторые пилотные проекты IoT, такие как австрийский автобан, который использует систему "Cisco Connected Roadways", объединяющую 70 000 датчиков и 6 500 дорожных камер для мониторинга трафика и дорожных условий.

Проект “Cisco Connected Roadways”
Проект "Cisco Connected Roadways"

Интеллектуальные магистрали и шоссе поддерживают несколько стандартов IEEE. Стандарт IEEE 802.11p, регламентирует связь между транспортными средствами (V2V, Vehicle to Vehicle) и инфраструктурой (V2I, Vehicle to Infrastructure). Семейство стандартов IEEE 1609 для беспроводного доступа в транспортных средах определяет архитектуру и стандартизованный набор услуг и интерфейсов для безопасной беспроводной связи V2V и V2I. 

К сожалению, ни одна комплексная транспортная система на основе IoT до сих пор не была полностью развернута. Система мониторинга трафика с поддержкой IoT использует комбинацию систем связи V2V - V2I - I2I и аналитику для управления дорожными ситуациями. Города могут начать делать свои дороги умнее прямо сейчас, установив готовые датчики. Как беспроводные, так и проводные датчики IoT всех типов, могут собирать данные о состоянии дороги, загруженности и даже о погодной ситуации. 

Существует возможность установки на существующие светофоры и опоры, что поможет оптимизировать затраты на установку и оптимизировать движение в кратчайшие сроки. Некоторые светофоры могут взаимодействовать друг с другом, чтобы организовывать "зеленый коридор" для трафика автомобилей.

Безопасность и конфиденциальность информации являются проблемами для всех приложений IoT, а к системам на автомобильных дорогах предъявляются еще более высокие требования. Умные дороги должны быть защищены на 100% от повреждений, вандализма и кражи, в беспроводной передаче информации необходимо пресекать возможности  прослушивания и взлома. Кроме того, правоохранительные органы и страховые компании могут использовать собранную информацию для целей, отличных от первоначальной цели умных дорог, таких как мониторинг чьих-либо привычек вождения или отслеживание местоположения автомобиля.

Несмотря на проблемы, связанные с внедрением и постройкой IoT дорог, нужно продолжать работать над развитием этого направления, поскольку преимущества данной технологии очевидны.

Логистика

IoT упрощает управление цепочкой поставок, делает ее более эффективной

В концепции IoT-систем объединяются технологии, применяемые в самых различных сферах: RFID-метки, дроны, беспилотное управление роботизированными системами, искусственный интеллект и так далее:

На видео выше был приведен типичный пример интеграции IoT-системы в робототехнику и логистику. Кроме того, логистика это:

  • Умные транспортировки.
  • Учет ГСМ на грузовом транспорте.
  • Умные решения внутри складов.


Одним из самых ярких примеров применения "Интернет вещей" в логистике является склад компании Amazon и решения международной компании экспресс-доставки грузов и документов DHL. 

На складе роботы со встроенными камерами и считывателями QR-кодов быстро и точно идентифицируют элементы на складе. Сотрудникам больше не нужно бродить, сканируя каждый товар или искать недостающие штрих-коды. 

Таким образом, IoT упрощает управление цепочкой поставок, делает ее более эффективной. IoT в логистике, как и в случае с умным домом, позволяет получать данные в реальном времени на каждом этапе поставки. В свою очередь, это позволяет принимать стратегически важные решения.

IoT в логистике позволяет получать данные в реальном времени на каждом этапе поставки

Интернет вещей повышает общую прозрачность цепочки поставок. Это позволяет отслеживать местонахождение  отдельно взятого груза. Отслеживание местоположения не ограничивается только своевременной доставкой. Фактически, данные о местоположении помогают транспортным компаниям рассчитать затраты на различных этапах доставки, учесть ее в стоимости, либо снизить затраты.

Эта информация особенно актуальна в случае транспортировки скоропортящихся товаров, например фруктов. Данные о местоположении могут помочь компаниям определять точки, в которых качество товаров могло снизиться. Аналогичным образом, при транспортировке по длинным маршрутам контекстная информация о местоположении может сыграть важную роль в выборе лучшего альтернативного маршрута. Таким образом, данные о местонахождении в режиме реального времени позволяют лучше понять каждое звено в цепочке поставок.

Также IoT поможет компаниям снизить риски и принять меры в случае транспортировки грузов, чувствительных к температуре. Данные о давлении, влажности, вибрации также можно собирать и учитывать в анализе. Подобная информация может привести к снижению брака. 

С помощью системы, основанной на IoT, компании смогут отслеживать местоположение своих транспортных средств и водителей. Это дает более прозрачное представление о том, как используются ресурсы. Кроме того, IoT позволит автоматизировать систему технического обслуживания, ремонта и постановки на учет автомобилей. Тот же подход может быть использован для отслеживания состояния здоровья водителей.

Применение технологий Интернета вещей в отрасли не ограничивается техническими аспектами. Оно также может предложить идеи, которые улучшают способность прогнозировать спрос. Данные, полученные с помощью Интернета вещей, могут помочь лучше понять поведение клиентов, использование продуктов, потребности и спрос. 

Данные с IoT-устройств смогут предоставить данные, позволяющие отслеживать действия, которые приводят потребителя к точке продаж. Взглянуть на товар с точки зрения потребителей, начиная с простого момента покупки и заканчивая тем, почему покупка была совершена.

Интернет-вещи в промышленности (IIoT)

Крупные производители промышленного оборудования давно оснащают свои установки "умными" контроллерами и различными интерфейсами для взаимодействия с внешними системами

В применении к этой области, принято использовать отдельный термин - промышленный интернет вещей или IIoT (Industrial Internet of Things). Целью подобных систем является оптимизация и автоматизация производственных процессов различного масштаба. Крупные производители промышленного оборудования давно оснащают свои установки "умными" контроллерами и различными интерфейсами для взаимодействия с внешними системами. Может поменяться софт или протокол передачи данных от интерфейса до системы, но возможность взаимодействия останется заложена на уровне стандарта промышленного интернета вещей. В этом плане система довольно консервативна. В ней продолжают быть востребованными такие интерфейсы как R232, RS485, MBUS, CAN. "Умные" машины увеличивают производительность и исправляют частые ошибки людей, особенно связанные с контролем качества и экологичностью. Среди лучших примеров систем IIoT - аппаратно-программные комплексы, передающие телеметрию и анализ больших данных для оптимизации технических процессов и точных вычислений.

Диспетчеризация и автоматизация съема показаний с приборов учета

С 2021 года все новые жилые помещения переходят на "умные счетчики", и застройщик обязан закладывать такие системы еще на этапе проектирования жилых комплексов

Не так давно принят закон, согласно которому с 2021 года все новые жилые помещения переходят на "умные счетчики", и застройщик обязан закладывать такие системы еще на этапе проектирования жилых комплексов.

Эффективное управление энергоресурсами - это стандарт современного мира. Счетчики подсчитывают расход электричества, воды, тепла, и передают данные по одному из множества возможных проводных или беспроводных протоколов, нашедших свое применение в АСКУЭ-системах. Подобные решения в области диспетчеризации сбора показаний помогают управляющим компаниям вести умный учет и упрощать процедуру выставления счетов. Управляющие компании и пользователи имеют доступ к информации, что обеспечивает качественное и прозрачное взаимодействие между ними.

Заключение

Концепция интернета вещей придумана давно. Список задач, решаемых электронными устройствами, велик и постоянно растёт. На передовой внедрения IoT-технологий – корпоративный сектор. Более 60% всех внедренных проектов работают на производственных площадках. Градостроители пока отстают, и, в основном, обкатывают пилотные проекты. Отчасти, внедрять IoT для города сложнее из-за необходимости соблюдения большего числа требований. Рынок услуг по внедрению предлагает следующие сценарии внедрения технологий IoT:

  • Разработка собственного ПО с нуля.
  • Покупка готового решения.
  • Разработка собственного решения на базе готового фреймворка.


Для предприятий третий вариант выглядит самым логичным и применяется чаще всего, ведь делать всё с нуля дорого и сложно, а готовые проекты не всегда соответствуют задачам. На рынке урбанистического и бытового IoT главенствуют  готовые предложения от сотовых операторов и провайдеров. 

Пока что большинство предлагаемых технологий для реализации умного пространства заключаются в установке видеонаблюдения и оповещении служб реагирования, а также в отслеживании местоположения и некоторых параметров объекта. Но очень скоро все должно измениться в лучшую сторону.

От редакции: если у вас есть чем поделиться с коллегами по отрасли, приглашаем к сотрудничеству
Ссылка на материал, для размещения на сторонних ресурсах
/articles/article/107810/vvedenie-v-kontseptsiyu-interneta-veschey-iot-.html

Обсудить на форуме

Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи

Зарегистрироваться