Интернет вещей и сенсорные сети: От сенсорных сетей к «интернету вещей» – ответы на главные вопросы – фундаментальный ликбез / Toshiba corporate blog / Habr

26.06.2020 alexxlab 0

От сенсорных сетей к «интернету вещей» – ответы на главные вопросы

Одно из отличий систем IoT от старых сенсорных сетей заключается в том, что если сенсорные сети подразумевают просто телекоммуникационную сеть передачи данных между сенсорами, то IoT предполагает комплексное решение. Оно включает в себя как датчики, телекоммуникационную инфраструктуру, так и серверы, на которые эти данные поступают, а также методы анализа полученных данных и алгоритмы принятия решений (что нужно сделать, после того как у вас произошло какое-либо событие). Поэтому становится актуальной задача осмысления собираемой информации: из этого огромного количества собранной информации нужно научиться вычленять полезное знание. Например, пусть есть множество сенсоров, которые измеряют температуру, давление, состав воздуха. Когда на предприятии происходит авария, нужно по изменениям этих параметров понять, что это не просто из-за туч выглянуло солнце и нагрело воздух, а что произошел форс-мажор. Такие комплексные задачи как раз и осуществляются IoT. Кроме того, в случае аварии, пожара или другой чрезвычайной ситуации множество датчиков могут одновременно начать передавать данные. Если используется беспроводная сеть — а соединить тысячи автономных устройств проводами тяжело и дорого, а в ряде сценариев и невозможно, — то такая одновременная передача данных большим числом устройств приводит к коллизии и данные теряются. Вот почему поддержка надежной доставки данных большим числом устройств с низким запасом энергии является одной из ключевых задач, стоящих перед разработчиками беспроводных сетей для IoT.

Логика развития технологии

Мобильный интернет в развитых странах доступен повсеместно. Трудно найти место, где не будет сотовых сетей или Wi-Fi. У каждого есть телефон, у многих есть ноутбук или планшет. Эти устройства, основные потребители мобильного интернета, играют роль интерфейса между человеком и информационными ресурсами в интернете. А это значит, что число таких устройств, достигнув численности населения, едва ли будет продолжать стремительно расти. Состояние насыщения рынка мобильной связи не радует ни операторов, которым все труднее и труднее продать новый контракт, ни производителей смартфонов и ноутбуков. IoT становится одним из драйверов роста телекоммуникационного рынка, который к тому же оказывает влияние на все сферы деятельности человека, изменяя целые отрасли экономики и даже привычки людей. Человек всегда стремился упростить свою жизнь, избавиться от тяжелого механического труда, а впоследствии и любых рутинных операций. Так появились стиральные машины, станки с программным управлением, автомобили, управляемые роботом, а не человеком, «умные дома», часто считающиеся предтечей «интернета вещей». IoT в этом тренде — логичное продолжение автоматизации всех сфер деятельности человека. В конечном итоге он должен привести к тому, что люди будут мало работать, а все остальное время наслаждаться жизнью, творить. Как гласит девиз компании IBM: «Машины должны работать, люди должны думать».

Конец приватности

Одна из сложностей для развития IoT — все, что связано с обработкой таких огромных массивов данных. Текущие технологии позволяют снять параметры практически с чего угодно, данные можно записать и хранить. Но задача не в этом, а в том, чтобы извлечь из данных пользу. Следовательно, их нужно правильно обработать. То есть из 1 Тб информации нужно создать информативный график, на который посмотрит эксперт, а потом сделает заключение. Все собранные данные — это в каком-то смысле шум, только этот конечный график действительно имеет значение.

Интернет вещей, беспроводные сенсорные сети и прикладные проекты

Направление реализуется в Межвузовской лаборатории инновационных проектов WiSeNetLab, УЛ 3D визуализации и компьютерной графики МИЭМ НИУ ВШЭ.

Интернет Вещей представляет собой “сеть сетей”, поэтому эффективность функционирования Интернета Вещей напрямую зависит от эффективности сенсорных сетей. Этой задачей активно занимаются ведущие международные (MIT, Berkley) и российские организации (Институты РАН). На сегодняшний день научными группами получены следующие результаты:

  • Созданы миниатюрные энергоэффективные аппаратные платформы.
  • Разработаны новые энергогэффективные протоколы доступа к среде передачи и маршрутизации в беспроводных сетях (B-MAC, T-MAC, S-MAC, D-MAC и др.).
  • Исследованы возможности использования альтернативных источников энергии для создания полностью автономных сетей сбора данных и управления.

Цель: Выработать общий подход к определению понятия энергоэффективности сетей передачи данных на примере беспроводных сенсорных сетей и разработать методы ее повышения.

Задачи:

  • Разработать математические модели сенсорных сетей с точки зрения оценки их энергоэффективности, так же методы повышения энергоэффективности с учетом критериев.
  • Оценить разработанные методы на примерах конкретных систем Интернета Вещей.

Возможные области применения результатов исследований: энергетика, промышленность и производство, медицина, досуг, образование, транспорт, безопасность, здания и сооружения, логистика, робототехника, сельское хозяйство.

Выполненные проекты по многим грантам:

  • Система контроля влияния окружающей среды на продукцию в контейнерах в логистике;
  • Беспроводная система персонального энергоаудита;
  • Беспроводная система бронирования парковочных мест;
  • Беспроводная система аудиогида для экскурсий;
  • Автономная система оптического мониторинга объектов;
  • Система контроля доступа к помещению с применением нательных сетей;
  • Программная посредническая платформа для взаимодействия интернет-вещей “Thinger”;
  • Беспроводная система контроля и управления «Умный удлинитель»;
  • Система зарядки мобильных устройств в общественных местах и транспорте “Общественная розетка”;
  • Создана научно-учебная группа «Теоретические основы энерогоэффективных беспроводных сенсорных сетей».

Партнёры по этому направлению – ООО “Смарт Коннект”, NXP Semiconductors.

Контактная информация:

Восков Леонид Сергеевич, [email protected];  [email protected], +7(495)772-9590*15114, 

Как выбрать стандарт связи для сети IoT / Command Spot corporate blog / Habr

В предыдущей статье не были рассмотрены стандарты беспроводных сетей.
Вопрос о том, как элементы Интернета вещей связываются между собой, является одним из самых важных при построении сети. Здесь возможны варианты, и все зависит, конечно, от задач проекта.
Ключевые аспекты при рассмотрении вариантов сетевого подключения:
  • Дальность. Сеть для развертывания в офисе или в целом городе?
  • Частота. Какое проникновение необходимо и какая устойчивость против помех?
  • Скорость передачи данных. Какая пропускная способность требуется? Как часто обновляются данные?
  • Энергопитание. Устройства работают от сети или аккумулятора?
  • Безопасность. Устройства участвуют в работе критически важных приложений?

Данные сведены в две таблицы.

Дальний радиус действия
LoRaWAN
LoRaWAN или Long Range Wide Area Network была представлена как энергоэффективная сетевая технология исследовательским центром IBM Research и компанией Semtech. Технология базируется на Semtech LoRa(™) PHY чипе.
LoRa работает в суб-гигагерцовых диапазонах ISM (industrial, scientific and medical radio bands) нелицензируемых частот. Архитектура сети представляет собой звезду, конечные устройства подключаются по беспроводной связи к одному или нескольким шлюзам, а шлюзы подключаются к сетевому серверу по стандартному IP-соединению.

С целью поддержки и распространения технологии недавно был создан LoRa Alliance, в который входит множество компаний, в том числе и российская LACE.

Преимущества LoRa:

  • открытый стандарт
  • большая дальность
  • высокая проникающая способность в городской застройке
  • низкое энергопотребление, по оценкам до 10 лет работы сенсора от батареи АА
  • различные нелицензируемые частоты, такие как 109 МГц, 433 МГц, 868 МГц, 915 МГц суб-ГГц ISM полос
  • адаптивная скорость передачи данных
  • поддерживает личные и общественные сети
  • комплексная безопасность и встроенные идентификация и аутентификация

Недостатки LoRa:
  • низкая скорость передачи данных
  • Semtech — единственный поставщик чипов
  • отсутствует роуминг

Концентраторы для LoRa поставляются такими компаниями, как MultiTech, и уже созданы общественные сети, как например The Things Network.

СТРИЖ
Система реализовывается российской компанией СТРИЖ-Телематика, используется собственный протокол Marcato 2.0. Частота может быть адаптирована под ISM диапазон.

Технология до определенной степени схожа с технологией LoRa со всеми плюсами и минусами последней. Принципиальное отличие: у LoRa используется широкополосное кодирование, а у СТРИЖ — узкополосная модуляция. По данным компании, такая модуляция позволяет гораздо эффективнее использовать полосу спектра, увеличить чувствительность и энергоэффективность и снизить стоимость.
Беспроводная сеть СТРИЖ развернута в Москве со 100% покрытием, а также с частичным покрытием в Московской обл., Санкт-Петербурге и некоторых других городах и насчитывает более 200 базовых станций. Производятся и реализовываются радиомодемы, базовые станции, а также счетчики и датчики со встроенными модемами.

SigFox
Система построена одноименной компанией, основанной во Франции в 2009 году. Используется технология Ultra Narrow Band (UNB), та же, что использовалась для связи между подводными лодками во время Второй мировой войны. Эта технология изначально предназначена для связи на низких скоростях передачи данных.
SigFox в настоящее время использует самый популярный европейский ISM диапазон на 868 МГц (как определено стандартом ETSI и СЕРТ), а также 902 МГц в США (как определено FCC), в зависимости от конкретных региональных правил. Система развернута с использованием возможностей современных сотовых сетей.
Устройство может отправить до 140 сообщений в день, и каждое сообщение может содержать до 12 байт полезных данных. 12 байт покрывает потребности устройств, которые передают данные, такие как местоположение устройства, индекс потребления энергии, сигнал тревоги или любой другой тип основной сенсорной информации. Также можно передавать до 4 сообщений из 8 байт полезных данных на каждое устройство в сутки. Для того, чтобы получать сообщения, устройство должно запросить данные с сервера, это должно быть запрограммировано на конкретные события или на определенное время. 8 байт, отправленные на устройство, позволяют при необходимости отправить данные конфигурации, можно оптимизировать срок службы аккумулятора. Этого достаточно, если нет необходимости в полноценной двусторонней связи.
В отличие от своих конкурентов сеть уже развернута по всей Европе и Северной Америке и охватывает десятки тысяч устройств. Компания проводит сертификацию устройств SigFox Ready™.

Преимущества SigFox:

  • большое покрытие
  • высокая проникающая способность в городской застройке
  • сверхнизкое энергопотребление, по оценкам до 20 лет работы сенсора от 2-х батарей АА
  • гибкость в плане конструкции антенны
  • протокол SigFox совместим с существующими трансиверами
  • низкая стоимость

Недостатки SigFox:
  • низкая скорость передачи данных
  • зависимость от сотовой инфраструктуры
  • ограниченная помехоустойчивость

Wheitghless
Weightless — группа открытых технологических стандартов связи LPWAN (Low-Power Wide-Area Network) для обмена данными между базовой станцией и устройствами. Стандарты развиваются некоммерческой организацией Weightless SIG. В настоящее время доступны 3 стандарта — Weightless-N, Weightless-P и Weightless-W. Используются нелицензируемые частоты суб-гигагерцового диапазона.
Weightless-N использует технологию Ultra Narrow Band (UNB), является стандартом односторонней связи. Самый экономичный стандарт в группе как с точки зрения затрат, так и по энергопотреблению.
Weightless-W использует частоты TVWS (TV white space, неиспользуемые частоты телевизионного спектра) там, где это разрешено местными правилами. Это удорожает терминал и увеличивает его энергопотребление.
Weightless-P — последний из стандартов, введен в июле 2015 года, полностью двусторонний, поддерживает все основные диапазоны SRD / ISM (short range devices / industrial, scientific and medical), наиболее производительный в группе, обладает рядом дополнительных возможностей, как роуминг, пейджинг, адаптированное кодирование и др. Поэтому имеет немного меньшую дальность и более высокое энергопотребление.

Преимущества Weightless:

  • открытый стандарт
  • большая дальность
  • высокая проникающая способность в городской застройке
  • низкое энергопотребление, по оценкам до 10 лет работы сенсора (Weightless-N)
  • различные нелицензируемые частоты (Weightless-P)
  • поддерживает личные и общественные сети
  • высокая безопасность
  • низкая стоимость (особенно Weightless-N)

Недостатки Weightless:
  • низкая скорость передачи данных

Nuel
Neul базируется на протоколе Weightless, использует нелицензируемые ISM и TVWS частоты.
В сентябре 2014 года Neul была приобретена компанией Huawei и стала дочерней. Заявлено, что Neul и Huawei совместно работают над новаторской технологией, которая позволяет повторное использование сетей мобильных операторов для широкого охвата ультра-низкой мощности связи для приложений IoT.

Преимущества Neul:

  • большая дальность
  • высокая проникающая способность в городской застройке
  • низкое энергопотребление, по оценкам до 15 лет работы сенсора
  • хорошо сочетается с другими стандартами на соседних частотах

Недостатки Neul:
  • низкая скорость передачи данных
  • проприетарная технология

Nwave
Британская компания с офисами в Лондоне, США и Дании возглавляется выпускником МФТИ Юрием Бирченко.
Технология Nwave сходна с Neul, поскольку также основана на протоколе Weightless, и сравнима с SigFox, поскольку является проприетарной. Nwave иногда описывают как VPN (virtual private network, виртуальная частная сеть) внутри публичного трафика с использованием стандарта Weightless-N. Используется технология Ultra Narrow Band (UNB) и нелицензируемые ISM частоты.
Компания производит и реализовывает радиомодемы, базовые станции, а также датчики со встроенными модемами и наборы для разработчиков.
Описание технологии и фото оборудования Nwave крайне схожи с технологией и оборудованием российской компании СТРИЖ-Телематика.

Преимущества Nwave:

  • большая дальность
  • высокая проникающая способность в городской застройке
  • очень низкое энергопотребление
  • поддерживает личные и общественные сети
  • высокая безопасность
  • низкая стоимость

Недостатки Nwave:
  • низкая скорость передачи данных
  • проприетарная технология

Dash7
Dash7 Альянс протокол (или D7A) — открытый протокол беспроводной связи, который работает на частотах 433 МГц, 868 МГц и 915 МГц нелицензируемых ISM / SRD диапазонов. Поддерживается AES 128-битное шифрование и передача данных до 167 кбит/с, при этом максимальный пакет данных составляет 256 байт.
Протокол продвигается некоммерческим Альянсом Dash7 Alliance со штаб-квартирой в Бельгии. Протокол основан на международном стандарте ISO/IEC 18000-7, описывающем интерфейс для активной RFID и используемым в военной логистике США (НАТО). Текущая версия протокола DASH7 уже не совместима со стандартом ISO/IEC 18000-7.

Преимущества Dash7:

  • открытый стандарт
  • достаточно большая дальность
  • высокая проникающая способность в городской застройке
  • низкое энергопотребление
  • различные нелицензируемые частоты

Недостатки Dash7:
  • низкая скорость передачи данных
  • средняя проникающая способность в воде
  • определенные требования к антеннам

GSM, LTE
Консорциум 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project), разрабатывающий спецификации для мобильной телефонии, уже давно работает над улучшением GSM (Global System for Mobile Communications, изначально Groupe Spécial Mobile) и LTE (Long-Term Evolution) с точки зрения IoT. Это прежде всего ответы на вызовы: проникающая способность, низкое энергопотребление, экономичность и масштабируемость. Ближайшие улучшения связаны с Release 13, намеченным на март 2016 года, и заявлены как достойные конкуренции с LoRa и SigFox. По данным консорциума, почти удалось решить все заявленные проблемы, в том числе по энергосбережению. А стоимость модуля М2М должна составить в 2016 году $4,5 для GSM и $5 для LTE-M.

Преимущества GSM, LTE:

  • функционирование на существующей инфраструктуре сотовых операторов
  • широкое распространение в мире
  • высокая скорость передачи данных
  • поддержка личных и общественных сетей
  • высокая комплексная безопасность
  • роуминг

Недостатки GSM, LTE:
  • лицензируемые частоты
  • высокие тарифы

NB-LTE и NB-CIoT
Корпорации Nokia Networks, Ericsson и Intel объединились для продвижения технологии Narrow-Band Long-Term Evolution (NB-LTE). Sprint, Verizon Wireless, Alcatel-Lucent, Qualcomm, Samsung, Sony и ZTE также стали частью этой инициативы.
NB-LTE рассматривается некоторыми экспертами как прямой вызов Huawei Technologies, которая развивает технологию Narrowband Cellular IoT (NB-CIoT). NB-CIoT уже получила поддержку таких тяжеловесов, как Vodafone, T-Mobile, TeliaSonera и China Unicom.
Основное различие между NB-LTE и NB-CIoT сводится к тому, насколько существующие LTE-сети могут быть переориентированы на IoT. Huawei отказался от комментариев на этот счет, но критики подхода «чистого листа» (clean slate) NB-CIoT отмечают, что эта технология требует новых чипсетов и, кажется, не имеет обратную совместимость с LTE-сетями старше Release 13.
По словам представителя Nokia, NB-LTE, напротив, может быть полностью интегрирована в существующие LTE- сети и работает в рамках существующих полос LTE. Другими словами, NB-LTE использует существующую экосистему и, таким образом, обещает большую экономию на масштабе.
В остальном обеим технологиям удалось решить проблему энергосбережения: заявленная продолжительность работы устройства от элемента питания — 10 лет. Кроме того, в несколько раз улучшена проникающая способность в плотной застройке, и количество возможных подключений устройств увеличено на 2 порядка. Стоимость модуля М2М оценивается в $4 в 2016 году.
Преимущества и недостатки этих технологий естественным образом произрастают из GSM и LTE.

Ближний радиус действия
Wireless RF
Беспроводные радио (Wireless RF) датчики и исполнительные механизмы дешевы и просты в развертывании. Они характеризуются ультранизким энергопотреблением. Дальность действия составляет до 100 м в прямой видимости и до 500м с внешними антеннами. Работают они обычно на частоте 315 или 433 МГц со скоростью 10 — 115.2 кбит/с и поддерживают AES шифрование 128 бит.

Bluetooth Low Energy (BLE)
Bluetooth Low Energy (BLE) является беспроводной персональной сетевой технологией, разработана и реализуется с помощью Bluetooth Special Interest Group. В данный момент технология Bluetooth присутствует на всех мобильных платформах, BLE оснащаются миллионы новых устройств. Эта технология хорошо поддерживается и надежна для ближних коммуникаций. Часто применяется для связи между смартфонами и другими персональными, реже домашними электронными устройствами. На этой технологии, в частности, основана технология iBeacon.

Преимущества BLE:

  • широкое распространение в мире
  • высокая скорость передачи данных
  • высокая надежность

Недостатки BLE:
  • некоторые проблемы с аутентификацией и приватностью
  • невысокая проникающая способность в городской застройке
  • местонахождение устройства не определяется

Wi-Fi
Wi-Fi (или WiFi, изначально от англ. Wireless Fidelity) — локальная беспроводная сетевая технология, которая позволяет электронным устройствам подключаться к сети, в основном с использованием частот 2,4 ГГц и 5 ГГц ISM радиодиапазона. Технология развивается Wi-Fi Alliance на базе стандарта IEEE ( Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.11. Wi-Fi является зарегистрированной торговой маркой одноименного альянса, в который входит более 600 компаний. Эта технология де-факто стала практически повсеместной, в мире выпускаются миллиарды Wi-Fi устройств в год.
Wi-Fi изначально разрабатывалась для локальной связи. Современные точки доступа со шток-антеннами могут обеспечить радиус действия примерно до 100 м без препятствий. Существуют решения с использованием усилителя и полупараболической антенны с дальностью свыше 20 км.
Эта технология не стоит на месте, постоянно развиваясь. Так, технология Wi-Fi Direct позволяет устройствам Wi-Fi подключаться напрямую без точки доступа и сети. Устройства могут установить соединение друг с другом или с группой из нескольких устройств одновременно. Подключаются Wi-Fi Direct-сертифицированные устройства легко и просто: либо два NFC-совместимых устройства вместе, либо с вводом ПИН-кода. Кроме того, все прямые соединения Wi-Fi защищены WPA2.
Wi-Fi соединения могут быть нарушены или скорость соединения снижена при наличии других подобных устройств в той же области. Многие 2,4 ГГц 802.11b и 802.11g точки доступа по умолчанию работают на одних каналах при первоначальном запуске. Wi-Fi загрязнение может стать проблемой в районах с высокой плотностью, таких как большие жилые комплексы или офисные здания со многими точками доступа Wi-Fi. Кроме того, многие другие устройства используют диапазон 2,4 ГГц: микроволновые печи, ZigBee устройства, устройства Bluetooth, беспроводные телефоны, видеоняни, что может вызвать значительные дополнительные помехи. Это также является проблемой, когда муниципалитеты или другие крупные объекты (такие как университеты) стремятся обеспечить большую зону покрытия Wi-Fi.
Недавно выпущенный Cisco и Apple документ «Enterprise Best Practices for Apple Devices on Cisco Wireless LAN» содержит совместные рекомендации, касающиеся использования в сетях устройств iPhone, iPad, iPod (с операционной системой не ниже iOS 9.0). Как говорится в этом документе, «полоса 2,4 ГГц не считается пригодной для любых бизнес- и/или критичных корпоративных приложений». Для беспроводных сетей, где используются устройства Apple, компаниям рекомендуется пользоваться исключительно частотами 5 ГГц (стандарт 802.11a/n/ac). Тем не менее диапазон 2,4 ГГц пока остается основным, используемым по умолчанию для большинства мобильных устройств, к тому же использование частот 5 ГГц для Wi-Fi разрешено не во всех странах.
Первоначально введенный стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан даже при правильной конфигурации (из-за слабой стойкости алгоритма). Новые устройства поддерживают более совершенные протоколы шифрования данных WPA и WPA2. Многие организации используют дополнительное шифрование для защиты от вторжения. На данный момент основным методом взлома WPA2 является подбор пароля, поэтому рекомендуется использовать сложные цифро-буквенные пароли для того, чтобы максимально усложнить задачу подбора пароля. Кроме того, стандартами Wi-Fi не предусмотрено шифрование передаваемых данных в открытых сетях. Это значит, что все данные, которые передаются по открытому беспроводному соединению, могут быть прослушаны злоумышленниками при помощи программ-снифферов. Поэтому, при использовании бесплатных хот-спотов не следует передавать в Интернет критически важные данные.

Преимущества Wi-Fi:

  • повсеместное распространение в мире
  • гарантированная совместимость
  • высокая скорость передачи данных
  • высокая надежность

Недостатки Wi-Fi:
  • интерференция и помехи
  • некоторые проблемы с безопасностью
  • невысокая проникающая способность в городской застройке
  • высокая энергоемкость
  • диапазон и ограничения в разных странах различны, многие страны требуют регистрации сетей Wi-Fi, работающих вне помещений

Wi-Fi HaLow
Недавно на CES 2016 Wi–Fi Alliance анонсировал разработку нового стандарта беспроводной связи, предназначенного для работы Интернета вещей. Новый стандарт получил название HaLow и пока не утвержденную спецификацию IEEE 802.11ah. Сертификация первых устройств, совместимых с Wi-Fi HaLow, начнется в 2018 году, однако продукты с поддержкой новой спецификации появятся на рынке раньше.
Для подключения Wi-Fi HaLow будет использоваться нелицензируемая частота 900 МГц. Это заметно увеличит проникающую способность сигнала в городской застройке, а радиус ее действия будет намного больше, чем у современного беспроводного стандарта, — до 1 километра. В то же время платой за «дальнобойность» является малая мощность сигнала. Пропускная способность Wi-Fi HaLow будет гораздо ниже, чем максимум Wi-Fi 802.11ac (7 Гбит/c), предполагаемая скорость: 50 кбит/с — 18 Мбит/с.
По заявлению альянса, HaLow будет широко использовать существующие протоколы Wi-Fi, что обеспечит высокий уровень совместимости и безопасности.

Thread
Thread Group, созданная OSRAM, QUALCOMM, ARM, Samsung, Nest Labs и другими (более 200 компаний) c одной целью — разработать самый лучший способ подключения и управления устройствами в доме. Эта некоммерческая организация продвигает Thread Networking Protocol (беспроводной сетевой протокол на основе IP) и сертифицирует продукты. Первый публичный релиз состоялся 13.07.2015г. (Revision 2.0). В ближайшее время будет сертифицировано более 30 устройств.
Thread, реализованный в качестве дополнения к Wi-Fi, имеет четкие ограничения для использования в домашней автоматизации в плане безопасности и энергопотребления. Протокол основан на стандарте 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) — стандарте взаимодействия по протоколу IPv6 (новая версия протокола IP с длиной адреса 128 бит вместо 32 в IPv4) поверх маломощных беспроводных персональных сетей стандарта IEEE802.15.4. Для существующих устройств, поддерживающих стандарт IEEE802.15.4, легко может быть произведен апгрейд до Thread. Протокол обеспечивает безопасность банковского класса AES в дополнение к надежности меш-сети, разработанной специально для домашней автоматизации. К одной сети можно подсоединить 250+ авторизованных устройств. Широкая поддержка “спящего режима” позволяет в течение многих лет эксплуатировать устройства даже от одной батареи AA.

Преимущества Thread:

  • дополнение к Wi-Fi
  • разработка специально для домашней электроники
  • надежная самовосстанавливающаяся сеть
  • использование проверенных открытых стандартов
  • высокая безопасность
  • низкое энергопотребление

Недостатки Thread:
  • интерференция и помехи
  • невысокая проникающая способность в городской застройке
  • диапазон и ограничения в разных странах различны, многие страны требуют регистрации сетей Wi-Fi, работающих вне помещений

ZigBee
ZigBee — спецификация сетевых протоколов верхнего уровня, регламентированных стандартом IEEE 802.15.4, который появился в 2003 году. ZigBee и IEEE 802.15.4 описывают беспроводные персональные вычислительные сети (WPAN, wireless personal area networks). Спецификация ZigBee ориентирована на приложения, требующие гарантированной безопасной передачи данных при относительно небольших скоростях и возможности длительной работы сетевых устройств от автономных источников питания. Технология ZigBee поддерживает не только простые топологии сети («точка-точка», «дерево» и «звезда»), но и самоорганизующуюся и самовосстанавливающуюся ячеистую (mesh) топологию с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений.
ZigBee разрабатывается ZigBee Alliance, в который входит более 300 компаний. Альянс также сертифицирует оборудование и устройства. 16 декабря 2015 года Альянс объявил о ратификации ZigBee 3.0, учитывающий современные требования IoT и поддерживающий все предыдущие версии и сотни миллионов уже проданных устройств.

Преимущества ZigBee:

  • способность к самоорганизации и самовосстановлению
  • простота развертывания
  • высокая помехоустойчивость
  • высокая безопасность
  • нелицензируемые частоты
  • низкое энергопотребление (в том числе режим “сна” для устройств)

Недостатки ZigBee:
  • невысокая скорость
  • большая часть трафика тратится на передачу пакетов, содержащих адресную информацию, информацию по синхронизации и т.п.
  • невысокая проникающая способность в городской застройке
  • недостаточно высокий уровень стандартизации и отсутствие единой программно-аппаратной платформы для разработки сложных приложений

Z-Wave
Z-Wave — запатентованный беспроводный протокол связи, разработанный в основном для домашней автоматизации. Технология использует маломощные и миниатюрные радиочастотные модули, которые встраиваются в бытовую электронику и различные устройства. Z-Wave работает в диапазоне частот до 1 ГГц и оптимизирован для передачи простых управляющих команд с малыми задержками. В основе решения Z-Wave лежит самоорганизующаяся ячеистая сеть (mesh сеть), в которой каждый узел или устройство может принимать и передавать управляющие сигналы другим устройствам сети, используя промежуточные соседние узлы.
Радио чипы Z-Wave поставляются компаниями Sigma Designs и Mitsumi. Отличительной особенностью Z-Wave является то, что все эти продукты совместимы между собой. Совместимость подтверждается процессом сертификации Z-Wave или Z-Wave Plus. Сертификация осуществляется Sigma Designs, которая сертифицировала более 1350 продуктов Z-Wave. Глобально протокол поддерживается Z-Wave Alliance, который объединяет более 325 производителей.

Преимущества Z-Wave:

  • разработка специально для домашней электроники
  • способность к самоорганизации и самовосстановлению
  • простота развертывания
  • высокая помехоустойчивость
  • высокая безопасность
  • нелицензируемые частоты
  • отсутствие интерференции с многочисленными устройствами на 2.4 ГГц
  • низкое энергопотребление

Недостатки Z-Wave:
  • невысокая скорость
  • для решений с потребностью более 30 устройств, Z-Wave начинает становиться более дорогим, чем кабельные системы
  • невысокая проникающая способность в городской застройке
  • платежи Sigma Designs как владельцу технологии

Конечно, в одной статье сложно описать все существующие протоколы и технологии при всем их многообразии. Так, за кадром остались, например, ANT+, WirelessHART, Ingenu, Telensa.
Следует отметить, что некоторые производители все же стремятся как-то сблизить технологии и их применение. На рынке доступны двухрежимные модули, например модуль LoRa / Sigfox от Nemeus. К тому же, как заявляет компания СТРИЖ-Телематика, технология СТРИЖ обеспечивает полную совместимость с LoRa.

В заключении, по данным Machina Research, консультативной группы M2M, к 2024 году в мире будет в общей сложности 27 млрд M2M подключений, 14% из которых будут представлены LPWAN соединениями, подобными SigFox, и его конкурентами, такими как LoRa и Neul.

Замечания и поправки просьба оставлять в комментариях.

Обзор протоколов беспроводной связи для Интернета вещей

Интернет вещей расширяет привычное понятие «Интернет» за счет использования новых подключений между «умными» вещами, пользователями и вещами, ЦОДами и вещами. Глобальная сеть Internet of Things включает множество компонентов: линии связи, сетевые шлюзы, маршрутизаторы, IoT-платформы, взаимодействие которых возможно благодаря многообразию стандартов и протоколов. Большую роль среди них играют протоколы беспроводной связи, без которых вообще сложно представить сеть Интернет вещей.

По результатам исследования, опубликованным J`son & Partners, в зависимости от зоны охвата и некоторых других характеристик сетей для Интернета вещей, беспроводные сети делятся на персональные (PAN), городские сети (MAN), локальные (LAN) и глобальные (WAN). Для любой сети важными свойствами являются адаптивность, отказоустойчивость, возможность самоорганизации, продолжительная автономная работа и эффективность.

К протоколам, обслуживающим PAN -сети, относятся 6LoWPAN, ZigBee, Thread, BLE 4.2, Z-Wave и другие. Сети, базирующиеся на этих протоколах, характеризуются низким потреблением энергии и небольшим радиусом приема сигналов.

6LoWPAN– это стандарт, который позволяет перенести распространенные IP-протоколы, в частности IPv6, на сенсорные сети (IEEE 802.15.4) для согласованного соединения с уже существующими IP-сетями, то есть 6LoWPAN-сеть совместима с любыми сетевыми подключениями, применяет популярные стандарты (HTTP, UDP, TCP, COAP) и устанавливает между всеми узлами IP-адресацию. Архитектура 6LoWPAN включает маршрутизатор, роутеры и хосты. Маршрутизатор объединяет сети и подключает их к Интернету, роутеры передают данные между элементами сети, а хосты (конечные устройства) длительное время находятся в спящем режиме, обеспечивая энергосбережение. 6LoWPAN — это mesh-сеть, топология которой гарантирует надежность, самовосстановление и гибкость при настройке.

Если 6LoWPAN находится между канальным и сетевым уровнями модели ISO/OSI, то протокол ZigBee располагается на верхних уровнях. Это значит, что данная спецификация не предназначена для поддержки протокола IP, и для подключения к традиционным сетям возникает необходимость в шлюзе. Сеть ZigBee также имеет ячеистую топологию, которая объединяет все устройства сети друг с другом, обеспечивая надежность, масштабируемость и самовосстановление. Она состоит из трех видов устройств – шлюза, роутеров и конечных устройств. Рабочая частота сети – 2.4 ГГц. Главная область применения ZigBee – системы «умный дом». Главным недостатком таких сетей является невысокий уровень стандартизации, что не позволяет создавать специфические приложения. Стандарт развивается усилиями участников ZigBee Alliance, которые обеспечивают сертификацию и совместимость продуктов. Уже создан протокол (ZigBee IPv6), позволяющий подключать ZigBee-сеть к другим сетям с помощью маршрутизатора.

Протокол Z-Wave разработан специально для систем домашней автоматизации. У его истоков лежит компания Sigma Designs, которая создала и запатентовала протокол. Рабочая частота сети лежит в открытом диапазоне до 1 ГГц. Z-Wave – это mesh-сеть, конечные устройства которой способны передавать простые команды с небольшими задержками. Система является энергоэффективной, но работает на низких скоростях. Также ограничением является количество подключенных конечных устройств. Для улучшения совместимости в 2013 году протокол был дополнен – так появился протокол Z-Wave Plus.

Bluetooth LE – это стандарт, характерной чертой которого является низкое потребление энергии. Он работает на частоте 2.4 ГГц и обеспечивает подключение устройств на расстоянии более 100 м. Широкая известность Bluetooth позволила ему проникнуть во все уголки мира и во многие устройства – смартфоны, наушники, медицинские приборы, бытовую технику, ПК и ноутбуки, автомобили и многие другие. BLE с успехом применяется в системах «умный дом». Также он лег в основу iBeacon-маяков. Последний стандарт Bluetooth 5, разработанный в 2016 году, ориентирован на Internet of Things.

«В настоящее время область домашнего Интернета вещей совершенно открыта, поскольку в большинстве домохозяйств еще не начали покупать подключаемые к сети термостаты и дверные замки. Технология Bluetooth обладает определенными преимуществами перед конкурентами, поскольку уже сейчас встроена в большинство существующих смартфонов и планшетов. Что же касается альтернатив, к которым относятся, например, ZigBee и Z-Wave, они пока не пользуются особой популярностью. Резонно предположить, что в ближайшие два-три года фактически каждый телефон будет поддерживать Bluetooth 5. А зачастую именно повсеместное распространение становится важнейшим преимуществом стандарта», — приводит слова аналитика ABI Research Эви Грингарт (Avi Greengart) издание Computerworld.

К LAN-сетям для Интернета вещей можно отнести Wi-Fi. Сети стандарта IEEE 802.11 имеют множество достоинств, среди которых высокая скорость, повсеместная распространенность и совместимость. Но некоторые недостатки, такие как энергоемкость, помехи, уязвимость безопасности, ограничивают использование протокола в области IoT, поэтому специально для Интернет вещей был разработан новый стандарт Wi-Fi HaLow. Устройства, поддерживающие этот протокол, могут выйти уже в 2018 году. Wi-Fi HaLow увеличит дальность распространения сигнала до1000 м, будет работать на частоте 900 МГц, но уменьшит пропускную способность по сравнению с предпоследней версией протокола.

Городские и глобальные сети должны обладать не только энергоэффективностью, но и значительной дальностью приема. Обе эти задачи решают сети LPWAN. Исследователи Pyramid Research утверждают, что к 2020 году количество подключений с использованием LPWAN вырастет на 4200% по сравнению с 2015 г. и достигнет 860 млн. Перспективность технологии доказывают сети LoRaWAN, Sigfox, Weightless, «Стриж», DASH7, RPMA, ISA-100.11.a, Symphony и многие другие.

Протокол LoRaWAN был разработан компаниями Semtech и IBM Research. Он на канальном уровне модели ISO/OSI , в то время как на физическом применяется модуляция LoRa, основанная на расширении спектра. LoRa обеспечивает дальность связи до нескольких десятков километров, а автономная работа устройств может продлиться до 10 лет. Технология работает в нелицензируемом диапазоне ISM.

Сеть LoRaWAN имеет топологию «звезда», то есть множество устройств (датчиков, сенсоров) по беспроводному соединению передают данные на шлюзы, а шлюзы перенаправляют информацию на сервер. Для развития стандарта 2 года назад был основан LoRa Alliance.

Российская компания «СТРИЖ-Телематика» на базе собственного протокола развернула LPWAN- сеть «СТРИЖ». Она имеет очень много схожих с LoRaWAN особенностей, серьезным отличием является использование узкополосной модуляции (100 Гц). Сфера применения – ЖКХ, сельское хозяйство, электроэнергетика, smart city. Сеть «СТРИЖ» включает около 300 базовых станций.

В Европе LPWAN-сети также развиваются, например, сеть французская сеть Sigfox. Особенность этого варианта — технология UNB (сверхузкополосная беспроводная связь). Sigfox распространилась не только в Европе, но и в Северной Америке.

Еще один крупный сегмент глобальных беспроводных сетей – это сети LPWAN, построенные на базе существующих сотовых сетей или Cellular Internet of Things. К протоколам, разработанным для этой цели, относится NB-IoT. Он позволяет подключить IoT-устройства к LTE-сетям на рабочей частоте 7-900 МГц. NB-IoT имеет все преимущества LPWAN, в частности, низкое потребление энергии, большую область покрытия, улучшенную проникающую способность в городе и возможность подключить множество конечных устройств.

Развитием технологий CIoT занимаются корпорации Huawei Technologies, Qualcomm, Nokia Networks, Intel, Ericsson, Samsung и многие другие. Присоединились к ним и операторы Vodafone, TeliaSonera ,T-Mobile, China Unicom. Кроме протокола NB-IoT, к CIoT относятся LTE-M, EC-GSM, NB LTE-M. Больших возможностей технологии CIoT ожидают от 5G-сетей, которые смогут подключить и мобильные гаджеты, и Smart Things. В то же время до сих пор в качестве беспроводных М2М-соединений используются GSM и GPRS, например, в системах учета электроэнергии.

Протоколы решают различные задачи по обеспечению необходимых условий: скорости передачи, радиуса действия, частотного диапазона, уровня энергопотребления и безопасности. Варианты комбинаций этих условий объясняют многообразие протоколов беспроводных соединений «умных» устройств.

Как внедрить безопасный интернет вещей на предприятии. Интернет вещей. МТС/Медиа

  • 1. Что такое интернет вещей?

    Все просто: интернет вещей – это технологии, которые позволяют подключить к интернету устройство. Любое – от экскаватора до зубной щетки. В устройство вставляется, например, сим-карта, которая дает ему возможность «общаться» с другими устройствами без участия человека (это еще называют M2M-технологии — машина общается с машиной). В производстве сейчас, как правило, используются «умные» датчики, сенсоры и роботы.

  • 2. Почему это все меняет?

    Если кратко, то интернет вещей позволяет автоматизировать все, что можно автоматизировать, и сократить издержки, а также повысить эффективность, собирая огромное количество данных для анализа. Это помогает следить за расходом ресурсов, управлять всем процессом удаленно и составлять точные прогнозы. Возможно, мы даже пока не осознали все возможности интернета вещей в полной мере. Но эффект уже впечатляющий, в самых разных отраслях.

  • 3. Например, в каких?

    В сельском хозяйстве с помощью датчиков мониторят уровень влажности и минерализации почвы, уровень света, силу ветра – и на основе этих данных точно знают время полива и сбора, рассчитывают оптимальный объем удобрений, предсказывают болезни растений и объем урожая.

    В медицине умные устройства позволяют круглосуточно следить за показателями здоровья пациентов: пульсом, температурой, давлением, уровнями сахара и кислорода в крови – и отправляют все необходимые данные нужному врачу.

    Умные устройства используются уже практически во всех отраслях промышленности: с их помощью проводят мониторинг станочного парка, предотвращают поломки оборудования, рассчитывают загрузку техники, чтобы избежать простоев, распределяют заказы, учитывают складские остатки и многое другое.

    Интернет вещей – это также основа всех систем Smart City: с их помощью управляют освещением улиц, собирают показания с приборов учета и контролируют работу водопровода и электросетей, следят за качеством работы коммунальных служб и вывозом мусора, работой общественного транспорта и спецтехники.

    Так можно продолжать очень долго. Интернет вещей на рынке B2B сегодня – это слежение за экологической обстановкой, умные рабочие места, геолокационный маркетинг, специальные IoT-решения для банков, страховых компаний, ритейла и многое другое.

  • 4. Насколько интернет вещей безопасен, ведь речь может идти о крупном промышленном объекте или городской инфраструктуре?

    Когда появляется сеть из умных устройств, то появляется и риск взлома этой сети. Хакеры и злоумышленники могут взламывать устройства и использовать их для распределенных масштабных DDoS-атак. Не нужно забывать и о возможности утечки данных к конкурентам. Чтобы не стать жертвой, нужно выбирать надежного поставщика IoT-решений, который сумеет защитить ваши данные и не использовать кустарные решения.

  • 5. Как избежать рисков кибератак и утечки информации?

    Логично, что нужно обращать внимание на решения крупных компаний. У них есть ресурсы для обеспечения катастрофоустойчивых сервисов. При этом поиск сужается, если выделить крупных игроков, которые сами выдерживают крупные атаки.

    В мае прошлого года произошла одна из крупнейших атак в истории интернета – компьютеры атаковал вирус WannaCry. Этот вирус зашифровывал данные жертвы и требовал за их расшифровку от $300 до $600. О заражении сообщили крупнейшие российские компании. Среди устоявших оказалась МТС: как сообщали в самой компании, попытка атаки была зафиксирована и тут же отражена за счет уникального собственного центра мониторинга информационной безопасности (Security operation center, SOC).

    Этот SOC контролирует защищенность внешнего периметра информационных систем не только МТС, но и ее клиентов, ​анализирует все инциденты (вирусные заражения, кибератаки, внутренние нарушения политики информационной безопасности), координирует устранение причин угроз. Так что инфраструктура МТС может гарантировать безопасность своих сетей NB-IoT и решений на базе интернета вещей.

  • 6. С чего начать?

    IoT-решения бывают очень разные, каждое из них подстраивается под потребности конкретного бизнеса. Нужно определить задачи, которые предстоит решить с помощью умных устройств, закупить датчики и сим-карты, подключить их, настроить системы мониторинга и аналитики… Все это довольно сложно сделать самостоятельно, поэтому лучше выбрать готовое решение. В МТС и ее дочернем системном интеграторе «Энвижн Груп» предприятия смогут выбрать решение и протестировать его на базе собственной инфраструктуры.

    При этом впервые в России предприятия смогут протестировать IoT-решения на базе нового стандарта связи NB-IoT (NarrowBand Internet of Things), который только появился в России. МТС первой среди российских операторов объявила о том, что построила федеральную сеть в стандарте NB-IoT и до конца года запустит ковровое покрытие в этом стандарте во всех российских городах-миллионниках.

  • 7. А есть ли разница, какой стандарт связи использовать для интернета вещей?

    Разница — в технологических возможностях. Можно сравнить это с покупкой телефона: понятно, что лучше купить последнюю модель, нежели прошлогоднюю, ведь технологии очень быстро устаревают.

    Преимущество технологии NB-IoT по сравнению с другими существующими стандартами для M2M – масштаб сети, ее защищенность и огромная емкость. За счет нее предприятия, которые пользуются сетью в этом стандарте, смогут подключать к одной базовой станции десятки тысяч устройств. При этом эти устройства смогут работать от одной батарейки до 10 лет без подзарядки. За счет высокой радиочувствительности NB-IoT умные устройства смогут обмениваться данными на расстоянии до 10 км и работать без перебоев в сложных условиях прохождения сигнала.

    В общем, перспективы впечатляющие. NB-IoT сейчас активно внедряется и в Европе крупнейшими операторами связи. Компания Vodafone, к примеру, запустила технологию в Италии, Испании, Ирландии и Нидерландах. Китай также выбрал NB-IoT для дальнейшей цифровизации своей экономики. Этот стандарт был рекомендован Ассоциацией интернета вещей (создана фондом развития интернет-инициатив ФРИИ) как национальный стандарт интернета вещей, на основе которого эта технология будет развиваться в России. Уже сейчас российские предприятия могут прикоснуться к будущему, протестировав решения с МТС в 16 городах России.

  • 01 Что такое интернет вещей?

    Все просто: интернет вещей – это технологии, которые позволяют подключить к интернету устройство. Любое – от экскаватора до зубной щетки. В устройство вставляется, например, сим-карта, которая дает ему возможность «общаться» с другими устройствами без участия человека (это еще называют M2M-технологии — машина общается с машиной). В производстве сейчас, как правило, используются «умные» датчики, сенсоры и роботы.

  • 02 Почему это все меняет?

    Если кратко, то интернет вещей позволяет автоматизировать все, что можно автоматизировать, и сократить издержки, а также повысить эффективность, собирая огромное количество данных для анализа. Это помогает следить за расходом ресурсов, управлять всем процессом удаленно и составлять точные прогнозы. Возможно, мы даже пока не осознали все возможности интернета вещей в полной мере. Но эффект уже впечатляющий, в самых разных отраслях.

  • 03 Например, в каких?

    В сельском хозяйстве с помощью датчиков мониторят уровень влажности и минерализации почвы, уровень света, силу ветра – и на основе этих данных точно знают время полива и сбора, рассчитывают оптимальный объем удобрений, предсказывают болезни растений и объем урожая.

    В медицине умные устройства позволяют круглосуточно следить за показателями здоровья пациентов: пульсом, температурой, давлением, уровнями сахара и кислорода в крови – и отправляют все необходимые данные нужному врачу.

    Умные устройства используются уже практически во всех отраслях промышленности: с их помощью проводят мониторинг станочного парка, предотвращают поломки оборудования, рассчитывают загрузку техники, чтобы избежать простоев, распределяют заказы, учитывают складские остатки и многое другое.

    Интернет вещей – это также основа всех систем Smart City: с их помощью управляют освещением улиц, собирают показания с приборов учета и контролируют работу водопровода и электросетей, следят за качеством работы коммунальных служб и вывозом мусора, работой общественного транспорта и спецтехники.

    Так можно продолжать очень долго. Интернет вещей на рынке B2B сегодня – это слежение за экологической обстановкой, умные рабочие места, геолокационный маркетинг, специальные IoT-решения для банков, страховых компаний, ритейла и многое другое.

  • 04 Насколько интернет вещей безопасен, ведь речь может идти о крупном промышленном объекте или городской инфраструктуре?

    Когда появляется сеть из умных устройств, то появляется и риск взлома этой сети. Хакеры и злоумышленники могут взламывать устройства и использовать их для распределенных масштабных DDoS-атак. Не нужно забывать и о возможности утечки данных к конкурентам. Чтобы не стать жертвой, нужно выбирать надежного поставщика IoT-решений, который сумеет защитить ваши данные и не использовать кустарные решения.

  • 05 Как избежать рисков кибератак и утечки информации?

    Логично, что нужно обращать внимание на решения крупных компаний. У них есть ресурсы для обеспечения катастрофоустойчивых сервисов. При этом поиск сужается, если выделить крупных игроков, которые сами выдерживают крупные атаки.

    В мае прошлого года произошла одна из крупнейших атак в истории интернета – компьютеры атаковал вирус WannaCry. Этот вирус зашифровывал данные жертвы и требовал за их расшифровку от $300 до $600. О заражении сообщили крупнейшие российские компании. Среди устоявших оказалась МТС: как сообщали в самой компании, попытка атаки была зафиксирована и тут же отражена за счет уникального собственного центра мониторинга информационной безопасности (Security operation center, SOC).

    Этот SOC контролирует защищенность внешнего периметра информационных систем не только МТС, но и ее клиентов, ​анализирует все инциденты (вирусные заражения, кибератаки, внутренние нарушения политики информационной безопасности), координирует устранение причин угроз. Так что инфраструктура МТС может гарантировать безопасность своих сетей NB-IoT и решений на базе интернета вещей.

  • 06 С чего начать?

    IoT-решения бывают очень разные, каждое из них подстраивается под потребности конкретного бизнеса. Нужно определить задачи, которые предстоит решить с помощью умных устройств, закупить датчики и сим-карты, подключить их, настроить системы мониторинга и аналитики… Все это довольно сложно сделать самостоятельно, поэтому лучше выбрать готовое решение. В МТС и ее дочернем системном интеграторе «Энвижн Груп» предприятия смогут выбрать решение и протестировать его на базе собственной инфраструктуры.

    При этом впервые в России предприятия смогут протестировать IoT-решения на базе нового стандарта связи NB-IoT (NarrowBand Internet of Things), который только появился в России. МТС первой среди российских операторов объявила о том, что построила федеральную сеть в стандарте NB-IoT и до конца года запустит ковровое покрытие в этом стандарте во всех российских городах-миллионниках.

  • 07 А есть ли разница, какой стандарт связи использовать для интернета вещей?

    Разница — в технологических возможностях. Можно сравнить это с покупкой телефона: понятно, что лучше купить последнюю модель, нежели прошлогоднюю, ведь технологии очень быстро устаревают.

    Преимущество технологии NB-IoT по сравнению с другими существующими стандартами для M2M – масштаб сети, ее защищенность и огромная емкость. За счет нее предприятия, которые пользуются сетью в этом стандарте, смогут подключать к одной базовой станции десятки тысяч устройств. При этом эти устройства смогут работать от одной батарейки до 10 лет без подзарядки. За счет высокой радиочувствительности NB-IoT умные устройства смогут обмениваться данными на расстоянии до 10 км и работать без перебоев в сложных условиях прохождения сигнала.

    В общем, перспективы впечатляющие. NB-IoT сейчас активно внедряется и в Европе крупнейшими операторами связи. Компания Vodafone, к примеру, запустила технологию в Италии, Испании, Ирландии и Нидерландах. Китай также выбрал NB-IoT для дальнейшей цифровизации своей экономики. Этот стандарт был рекомендован Ассоциацией интернета вещей (создана фондом развития интернет-инициатив ФРИИ) как национальный стандарт интернета вещей, на основе которого эта технология будет развиваться в России. Уже сейчас российские предприятия могут прикоснуться к будущему, протестировав решения с МТС в 16 городах России.

    • Беспроводная сенсорная сеть | iot.ru Новости Интернета вещей

    1. Определение

    Беспроводная сенсорная сеть (англ. WSN, wireless sensor network) – беспроводная сеть, обладающая свойством самоорганизации и использующая датчики для мониторинга различных процессов.

    2. История создания и развития

    История беспроводных сенсорных сетей началась в 1950-х годах с развертыванием сети SOSUS (Sound Surveillance System) в США. Данная сеть была разработана военными для обнаружения и отслеживания советских подводных лодок с использованием погружных акустических датчиков – гидрофонов (в настоящее время сеть используется для наблюдения за подводной дикой природой и вулканической деятельностью). 

    Исследование сенсорных сетей началось примерно в 1980 году, когда американским агентством передовых оборонных исследовательских проектов DARPA были созданы DSNs («distributed sensor networks» – распределенные сенсорные сети). Впоследствии разработкой и изучением беспроводных сенсорных сетей занялись многие ведущие университеты и компании мира: Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, Массачусетский технологический институт, IBM, Bell Labs, Crossbow Technology, Dust Networks и другие. 

    Развитие современных беспроводных сенсорных сетей началось в 2000-х (разработка технологий передачи данных, физических модулей, алгоритмов взаимодействия узлов в сети, принятие стандартов IEEE 802.15.х, рекомендации RFC 4944, 4919) и активно продолжается на сегодняшний день.

    3. Технические характеристики

    Технологии, используемые в беспроводных сенсорных сетях: Bluetooth, IEEE 802.11 a/b/g, IEEE 802.15.4, IEEE 802.15.3

    Топологии WSN:

    • Звезда – каждое устройство связывается напрямую со шлюзом;

    • Дерево – предполагается наличие корневого, родительских и дочерних узлов;

    • Ячеистая – каждое устройство связано с несколькими соседними, и данные передаются по наиболее удобному маршруту.

    Для создания крупных сетей, состоящих из тысяч узлов, часто используются различные комбинации из перечисленных выше топологий.

    Типы узлов:

    • шлюз – интерфейс между приложением и сенсорами;

    • маршрутизаторы – узлы ретрансляции, используются для расширения зоны покрытия сети;

    • оконечное устройство – физический интерфейс для подключения к сенсорам;

    • сенсор/актуатор – устройство, определяющее изменение окружающей среды и передающее данные в сеть.

    Состав автономного устройства (узла сети): элемент питания (батарея или аккумулятор), микроконтроллер, радиоантенна, схема для подключения датчиков, интерфейс доступа.

    Операционные системы для узлов сети: Contiki, TinyOS 1.x, TinyOS 2.0, SOS, MANTIS, BTnuts, MagnetOS, LiteOS, Ambient RT.

    4. Кейсы применения

    Приложения беспроводной сенсорной сети используются в различных отраслях: здравоохранение, промышленность, ЖКХ, сельское хозяйство и др. Например, мониторинг микроклимата на фермах, мониторинг дорожного движения, аварийные службы оповещения, измерение электроэнергии, газа, воды, мониторинг состояния нефтяных и газовых скважин, система обнаружения лесных пожаров.

    5. Полезные ссылки

    Источники:

    1. Гольдштейн, Б. С. Сети связи пост-NGN / Б. С. Гольдштейн, А. Е. Кучерявый. – СПб. : БХВ, 2013.

    2. Кучерявый, А. Е. Самоорганизующиеся сети / А. Е. Кучерявый, А. В. Прокопьев, Е. А. Кучерявый. – СПб. : Любавич, 2011.

    3. http://www.silabs.com/documents/public/white-papers/evolution-of-wireless-sensor-networks.pdf

    Взаимодействие машин и людей в среде социального Интернета вещей / Unet corporate blog / Habr

    Стремительное развитие электроники и унификация программных решений привели к появлению умных устройств (Smart Devices), которые стали неотъемлемой частью нашей жизни. Если говорить об Интернете вещей (IoT), то это пока концепция. Она предполагает наличие множества окружающих нас предметов, которые получат доступ в Интернет и будут взаимодействовать между собой. Именно взаимодействие, по концепции Интернета вещей, является отличительным фактором по сравнению с существующими решениями умной электроники (Smart Electronics), например, достаточно популярных сейчас фитнес-браслетов, бытовых смарт-весов, да и в целом, таких систем, как умный дом и многое другое.


    Alexa – voice control your smart home. Image: Amazon

    Так или иначе, но вся затея с Интернетом вещей вращается вокруг социальных сетей и нового витка их развития. Уже сегодня можно поделиться результатами своего шагомера в Twitter, но вряд ли современные социальные сети трансформируются в концепцию социального IoT. Слишком много данных и слишком разные задачи придется решать таким сервисам. Но что было раньше и есть ли предпосылки создания Social IoT, как отдельного решения?

    Еще в 1999 г. Билл Гейтс в своей книге «Бизнес со скоростью мысли» предложил идею цифровой нервной системы предприятия. Тогда основой такой нервной системы стала электронная почта и стремительно развивающиеся веб-технологии. Идея взаимодействия на уровне предприятия или организации была сконцентрирована на получении руководителем обратной связи от сотрудников, с предпочтением в сторону потока информации о проблемах или препятствий в работе. В целом, тогда это позволяло повысить эффективность бизнес-решений.

    Позднее в 2005 г. Тим О’Райли предложил термин Веб 2.0, как новый виток развития веб-технологий. В концепции Веб 2.0 основным становится пользователь и пользовательский контент, который создает конкуренцию известным глянцевым журналам и профессиональным журналистским ресурсам. Сейчас Веб снова трансформировался, ведь мы уже живем в мире социальных сетей и сервисов доставки коротких сообщений, при этом, есть мнения, что наше время нужно считать эпохой семантического Интернета. В любом случае, на текущий момент, уже многие бумажные издания прекратили существование, трафик на веб-порталах снизился и перешел в направление общения в социальных сетях. Но почта, как была, так и существует, пользуются популярностью масса статических сайтов, а также блоггеры дают массу интересного контента, на который мы ссылаемся из социалок.

    Очевидно, социальный Интернет вещей как сервис, станет эффективным дополнением существующих решений и расширит рамки взаимодействия, как людей, так и машин. Пока можно только рассмотреть текущие технические решения взаимодействия в мире Social IoT, чтобы понять, что нас ждет впереди. При этом, мы сами можем принимать участие в процессе трансформации Интернета и технологий присоединенных устройств.


    iPhone X wireless charging. Photo: Apple

    После упоминания Гейтса и О’Райли, нельзя не вспомнить о недавней презентации Apple. Судя по ленте Facebook, многие на моменте показа беспроводной зарядки решили, что это и есть очередная из «инноваций» компании, выразив иронию в комментариях. Беспроводная зарядное устройство – это не ново, относительно медленно по времени заряда, но все-таки, это достаточно удобная технология. Самое интересное – кадр презентации, где показано, как телефон «видит» процесс заряда других гаджетов фирмы. Вот, действительно, к чему следует стремиться – фактическое взаимодействие устройств «прозрачно» для конечного пользователя.

    Например, на уровне взаимодействия компонентов умного дома можно сказать, что это и есть текущее состояние Интернета вещей. Но все же, это локальные решения, ограниченные физическим пространством помещения. Например, устройства, управляемые Amazon Echo направлены преимущественно на взаимодействие с человеком, но не между собой, а тем более, не особо размываются границы вокруг одного взятого дома, и при этом не объединяют домашний уют с рабочим пространством офиса и т.п., хотя вся технология направленна именно на это.

    Как исключение из правила, некоторые компоненты умного дома могут «договориться» между собой. Типичным примером взаимодействия таких устройств является третье поколение обучаемых термостатов Nest Learning Thermostat. Также недавно появилось более дешевая модель Thermostat E без функции «Farsight», включающая дисплей, когда кто-то проходит мимо. Но не следует забывать, что фактически можно и самостоятельно «запрограммировать» соответствующие алгоритмы взаимодействия устройств на уровне смарт-концентратора (Smart Hub) умного дома.


    Alexa device control process. Image: Amazon

    Используя Alexa Skills Kit (ASK), достаточно прозаичным является добавление новых возможностей в поведении устройств умного дома. Все вычисления и обработка данных, включая распознавание речи, выполняется на уровне облака Amazon Web Services (AWS). Поведение устройств программируется на уровне сервиса AWS Lambda, а также доступна площадка готовых приложений Alexa Skills. Так или иначе, умения, поведение или, скорее, взаимодействие устройств и человека зависит от предопределенных скриптов. Интересен вариант добавления в такую среду технологий машинного обучения (Machine Learning) как облачного сервиса, а также интеграция со сторонними сервисами на основе мешап-сервиса IFTTT, который позволяет комбинировать свои действия и поведение устройств уже между различными сервисами и активностью в социальных сетях.

    Если говорить об интерфейсе «умных вещей» и человека интересен вариант со смарт-замком, например, August Smart Lock, который может выдавать временные коды доступа для гостей. С другой стороны, если сложно программировать интеллектуальных голосовых помощников Amazon Alexa, Google Home или чат-бота, то всегда можно воспользоваться услугами платформы Conversation.one.

    Говоря об умных голосовых ассистентах, смарт-концентраторе умного дома, сразу хочется заметить: что они смогут сделать, если в обычной кухне нет оборудования умной подачи воды, бытовая газовая печка включается пьезо поджигом, который управляется механической рукояткой и нас окружают добрые-старые системы уходящего в прошлое индустриального мира? Как такая смарт система узнает о происходящем в доме? Одно из решений – это установка видеонаблюдения. Но сколько камер тогда понадобится установить по всему дому, и не проще ли будет переоборудовать водопроводные коммуникации и т.п.?

    В контексте этого, интересен опыт и видение проблемы исследователями университета Карнеги Меллон лаборатории Future Interfaces Group, которые предлагают использовать один «синтетический» или комбинированный датчик. Предложенный Synthetic Sensor объединяет датчики: температуры AMG8833, цвета TCS34725, магнитометр (3-х осевой датчик магнитного поля) MAG3110, атмосферного давления с гигрометром BME280, 6-ти осевой датчик ориентации (совмещенные 3-х осевые гироскоп и акселерометр) MPU-6500, качества сигнала Wi-Fi, движения AMN211, микрофон ADMP401, электромагнитного излучения. Впрочем, создается такое впечатление, что все, что было под рукой у инженеров, попало в этот универсальный чувствительный элемент умного дома. На основе регистрации данных записывается своеобразная «кардиограмма» происходящего в помещении и делается вывод, например, о том, что открыт кран с водой, включается газовая плита, работает блендер. Сразу вспомнилась публикация о выступлении профессора и автора книги «Бизнес в стиле фанк» Кьелла Нордстрема о будущем: «Всё, что может быть оцифровано, будет оцифровано».


    Synthetic Sensor. Photo: Gierad Laput

    При этом термин «умное пространство» смотрится очень ярко и красочно и является практически реализуемым на уровне отдельных решений. Все-же хочется отметить то, что концепция Интернета вещей должна учитывать не только взаимодействие, но и самоорганизацию окружающих нас предметов (Connected Devices). Такое синергетическое взаимодействие даст возможность перейти на новый уровень цифровой жизни, где совсем не потребуется изучать инструкцию к электронным устройствам, они станут максимум безопасными, смогут подстроиться под конкретную ситуацию и, при этом, будут менее заметны, как отдельные предметы. Вместе с этим, мы получим исчерпывающие данные о работе и состоянии таких присоединенных устройств.

    Говоря о терминологии можно заметить, что если раньше везде использовалось понятие встраиваемые системы (Embedded Systems), то сейчас они стали не мыслимы без подключения к Интернет. Тем более, такое подключение сводится к использованию чипа за пару долларов, который вполне может стать «ядром» интеллектуального датчика или системы управления. Например, всем известный модуль на базе esp8266 и более современный esp32 компании Espressif или похожее решение других производителей.

    Такой модуль основан на достаточно мощном 32-битном процессоре, как правило объединяется на микро-плате с внешней памятью программ и позволяет получить доступ к wi-fi или другому беспроводному каналу передачи данных. Но примечательно то, что фактически эти модули имеют выход в Интернет «из коробки».

    Так же особенностью модулей является возможность программировать их на простом скрипт-ориентированном языке или вообще использовать Arduino IDE и его язык разработки программ, похожий на простой C/C++. Модули имеют немного портов ввода/вывода общего назначения, которые, можно аппаратно расширить, а интерфейсы, например, SPI, UART – служат для подключения к цифровым датчикам или к исполнительным механизмам.


    The ESP8266 WiFi Module is a self contained SOC with integrated TCP/IP. Photo: Vowstar / Wikipedia

    Итак, если раньше для обеспечения доступа к Интернет на уровне микроконтроллера требовалось программно реализовывать стек TCP/IP или же на плате использовать дополнительную микросхему, например, W5100 с аппаратной поддержкой проводной сети Ethernet, то сейчас беспроводный доступ к Интернет стал частью микропроцессорного модуля, значительно упрощая разработку. Хотя это и прибавляет проблемы с обеспечением безопасности на уровне конечного устройства, но такой вопрос вполне решаем в масштабах глобальной концепции Интернета вещей.

    Интернет меняет интерфейс взаимодействия человека и смарт-устройства. Если сейчас основной инструмент взаимодействия – это смартфон, то вскоре голосовое управление, дополненная реальность (Augmented Reality) и просто автономная интеллектуальная кнопка прочно займут свое место в нашей жизни. Например, кнопка Амазон Dash Button, позволяет моментально сделать заранее определенный заказ в известном Интернет-магазине. Немного другую кнопку AWS IoT, можно запрограммировать на взаимодействие людей, устройств, облака и различных сервисов.

    Примерно, как и с технологией Alexa Skills все программирование сводится к использованию без серверных облачных технологий AWS Lambda.


    Route Clicks to AWS Services. Image: Amazon

    Еще одна интересная идея и, как развитие концепции облачной кнопки, проект лаборатории Fluid Interfaces Массачусетского технологического института позволяет привязать физические кнопки и исполнительные механизмы друг к другу, используя технологию дополненной реальности. Предложено инновационное мобильное приложение для платформ Android и iOS под названием Reality Editor 2. Это приложение позволяет в пространстве, фиксируемом и снимаемом камерой смартфона и дополненном виртуальными линиями соединений, выбирать по предопределенным QR-кодам интерфейсы различных Интернет-вещей, связывая их воедино. Например, виртуально соединить независимую кнопку и лампу освещения и т.п.

    Дополненная реальность помогает стартапу Hayo визуализировать место привязки действия к смарт-объектам умного дома. В этом проекте планируется на основе специального 3D-сенсора, инфракрасного датчика и программного обеспечения в облаке, дать возможность управлять «поведением» умного дома обычными жестами и взаимодействием с окружающими предметами. А дополненная реальность позволяет в телефоне обучить систему и установить виртуальные метки. Интересно, конечно, как в этом проекте планируется бороться с ложным срабатыванием на жесты, но очевидно, большие данные и обработка на стороне облака должна помочь в решении этой задачи.

    Интересны не только супер-инновационные проекты, которые развивают концепцию взаимодействия устройств и людей на основе дополненной реальности, но и обычные разработки, например, климатическая система MeteoLogic компании GlobalLogic, которая использует интерфейс дополненной реальности для визуализации данных с датчиков.

    Несомненно, сейчас отличное время для выхода стартапов с проектами в области Интернета вещей, использующих речевое управление, дополненную реальность, различные готовые решения в облаках известных вендоров. Для этого, может еще не совсем готова архитектура социального Интернета вещей, особенно в области безопасности, а также в обеспечении переносимости приложений. Очевидно, приложения могут запускаться в облаке и использовать интерфейс обычного браузера или мобильного устройства. Но, возможно запуск приложения должен адаптироваться к конечной платформе и, например, вместо браузера переходить в нативный режим приложения смартфона или умных часов.


    Reality Editor 2 – a web-based tool for controlling the physical world. Video screenshot: Realityeditor

    Социальный интернет вещей – это прежде всего надежность и безопасность, подкрепленные доверием пользователей к смарт-устройствам. Всегда найдутся приверженцы беспрецедентной безопасности, кто заклеит камеру планшета изолентой, заблокирует беспроводные сети. Впрочем, так и должно быть, ведь любая технология не должна нарушать границы личной жизни, а сосуществовать с миром людей, дополняя и упрощая способы решения рутинных задач. Информационная безопасность устройств IoT сейчас полностью зависит от надежности протоколов Интернет, технологий передачи данных, криптоалгоритмов, методов авторизации, аутентификации людей и устройств. Пока, это в своем большинстве, централизованные системы. Возможно, стремительное развитие распределенных методов построения информационных систем на базе технологии блокчейна кардинально решит, как вопрос безопасности Интернета вещей, так и доверия пользователей к смарт-концентраторам и множеству подключенных устройств.

    В этом обзоре хотелось рассмотреть современные проекты и состояние вопроса взаимодействия в среде Интернета вещей, а также влияние социализации пользователей на развитие интерфейсов с электроникой и умными устройствами. Конечно, только вскользь затронут вопрос взаимодействия машин, но приведенные ссылки и размышления вокруг проблемы, позволяют сделать вывод о реализуемости в скором будущем концепции Social IoT.

    Сейчас интересно и захватывающе наблюдать за развитием различных инновационных проектов и самим конструировать, разрабатывать смарт-устройства и программные компоненты для их поддержки. Несомненно, что этот обзор не смог охватить все нюансы взаимодействия машин и людей, а также соответствующие проекты и идеи стартапов. Надеемся на ваши комментарии с примерами реализации таких идей и направлений развития умных устройств.


    Интересные ресурсы и ссылки:



    Дополненная реальность
    Blockchain & IoT

    Leave a comment