РОЗДІЛ 5 ІНТЕРНЕТ РЕЧЕЙ В ЕЛЕКТРОНІЦІ

ТЕМА 1 ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ ІНТЕРНЕТУ РЕЧЕЙ

1 Що таке Інтернет речей?

У зв'язку з бурхливим розвитком мереж з пакетною комутацією і перш за все Інтернету в початку 2000-х років світовий телекомунікаційний співтовариство спочатку виробило, а потім і приступило до реалізації нової парадигми розвитку комунікацій – мереж наступного покоління NGN (Next Generation Networks). Технології NGN вже пройшли еволюційний шлях розвитку від гнучких комутаторів (Softswitch) до підсистем мультимедійної зв'язку IMS (IP Multimedia Subsystem) і бездротових мереж довготривалої еволюції LTE (Long Term Evolution). При цьому завжди передбачалося, що основними користувачами мереж NGN будуть люди і, отже, максимальне число абонентів в таких мережах завжди буде обмежено чисельністю населення планети Земля.

Однак останнім часом значного розвитку набули методи радіочастотної ідентифікації RFID (Radio Frequency IDentification), бездротові сенсорні мережі WSN (Wireless Sensor Network), комунікації малого радіусу дії NFC (Near Field Communication) і межмашинного комунікації М2М (Machine-to-Machine), які, інтегруючись з Інтернет, дозволяють забезпечити простий зв'язок різних технічних пристроїв «речей», число яких може бути величезним. За розрахунками консалтингового підрозділу Cisco IBSG в проміжку між 2008 і 2009 роками кількість підключених до Інтернету предметів перевищило кількість людей, до 2015 року кількість підключених пристроїв досягне 25 мільярдів, а до 2020 року - 50 мільярдів (рис. 1).

Таким чином, в даний час відбувається еволюційний перехід від «Інтернету людей» до «Інтернету речей», IoT (Internet of Things).

У загальному випадку під Інтернетом речей розуміється сукупність різноманітних приладів, датчиків, пристроїв, об'єднаний в мережу за допомогою будь-яких доступних каналів зв'язку, що використовують різні протоколи взаємодії між собою і єдиний протокол доступу до глобальної мережі. У ролі глобальної мережі для Інтернету-речей в даний момент використовується мережа Інтернет. Спільним протоколом є IP.

Рисунок 1 – Шкала зміни кількості людей і предметів, підключених до інтернет (джерело: Cisco IBSG, 2011)

Слід відзначити, що Інтернет речей не виключає участь людини. IoT повністю не автоматизує речі, так як він орієнтований на людину і надає їй можливість доступу до речей. Але багато речей зможуть вести себе інакше, ніж ми уявляємо собі сьогодні. У IoT кожна річ має свій унікальний ідентифікатор, які спільно утворюють континуум речей, здатних взаємодіяти один з одним, створюючи тимчасові або постійні мережі. Так речі можуть брати участь в процесі їх переміщення, ділячись інформацією про поточні геопозиції, що дозволяє повністю автоматизувати процес логістики, а маючи вбудований інтелект, речі можуть змінювати свої властивості і адаптуватися до навколишнього середовища, в тому числі для зменшення енергоспоживання. Вони можуть виявляти інші, так чи інакше пов'язані з ними речі, і налагоджувати з ними взаємодію. IoT дозволяє створювати комбінацію з інтелектуальних пристроїв, об'єднаних мережами зв'язку, і людей. Спільно вони можуть створювати найрізноманітніші системи, наприклад, для роботи в середовищах, незручних або недоступних для людини (в космосі, на великій глибині, на ядерних установках, в трубопроводах і т.п.).

Вважається, що першу в світі інтернет-річ створив один з батьків протоколу TCP / IP Джон Ромки в 1990 році, коли він підключив до мережі свій тостер. Але тільки в 21 столітті в зв'язку з бурхливим розвитком інформаційно-комунікаційних технологій сформувалася концепція IoT і отримала своє практичне втілення. Процес розвитку Інтернету речей проілюстрований технологічної дорожньою картою, наведеної на рис. 2. Все почалося з необхідності оптимізації системи логістики та управління системою постачання підприємств. Друга хвиля інновацій була обумовлена необхідністю скорочення витрат в системах спостереження, безпеки, транспорту та ін. Третя була викликана потребою в геолокаційні сервісах. Четверта хвиля буде обумовлена необхідністю дистанційної присутності людини на місці роботи, що вимагає уваги оператора, що стало можливим завдяки мініатюрним вбудованим процесорам. А наступним кроком буде можливість створення майбутніх мереж (Future Networks) з комірчастою топологією, що включають в себе мітки, датчики, засоби вимірювання і пристрої керування.

Рисунок 2 - Технологічна дорожня карта Інтернету речей (джерело: SRI Consulting Business Intelligence)

 

З розвитком Інтернету речей все більше предметів будуть підключатися до глобальної мережі, тим самим створюючи нові можливості в сфері безпеки, аналітики і управління, відкриваючи все нові і більш широкі перспективи і сприяючи підвищенню якості життя населення. Передбачається, що в майбутньому «речі» стануть активними учасниками бізнесу, інформаційних і соціальних процесів, де вони зможуть взаємодіяти і спілкуватися між собою, обмінюючись інформацією про навколишнє середовище, реагуючи і впливаючи на процеси, що відбуваються в навколишньому світі, без втручання людини.

 

2 Базові принципи IoT

Інтернет речей ґрунтується на трьох базових принципах. По-перше, поширену комунікаційну інфраструктуру, по-друге, глобальну ідентифікацію кожного об'єкта і, по-третє, можливість кожного об'єкта відправляти і отримувати дані за допомогою персональної мережі або мережі Інтернет, до якої він підключений.

Найбільш важливими відмінностями Інтернету речей від існуючого інтернету людей є:

- фокус на речах, а не на людині;

- істотно більше число підключених об'єктів;

- істотно менші розміри об'єктів і невисокі швидкості передачі даних;

- фокус на зчитуванні інформації, а не на комунікаціях;

- необхідність створення нової інфраструктури і альтернативних стандартів.

Концепція мереж наступного покоління NGN передбачала можливість комунікацій людей (безпосередньо або через комп'ютери) в будь-який час і в будь-якій точці простору. Концепція Інтернету речей включає ще один напрямок - комунікація будь-яких пристроїв або речей (рис. 3).

 

Рисунок 3 - Новий напрямок комунікацій, що реалізовується Інтернетом речей (Джерело: МСЕ-Т Y.2060)

 

Концепція IoT і термін для її вперше сформульовані засновником дослідницької групи Auto-ID при Массачусетському технологічному інституті Кевіном Ештоном в 1999 році на презентації для керівництва компанії Procter & Gamble.

У презентації розповідалося про те, як впровадження радіочастотних міток RFID зможе видозмінити систему управління логістичними ланцюгами в корпорації. Офіційне визначення Інтернету речей наведено в Рекомендації МСЕ-Т Y.2060, згідно з яким IoT - глобальна інфраструктура інформаційного суспільства, забезпечує передові послуги за рахунок організації зв'язку між речами (фізичними або віртуальними) на основі існуючих і сумісних інформаційних і комунікаційних технологій, що розвиваються.

Під «речами» (things) тут розуміється фізичний об'єкт (фізична річ) або об'єкт віртуального (інформаційного) світу (віртуальна річ, наприклад мультимедійний контент або прикладна програма), які можуть бути ідентифіковані та об'єднані через комунікаційні мережі.

Крім поняття «річ», МСЕ-Т також використовує поняття «пристрій» (device), під яким розуміється частина обладнання з обов'язковими можливостями по комунікації і необов'язковими можливостями по сенсорингу / зондування, приведення в дію речі, збору, обробки та зберігання даних. Звідси випливає, що МСЕ-Т в більшій мірі приділяє уваги аспектам комунікацій і з’єднань, ніж додатків IoT.

Схема відображення фізичних і віртуальних речей представлена на рис. 4. з нього видно, що віртуальні речі можуть існувати без їх фізичних втілень, в той час як фізичних об'єктів / речам обов'язково відповідає мінімум один віртуальний об'єкт. При цьому провідну роль грають саме пристрої, які можуть збирати різну інформацію і поширювати її по комунікаційних мережах різними способами: через шлюзи і через мережу; без шлюзів, але через мережу; безпосередньо між собою. Рекомендація Y.2060 описує різне поєднання перерахованих способів з'єднань. Це вказує на те, що МСЕ-Т передбачає використання для IoT безлічі мережевих технологій - глобальних мереж, локальних мереж, бездротових самоорганізовуючих (ad-hoc) і комірчастих (mesh) мереж. Зазначені мережі зв'язку переносять дані, зібрані пристроями, до відповідних програмних додатків, а також передають команди від програмних додатків до пристроїв.

Рисунок 4 - Схема відображення фізичних і віртуальних речей (джерело: МСЕ-Т Y.2060)

 

Слід зазначити, що речі і пов'язані з ними пристрої можуть мати повноцінними керуючими процесорами для обробки даних у вигляді «системи-на кристалі », в тому числі з власною операційною системою, блоком сенсорингу / зондування навколишнього середовища і блоком комунікації.

Слід розрізняти поняття «Інтернет речей» і «Інтернет-річ». Під Інтернет-речами розуміється будь-який пристрій, який: має доступ до мережі Інтернет з метою передачі або запиту будь-яких даних, має конкретну адресу в глобальній мережі або ідентифікатор, за яким можна здійснити зворотний зв'язок з річчю, має інтерфейс для взаємодії з користувачем.

Інтернет-речі мають єдиний протокол взаємодії, згідно з яким будь-який вузол мережі рівноправний в наданні своїх сервісів. На шляху переходу до втілення ідеї Інтернету речей стояла проблема, пов'язана з протоколом IPv4, ресурс вільних мережевих адрес якого вже практично вичерпав себе. Однак підготовка до повсюдного впровадження версії протоколу IPv6 дозволяє вирішити цю проблему і наближає ідею Інтернету речей до реальності.

Кожен вузол мережі Інтернет-речей надає свій сервіс, надаючи якусь послугу поставки даних. У той же час вузол такої мережі може приймати команди від будь-якого іншого вузла. Це означає, що всі Інтернет-речі можуть взаємодіяти один з одним і вирішувати спільні обчислювальні завдання. Інтернет-речі можуть утворювати локальні мережі, об якоюсь однією зоною обслуговування або функцією.

 

3 Стандартизація IoT

Питаннями стандартизації та практичного впровадження окремих складових Інтернету речей (М2М, RFID, сенсорних мереж та ін.) займаються міжнародні організації, неурядові асоціації, альянси виробників і операторів, партнерські проекти. В цілому для Інтернету речей, як нового напряму розвитку інфокомунікацій, в даний час визначені найзагальніші концептуальні і архітектурні рішення. Найближчим часом основною проблемою буде гармонізації різних стандартів з метою формування єдиної і несуперечливої нормативної бази для практичної реалізації Інтернету речей.

В рамках діяльності сектора стандартизації телекомунікацій Міжнародного союзу електрозв'язку (МСЕ-Т) є три глобальні ініціативи GSI (Global Standards Initiative). Під глобальною ініціативою розуміється комплекс робіт, виконуваних паралельно різними дослідницькими комісіями МСЕ відповідно до плану роботи. Одна з таких ініціатив присвячена стандартизації Інтернету речей - IoT-GSI (Global Standards Initiative on Internet of Things). Дві інші глобальні ініціативи - по стандартизації мереж наступних поколінь NGN-GSI і систем телебачення на основі протоколу Інтернет IPTV-GSI - також базуються на використанні IP-технологій, як і IoT-GSI.

IoT-GSI будує свою роботу на основі зусиль МСЕ-Т в таких областях, як мережеві аспекти ідентифікаційних систем (Network Identificator, NID), всепроникні сенсорні мережі (Ubiquitous Sensor Networks, USN), міжмашинний зв'язок (M2М), WEB речей (WoT). В рамках серії МСЕ-Т Y.2хxx, присвяченій мережам наступного покоління NGN, вже затверджені перші рекомендації, присвячені спеціально Інтернету речей: Y.2060 «Огляд Інтернету речей», Y.2063 «Основа WEB речей» і Y.2069 «Терміни та визначення Інтернету речей». В Рекомендації Y.2060 приведена еталонна модель IoT, яка дуже схожа на модель NGN і також включає чотири базових горизонтальних рівня (рис. 5):

- рівень додатків IoT;

- рівень підтримки додатків і послуг;

- мережевий рівень;

- рівень пристроїв.

Рисунок 5 – Еталонна модель IоT згідно МСЕ-Т Y.2060

 

Рівень додатків IoT в Рекомендації Y.2060 детально не розглядається.

Рівень підтримки додатків і послуг включає загальні можливості для різних об'єктів IoT з обробки та зберігання даних, а також можливості, необхідні для Деякі програми IoT або груп таких додатків. Мережевий рівень включає мережеві можливості (функція управління ресурсами мережі доступу та транспортної мережі, управління мобільністю, функції авторизації, аутентифікації і розрахунків, AAA) і транспортні можливості (забезпечення зв'язності мережі для передачі інформації додатків і послуг IoT). Нарешті, рівень пристроїв включає можливості пристрою і можливості шлюзу.

Можливості пристрою припускають прямий обмін з мережею зв'язку, обмін через шлюз, обмін через бездротову динамічну ad-hoc мережа, а також тимчасову зупинку і відновлення роботи пристрою для енергозбереження. Можливості шлюзу припускають підтримку безлічі інтерфейсів для пристроїв (шина CAN, ZigBee, Bluetooth, WiFi і ін.) для мереж доступу / транспортних мереж (2G / 3G, LTE, DSL і ін.). Іншою можливістю шлюзу є підтримка конверсії протоколів, в разі, якщо протоколи інтерфейсів пристроїв і мереж відрізняються один від одного.

Існує також два вертикальних рівня - рівень управління і рівень безпеки, що охоплюють всі чотири горизонтальних рівня. Можливості вертикального рівня експлуатаційного управління передбачають управління наслідками відмов, можливостями мережі, конфігурацією, безпекою та даними для білінгу. Основними об'єктами управління є пристрої, локальні мережі та їх топологія, трафік і перевантаження на мережах. Можливості вертикального рівня безпеки залежать від горизонтального рівня. Для рівня підтримки програм та послуг визначено функції AAA, антивірусний захист, тести цілісності даних. Для мережевого рівня - можливості авторизації, аутентифікації, захисту інформації протоколів сигналізації. На рівні пристроїв - можливості авторизації, аутентифікації, контроль доступу і конфіденційність даних.

Основною метою проекту Європейського інтеграційного проекту IoT-A (Internet of Things - Architecture), учасниками якого є різні компанії, є розробка еталонної архітектурної моделі Інтернету речей з описом основних складових компонентів, яка б дозволила інтегрувати різнорідні технології IoT в єдину взаємопов'язану архітектуру.

Функціональна модель IoT-A (рис. 6) дещо відрізняється від моделі МСЕ (див. рис. 5), хоча вона теж є ієрархічною, але складається вже з семи горизонтальних рівнів, що доповнюються двома вертикальними (управління і безпеку), які беруть участь у всіх процесах.

 

Рисунок 6 - Функціональна модель архітектури IoT-A

 

Якщо звернутися до технічних особливостей моделі на рис. 7, то можна сказати, що модель передачі даних в Інтернеті речей IoT-A буде відрізнятися від існуючої моделі передачі даних через Інтернет. У моделі архітектури IoT-A фігурують два важливих поняття. Мережа з обмеженнями характеризується відносно низькими швидкостями передачі - менше 1 Мбіт (наприклад, стандарт IEEE 802.15.4) і досить високими затримками. Мережа без обмежень відповідно характеризується високими швидкостями передачі даних (десятки Мбіт / с і більше) і схожа на існуючу мережу Інтернет.

Різницю даних моделей мереж показано на рис. 7.

Рисунок 7 - Порівняння моделей передачі даних в Інтернеті і в IoT

 

4 Архітектура IoT

Інтернет речей концептуально належить до мереж наступного покоління, тому його архітектура багато в чому схожа з відомою чотиришаровій архітектурою NGN. IоT складається з набору різних інфокомунікаційних технологій, що забезпечують функціонування Інтернету речей, і його архітектура показує, як ці технології пов'язані один з одним. Архітектура IоT включає чотири функціональних рівня (рис. 8).

Рисунок 8 - Архітектура IoT

1 Рівень сенсорів і сенсорних мереж.

Найнижчий рівень архітектури IoT складається з «розумних» (smart) об'єктів, інтегрованих з сенсорами (датчиками). Сенсори реалізують з'єднання фізичного і віртуального (цифрового) світів, забезпечуючи збір та обробку інформації в реальному масштабі часу. Мініатюризація, яка призвела до скорочення фізичних розмірів апаратних сенсорів, дозволила інтегрувати їх безпосередньо в об'єкти фізичного світу. Існують різні типи сенсорів для відповідних цілей, наприклад, для вимірювання температури, тиску, швидкості руху, місця розташування. Сенсори можуть мати невелику пам'ять, даючи можливість записувати кілька результатів вимірювань. Сенсор може вимірювати фізичні параметри контрольованого об'єкта / явища і перетворити їх в сигнал, який може бути прийнятий відповідним пристроєм. Сенсори класифікуються відповідно до їх призначення, наприклад, сенсори навколишнього середовища, сенсори для тіла, сенсори для побутової техніки, сенсори для транспортних засобів.

Більшість сенсорів вимагає з'єднання з агрегатором сенсорів (шлюзом), які можуть бути реалізовані з використанням локальної обчислювальної мережі (LAN, Local Area Network), таких як Ethernet і Wi-Fi або персональної мережі (PAN, Personal Area Network), таких як ZigBee, Bluetooth і ультрашірокополосной бездротового зв'язку на малих відстанях (UWB, Ultra-Wide Band). Для сенсорів, які не вимагають підключення до агрегатора, їх зв'язок з серверами / додатками може надаватися з використанням глобальних бездротових мереж WAN, таких як GSM, GPRS і LTE.

Сенсори, які характеризуються низьким енергоспоживанням і низькою швидкістю передачі даних, утворюють широко відомі бездротові сенсорні мережі (WSN, Wireless Sensor Network). WSN набирають все більшої популярності, оскільки вони можуть містити набагато більше сенсорів з підтримкою роботи від батарей і охоплюють великі площі.

2 Рівень шлюзів і мереж.

Великий обсяг даних, що створюються на першому рівні IoT численними мініатюрними сенсорами, вимагає надійної та високопродуктивної провідний або бездротової мережевої інфраструктури в якості транспортного середовища. існуючі мережі зв'язку, що використовують різні протоколи, можуть бути використані для підтримки міжмашинних комунікацій M2M і їх додатків. Для реалізації широкого спектру послуг і додатків в IoT необхідно забезпечити спільну роботу безлічі мереж різних технологій і протоколів доступу в гетерогенної конфігурації. ці мережі повинні забезпечувати необхідні значення якості передачі інформації, і перш за все по затримці, пропускній спроможності і безпеці. Даний рівень складається з конвергентної мережевої інфраструктури, яка створюється шляхом інтеграції різнорідних мереж в єдину мережеву платформу. Конвергентний абстрактний мережевий рівень в IoT дозволяє через відповідні шлюзи декільком користувачам використовувати ресурси в одній мережі незалежно і спільно без шкоди для конфіденційності, безпеки і продуктивності.

3 Сервісний рівень

Сервісний рівень містить набір інформаційних послуг, покликаних автоматизувати технологічні і бізнес операції в IoT: підтримки операційної і бізнес діяльності (OSS / BSS, Operation Support System / Business Support System), різної аналітичної обробки інформації (статистичної, інтелектуального аналізу даних і текстів, прогностична аналітика і ін.), зберігання даних, забезпечення інформаційної безпеки, управління бізнес-правилами (BRM, Business Rule Management), управління бізнес-процесами (BPM, Business Process Management).

4 Рівень додатків

На четвертому рівні архітектури IoT існують різні типи додатків для відповідних промислових секторів і сфер діяльності (енергетика, транспорт, торгівля, медицина, освіта та ін.). Додатки можуть бути «вертикальними», коли вони є специфічними для конкретної галузі промисловості, а також «Горизонтальними», (наприклад, управління автопарком, відстеження активів і ін.), які можуть використовуватися в різних секторах економіки.

 

5 Веб речей WoТ

Складовою частиною Інтернету речей є Веб речей (WEB of Things, WoT), який забезпечує взаємодію різних інтелектуальних об'єктів («речей») з використанням стандартів і механізмів Інтернет, таких як уніфікований (Однаковий) ідентифікатор ресурсу URI (Uniform Resource Identifier), протокол передачі гіпертексту HTTP (HyperText Transfer Protocol), стиль побудови архітектури розподіленого додатка REST (Representational State Transfer) та ін. Фактично WoT передбачає реалізацію концепції IoT на прикладному рівні з використанням вже існуючих архітектурних рішень, орієнтованих на розробку web-додатків. Іншими словами дані з розумних речей або управління ними повинно бути доступно через WWW-сторінки. На рис. 9 показаний приклад, як використовуючи спеціальну сторінку в інтернет через браузер можна вважати дані з датчика світла в бездротової сенсорної мережі або змінити колір четвертого індикатора в сенсорі.

Рисунок 9 - Приклади веб-взаємодії з пристроями сенсорної мережі

 

Основні властивості WoT:

1. Використовує протокол HTTP в якості додатку, а не в якості транспортного механізму передачі даних, як він застосовується для традиційних WWW-послуг.

2. Забезпечує синхронну роботу інтелектуальних (смарт) об'єктів через прикладний програмний інтерфейс REST (також відомий як RESTful API) і в цілому відповідає ресурсно-орієнтованої архітектури ROA (Resource-Oriented Architecture).

3. Надає асинхронний режим роботи інтелектуальних об'єктів з використанням в значній мірі стандартних Web-технологій, таких як Atom, містить формат для опису ресурсів на веб-сайтах і протокол для їх публікації, або Web-механізмів передачі даних, таких як модель роботи веб-додатки Comet, при якій постійне HTTP-з'єднання дозволяє веб-серверу відправляти дані браузеру без додаткового запиту з боку браузера.

Ці характеристики WoT забезпечують просту взаємодія інтелектуальних об'єктів через Інтернет, крім того вони реалізують однаковий інтерфейс для доступу і підтримки функціональності смарт-об'єктів.

З концепцією WoT перегукується ідея Семантичної павутини (Semantic Web) – це напрямок розвитку Всесвітньої павутини WWW, метою якого є представлення інформації у вигляді, придатному для машинної обробки. Термін «семантична павутина» був вперше введений Тімом Бернерс-Лі (винахідником Всесвітньої павутини) в травні 2001 року. Концепція семантичної павутини була прийнята і просувається Консорціумом Всесвітньої павутини W3C (World Wide Web Consortium).

У звичайній мережі, заснованій на HTML-сторінках, інформація закладена в тексті сторінок і витягується людиною за допомогою браузера. Семантична ж павутина передбачає запис інформації у вигляді семантичної мережі за допомогою онтологій. Під онтологією розуміється формальне явне опис понять в аналізованої предметної області (класів). Онтологія разом з набором індивідуальних примірників класів утворює базу знань. Таким чином, програма-клієнт може безпосередньо отримувати з павутини факти і робити з них логічні висновки. Семантична павутина працює паралельно зі звичайною Павутиною і на її основі, використовуючи протокол HTTP і ідентифікатори URL.

Незважаючи на всі переваги, що надаються семантичної павутиною в разі її впровадження, існують певні сумніви в можливості її повної реалізації. Вказуються різні причини, які можуть бути перешкодою до цього, починаючи з людського фактора (люди схильні уникати роботи з підтримкою документів з метаданими, відкритими залишаються проблеми істинності метаданих). Крім того необхідність опису метаданих так чи інакше призводить до дублювання інформації. Кожен документ повинен бути створений в двох примірниках: розмічених для читання людьми, а також в машинно-орієнтованому форматі.

 

6 Інтернет нано-речей

Нано-технології привели до розробки мініатюрних пристроїв, розміри яких варіюються від одного до декількох сотень нано-метрів. На цьому рівні нано-машини складаються з нано-компонентів і представляють собою окремі функціональні блоки, здатні виконувати прості вимірювальні, регулюючі або керуючі операції.

Координація та обмін інформацією між нано-пристроями дозволяють утворювати так звані нано-мережі. У разі з'єднання нано-пристроїв з існуючими мережами й Інтернетом виникає нова мережева парадигма, що називається Інтернетом нано-речей.

Для взаємодії нано-пристроїв з існуючими мережами та Інтернетом потрібна розробка Нових мережевих архітектур. На рис. 10 представлена архітектура Інтернету нано-речей в двох різних реалізаціях - мережа на тілі людини для моніторингу показників здоров'я і відправлення їх в медичний центр, й сучасна офісна мережа, яка з'єднує безліч різних пристроїв.

Рисунок 10 - Приклади архітектури Інтернету нано-речей

 

Мережа на тілі людини складається з нано-сенсорів і нано-актуаторів, які можуть відправляти інформацію через зовнішній шлюз до медичного закладу. В даному випадку на нано-рівні використовуються молекули, протеїни, ДНК, органічні речовини і основні компоненти клітин. Таким чином, біологічні нано-сенсори і нано-актуатори забезпечують інтерфейс між біологічним середовищем людини і електронними нано-пристроями, які можуть використовуватися в новій мережевий парадигмі - Інтернеті нано-речей.

Офісна мережа з'єднує безліч навіть самих невеликих пристроїв з нано-передавачами, що забезпечують з'єднання з мережею Інтернет. В результаті цієї взаємодії користувач може відстежувати стан і місцезнаходження будь-яких речей, без будь-яких зусиль і часових витрат. При розробці нових мініатюрних пристроїв можуть використовуватися самі передові енергозберігаючі технології, що дозволяють отримувати механічну, електромагнітну та інші види енергії з довкілля. Незалежно від сфери застосування, основними компонентами архітектури мережі Інтернету нано-речей є:

1. Нано-вузли - мініатюрні і найпростіші нано-пристрої. дозволяють виконувати найпростіші розрахунки, мають обмежену пам'ять і обмежену дальність передачі сигналів. Прикладами нано-вузлів можуть бути біологічні нано-сенсори на людському тілі або всередині нього або нано-пристрої, вбудовані в повсякденні навколишні нас речі - книги, годинник, ключі.

2. Нано-шлюзи - дані нано-пристрої мають відносно високу продуктивність в порівнянні з нано-вузлами і виконують функцію збору інформації від нано-вузлів. Крім того, нано-шлюзи можуть контролювати поведінку нано-вузлів шляхом виконання простих команд (вкл. / викл., режим сну, передати дані).

3. Нано-мікро інтерфейси - пристрої, які збирають інформацію від нано-шлюзів, і передають її в зовнішні мережі. Дані пристрої включають в себе як нано-технології комунікацій, так і традиційні технології для передачі інформації в існуючі мережі.

4. Шлюз – пристрій, що здійснює контроль всієї нано-мережі через мережу Інтернет. Наприклад, у випадку мережі з сенсорами на тілі людини цю функцію може виконувати мобільний телефон, який транслює інформацію про показники людини в медичний заклад.

 

7 Когнітивний Інтернет речей CIoT

Інтернет речей є відкритою парадигмою, яка надзвичайно сприйнятлива і адаптивна для нових принципів і архітектур, що відносяться до різних напрямів розвитку науки і техніки. У зв'язку з цим корисним буде використання в IoT принципів і методів когнітивності (лат. cognitio, «пізнання, вивчення, усвідомлення») шляхом створення когнітивного Інтернету речей CIoT (Cognitive Internet of Things).

Когнітивність означає наявність у об'єкта IoT наступних загальних властивостей:

- здатність до самоаналізу і реконфігурації з врахуванням наявного оточення, а також маючи на меті досягнення цілей, обумовлених виконуваними завданнями;

- здатність адаптувати свій стан згідно з наявними умовами або подіями, на основі певних критеріїв і знань про попередні стани;

- можливість динамічно змінювати свою топологію і / або експлуатаційні параметри відповідно до вимог конкретного користувача, коли це необхідно в рамках поточної політики обслуговування, оптимізації пропускної здатності мережі або інших показників;

- самоконфігурація з наявністю розподіленого управління на основі правил;

- можливість самостійного визначення свого поточного стану і, з урахуванням цього стану - планування своєї роботи, приймаючи певні рішення у відповідь на ситуацію, що склалася.

На практиці когнітивні Інтернет-речі зможуть:

- використовувати технології отримання знань про своє операційне і географічне середовище, місцезнаходження, наприклад за допомогою стандартних технологій позиціонування GPS / ГЛОНАСС;

- встановлювати самостійно або використовувати готові правила взаємодії між об'єктами (Інтернет-речами);

- динамічно і автономно коригувати свої операційні (робочі) параметри і протоколи відповідно до отриманих знань для досягнення заздалегідь визначених цілей, зокрема вибирати найбільш підходящу технологію передачі радіосигналу;

- навчатися на основі досягнутих результатів з використанням кращих практик і найбільш ефективних політик для досягнення цілей створення IoT.

Розглянемо деякі припущення щодо створення архітектури когнітивного Інтернету речей. Концепція CIoT передбачає наявність IoT з механізмами кооперації і «розумності». Об'єкти CIoT зможуть скласти певне уявлення про стан та умови функціонування навколишніх об'єктів, сприймати знання про оточуючі об'єкти, продукувати логічні висновки з накопичених знань і здійснювати дії щодо адаптації до зовнішніх і внутрішніх умов. Відповідно, в архітектурі CIoT (рис. 11) з'являються когнітивні вузли CN (cognitive node) або когнітивні елементи CE (cognitive element), які здатні автономно оптимізувати, наприклад, технічні характеристики мережі відповідно до визначених умовами. В свою чергу CE або CN об'єднуються в домени автономності AD (Autonomous Domain), де ці пристрої щодо тісно пов'язані між собою, в тому числі на певній території, і можуть поєднувати свою поведінку. При цьому кожен CE або СN зберігає властивість автономності. У свою чергу, домени AD можуть транскордонно взаємодіяти і кооперуватися через Мультидоменну кооперацію MDC (Multi-Domain Cooperation). Для організації такої взаємодії в кожному автономному домені використовується когнітивний агент СА (Cognitive Agent), який взаємодіє з CE або CN в своєму домені. Таким чином, взаємодія доменів можлива як в цілому, так і на рівні окремого когнітивного елемента. При цьому в кожному домені AD існують і прості, що не когнітивні вузли, які, знаходяться під контролем когнітивних вузлів.

Рисунок 11 - Архітектура когнітивного Інтернету речей CIoT

 

Основою для розвитку схеми когнітивного управління є концепція віртуального об'єкта VO (Virtual Object), який є представленням фізичного об'єкта або об'єкта реального світу RWO (Real-World Object), що в принципі не суперечить вимогам Рекомендації МСЕ-Т Y.2060. Віртуальний об'єкт динамічно створюється або видаляється, створюючи тим самим уявлення динаміки змін RWO. Для опису можливостей автоматичної агрегації VO, щоб забезпечити умови для виконання додатків в запропонованій схемі когнітивного управління вводиться поняття концепції композитних (складених) віртуальних об'єктів CVO (Composite VO) (рис. 12).

Рисунок 12 - Схема когнітивного управління

 

Розглянемо застосування концепції CIoT на прикладі оптимізації часу надання невідкладної допомоги хворому за конкретною адресою. Хворий перебуває під дистанційним контролем системи медичного моніторингу на базі послуги IoT. Сенсорна система на тілі хворого («body sensor») зафіксувала різку і тривалу зміну параметрів стану людини - різке почастішання дихання, пульсу, серцеву аритмію, ознаки непритомності. Показання сенсорів - RWO, призводять до зміни стану об'єктів VO, пов'язаних з RWO через шлюз. Спеціальний додаток для обробки і трансляції показань сенсорів обробляє зазначену інформацію VO і перетворює її до виду, який може бути використаний CVO, в даному випадку - медичним центром за допомогою процедури запиту і збіги ситуації RSM «Request and Situation Matching». Однак якщо в ході пошуку необхідний CVO не знайдений, або відсутній вільний медичний автомобіль (ситуація «всі на виїзді»), то за допомогою процедури прийняття рішень задіюється інший відповідний для даного випадку VO, наприклад сенсор пожежної сигналізації. В результаті в схемі бере участь новий CVO - служба порятунку - на основі аналізу близькості ситуації до небезпечної для здоров'я людини. В результаті швидка допомога може бути надана хворому не медичним центром, а службою порятунку, фахівці якої також мають навички медичної допомоги. З урахуванням того, що подія відбувається в «розумному місті», медична інформація про стані хворого може транслюватися паралельно на CVO медичного центру і на CVO «розумного автомобіля» служби порятунку. Одночасно тривожне повідомлення транслюється на CVO служби регулювання дорожнього руху, яка організовує «Зелену вулицю» в напрямку будинку хворого. Таким чином, описана ситуація наочно показує переваги когнітивності і когнітивного управління стосовно Інтернету-речей.

 

8 Способи взаємодії з Інтернет-речами

Використовують 3 способи взаємодії з Інтернетом речей:

1) прямий доступ;

2) доступ через шлюз;

3) доступ через сервер.

У разі прямого доступу, Інтернет-речі повинні мати свою власну IP-адресу або псевдонім мережі, який може бути доступний з будь-якого клієнтського додатку і повинен виступати в якості веб-сервера. Інтерфейс з такими речами зазвичай робиться у вигляді web-ресурсу з графічним інтерфейсом для управління через веб-браузер. Можна використовувати спеціалізоване програмне забезпечення. В такі веб-пристрої повинен бути інтегрований прикладний програмний інтерфейс RESTful API для прямого доступу до них через Інтернет. Відповідну архітектуру WoT показано на рисунку 13.

Рисунок 13 - Прямий доступ до IP-пристроїв через API

 

Кожен пристрій має свою IP-адресу, діє як веб-сервер і використовує  інтерфейс RESTful API для реалізації веб-додатку, який об'єднує дані з декількох джерел в один інтегрований сервіс. При такому об’єднанні утворюється новий унікальний веб-сервіс, який спочатку не пропонується жодним з джерел даних.

Недоліки такого способу очевидні:

– необхідність мати фіксовану адресу в мережі, яка залежить від постачальника послуг зв'язку з Інтернетом таких речей; ще один вихід із ситуації - використання мережевого псевдоніму IP-адреси (alias), який вимагає постійного доступу Інтернет-речі до спеціального серверу з проханням оновити мережеву адресу по псевдоніму;

– ліміт підключень до пристрою викликаний низькою якістю зв'язку Інтернет-речей, а також їх слабкими обчислювальними ресурсами. Ця проблема вирішується шляхом включення високопродуктивного обладнання в склад Інтернет-речі і підключення речей до стабільного джерела зв'язку з Інтернетом. Це викликає потребу в більшому споживанні енергії такою річчю і часто змушує робити такі речі стаціонарними, такими, що живляться постійними джерелами електроенергії.

Якщо Інтернет-речі не мають вбудованої підтримки IP і HTTP-протоколів, але підтримують приватні протоколи, наприклад, такі як Bluetooth або ZigBee, то для взаємодії з ними може використовуватися спеціальний Інтернет-шлюз (рис. 14). Це веб-сервер, який зв'язується з IP-пристроями через REST-API і перетворює запити від них в запит на конкретний API пристрою, підключеного до цього шлюзу. Головною перевагою використання Інтернет-шлюзу є те, що він може підтримувати кілька типів пристроїв, які використовують власні протоколи для зв'язку.

Рисунок 14 - Доступ до пристроїв, без IP-адреси, через інтелектуальний шлюз

 

Доступ до Інтернет-речей через шлюз є більш раціональним способом організації взаємодії і повністю замінює метод прямого доступу в разі необхідності організації підключення бездротових сенсорних мереж або мережі Інтернет-речей з глобальною мережею Інтернет. Більшість стандартів бездротових сенсорних мереж не підтримують IP, використовуючи власні протоколи взаємодії. Ця функція вимагає наявності пристрою для ретрансляції повідомлень з сенсорної мережі в Інтернет для сумісності протоколів.

Недоліки такого підходу такі ж, як і у випадку прямого доступу, але вони вже стосуються шлюзу.

Третя форма взаємодії пристроїв в IoT через сервер має на увазі наявність посередника між ІІнтернет-речами і користувачем, може бути реалізована за допомогою посередницької платформи даних. Такий підхід передбачає наявність централізованого сервера або групи серверів, основними функціями яких є:

·     отримувати повідомлення від Інтернет-речей і передавати їх користувачам;

·     зберігання отриманої інформації та її обробка;

·     забезпечення інтерфейсу користувача з можливістю двостороннього обміну між користувачем та Інтернет-речами.

Основною метою використання проміжних платформ даних є спрощення пошуку, контролю, візуалізації та обміну даними з різними «речами». Цей підхід базується на централізованому сховищі даних. Кожен пристрій, який має доступ до Інтернету (прямий або через інтернет-шлюз), повинен бути зареєстрований в системі, перш ніж він зможе почати передавати дані. При цьому вимоги до продуктивності пристроїв значно знижуються, так як вони не зобов'язані виконувати функції веб-сервера. Набір інструментів, які надаються платформами, значно спрощує розробку нових додатків для взаємодії та управління об'єктами WoT.

Даний спосіб доступу є найбільш раціональним і часто використовуваним, так як дозволяє перенести навантаження обробки запитів користувачів з Інтернету речей на централізований сервер, тим самим розвантаживши слабкий канал радіозв'язку інтернет- речей, перенісши навантаження на дротові канали зв'язку між сервером і користувачами.

Централізований серверний метод, також забезпечує кращий спосіб зберігання та обробки інформації, дозволяючи інтернет-речам взаємодіяти один з одним і користуватися хмарними обчисленнями. Цей підхід, також може використовувати шлюзовий метод для підключення локальних бездротових мереж до сервера.

В Інтернеті речей шлюз використовується не тільки для прямого зв’язку інтернету речей з користувачем, але і при використанні централізованого сервера. Шлюзи служать засобом для об'єднання локальних мереж інтернет-речей з глобальною мережею та зв'язком з сервером керування або кінцевим користувачем. Оскільки локальні мережі інтернет-речей в основному є бездротовими сенсорними мережами, шлюзи, що використовуються в Інтернеті речей, схожі на ті, що використовуються в територіально розподілених сенсорних мережах. Існує кілька способів організації шлюзів.

Перший спосіб – це використання комп'ютерів, які мають точку доступу до глобальної мережі  Інтернет, і кожна з об’єднаних мереж  підключена до такого комп'ютера. Основними недоліками такого підходу є вартість і громіздкість. Сенсорні мережі складаються з мініатюрних датчиків, що повинні працювати автономно, але територіально-розподілена сенсорна мережа при такому підході втрачає властивість автономності, оскільки зараз залежить від наявності електроенергії і точки доступу до Інтернету на комп'ютері.

Другий спосіб – це використання шлюзового пристрою, який дозволяє підключити сенсорну мережу до найближчої дротової мережі, яка має доступ до Інтернету. Така дротова мережа, як правило, є мережею Ethernet. Пристрій має прийомо-передавач, сумісний з об’єднуваною сенсорною мережею, порт для підключення до мережі Ethernet, і мікроконтролер, який виконує функції перетворення пакетів з однієї мережі в формат  іншої.  Такий спосіб відрізняється меншою вартістю, ніж перший і розмір такого пристрою невеликий, але він потребує відносно високому споживанні електроенергії через те, що стандартні дротові мережі не призначені для низької потужності сигналу і енергоспоживання. Також, такий пристрій не може гарантувати наявність точки доступу в найближчій дротовій мережі.

Третій спосіб полягає у використанні шлюзового пристрою, який є повністю автономним і  самостійно забезпечує точку доступу мережі в Інтернет. Це можливо при використанні бездротових технологій передачі даних. Пристрій складається з одного прийомо-передавача, сумісного з сенсорною мережею, і другого, сумісного з тією або іншою глобальною бездротовою мережею, в область дії якої потрапляє сенсорна мережа. Такими мережами можуть бути GSM або WiMAX. Використання  мережі GSM є більш економічним з точки зору енергоспоживання.

Існують також шлюзи, які забезпечують доступ до сенсорних мереж до найближчих мереж Wi-Fi, щоб знайти точку доступу до Інтернету.

Таким чином, якщо необхідно організувати повністю автономну територіально-розподілену сенсорну мережу, то слід використовувати третій метод. Якщо сенсорна мережа використовується як частина великої дротової мережі, то немає необхідності в повній автономності і можна використовувати перші два способи.

 

9 Зрілість концепції IoT та її складових технологій

З 1995 року відома дослідницька компанія Gartner регулярно створює графіки циклу зрілості технології (так звана S-подібна крива або крива хайпа), яка позначає технології, що знайшли свою нішу і продовжують стабільно розвиватися, яким приділяється надмірна увага і які знаходяться на самому початку їх створення. З 2011 року Gartner ставить Інтернет речей в загальний цикл зрілості нових технологій на початковому етапі «технологічного тригера» з вказаною датою становлення більше 10 років, а в 2012 році був випущений спеціальний цикл зрілості для технологій, що складають основу IoT (рис. 15).

Звичайно, важко точно передбачити, коли саме технологія IoT досягне повної зрілості. У будь-якому випадку, переваги Інтернету речей очевидні, і це дає підстави стверджувати, що він стане повсюдним.

Оскільки, основні компоненти Інтернету речей, такі як: бездротові сенсорні мережі (Wireless Sensor Network, WSN), комунікації ближнього радіусу дії (NFC, Near Field Communication) і зв'язок «машина-машина» (M2M, Machine-to-Machine), вже пройшли пік високих очікувань і знаходяться на третьому етапі - позбавлення від ілюзій, для того, щоб концепція IoT отримала стабільний розвиток в майбутньому, необхідна її практична актуальність. Це станеться, якщо Інтернет речей продемонструє на практиці нові, більш широкі можливості комунікації будь-яких речей в різних сферах людської діяльності.

 

Рисунок 15 – Цикл зрілості технології IoT (джерело: Gartner, 2012)

 

10 Взаємодія ІоТ з перспективними технологіями інфокомунікацій

Важливу роль у формуванні та успішному впровадженні Інтернету речей відіграють різні перспективні інфокомунікаційні технології, такі як великі дані, хмарні технології повсюдна комп'ютеризація, з якими IoT активно взаємодіє. Еволюція Інтернету речей і пов'язаних з ним технологій інфокомунікацій на найближче майбутнє показана на рис. 16. В даний час IoT знаходить своє практичне втілення в основному у вигляді систем М2М, найближчим часом на основі чіпсетів з наднизьким енергоспоживанням і мініатюрними RFID-мітками будуть створені інтегральні сенсорні мережі, а потім і когнітивні мережі («розумні» мереж на основі знань).

Рисунок 16 – Еволюція Інтернету речей та пов'язаних з ним інформаційно-комунікаційних технологій (Джерело: IDA, Сінгапур, 2012)

 

Великі дані (Big Data)

До початку XX століття кількість знань подвоювалася кожне століття, сьогодні об’єм знань людства подвоюється кожні 2-3 роки. 70% всієї доступної інформації з'явилося після винаходу Інтернету. Інтернет речей радикально збільшує обсяг зібраних даних, що є наслідком величезної кількості джерел інформації (в першу чергу різних датчиків). Гігантські сенсорні мережі вже виробляють великі потоки даних, які потрібно вміти не тільки зберігати, але і обробляти, робити з них висновки, приймати рішення – і все це з урахуванням неточності як оригінальних даних, так і процедур обробки. В кінці 2000-х років був сформований підхід для обробки великих обсягів даних під назвою «великі дані» (англ. Big Data) - ряд інструментів і методів обробки структурованих і неструктурованих даних величезних обсягів і значної різноманітності для отримання необхідних результатів обробки. В якості визначальних характеристик  для більшості даних визначають «три V»: об'єм (англ. volume, в сенсі величини фізичного обсягу), швидкість (англ. velocity, як швидкість зростання, так і необхідності високошвидкісної обробки і отримання результатів), різноманітність (англ. variety, в сенсі можливості одночасної обробки різних видів структурованих і неструктурованих даних) (рис. 17).

Рисунок 17 – Три основні характеристики великих даних

 

Основна відмінність великих даних від «звичайних» полягає в тому, що ці дані не можуть оброблятися традиційними системами управління базами даних (СУБД) і рішеннями класу Business Intelligence через їх великий об’єм і різноманітний склад. Ще однією важливою властивістю є його феноменальне прискорення накопичення даних і постійна зміна. Такі популярні задачі, як зведення даних, отриманих з різних джерел (Data Cleaning, Data Merging, De-deduplication), вимагають спеціальних методів аналізу у випадку виявлення неточних даних, особливо даних величезних розмірів. У зв'язку з цим був розроблений набір інструментів під назвою «великі дані», які дозволяють працювати з даними незалежно від їх типу і обсягу.

Передбачається, що впровадження технологій великих даних матиме найбільший вплив на інформаційні технології у виробництві, охороні здоров'я, торгівлі, державному управлінні, а також у сферах та галузях, де фіксуються індивідуальні переміщення ресурсів та де потенційно можуть використовуватися технології Інтернету речей.

Хмарні обчислення (Cloud Computing)

Оскільки Інтернет речей генерує «великі дані», то виникає природне питання: де їх зберігати і як їх обробляти? Відповіддю на це питання є перспективна технологія інфокомунікацій – хмарні обчислення (CC, Cloud Computing). Хмарні обчислення передбачають оренду послуг і ресурсів для зберігання і обробки даних в глобальній мережі замість власної інфраструктури. Системи CC повинні мати п'ять основних характеристик: самообслуговування на вимогу, широкосмуговий доступ до мережі, ресурсний пул, можливість швидкої зміни налаштувань або розширення, і вимірюваний сервіс.

Існує чотири моделі розвитку хмарної інфраструктури (так званих "хмар"):

1. Приватна хмара (англ. private cloud) – інфраструктура, призначена для використання однією організацією, що включає декілька споживачів (наприклад, підрозділи однієї організації), також можлива для клієнтів і підрядників цієї організації. Приватна хмара може належати, управлятися і експлуатуватися  як самою організацією, так і третьою стороною (або будь-якою їх комбінацією), і вона може фізично існувати як всередині, так і за межами юрисдикції власника.

2. Публічна хмара (англ. public cloud) – це інфраструктура, призначена для вільного використання широкою публікою. Публічна хмара може належати, управлятися і експлуатуватися діловими, науковими та державними організаціями (або будь-якою їх комбінацією). Публічна хмара фізично існує в юрисдикції власника – постачальника послуг.

3. Гібридна хмара (англ. hybrid cloud) – це поєднання двох або більше різних хмарних інфраструктур (приватних, державних або загальнодоступних), які залишаються унікальними об’єктами, але взаємопов'язані стандартизованими або приватними даними та прикладними технологіями передачі даних та додатків.

4. Хмара спільноти (англ. community cloud) – це тип інфраструктури, призначений для використання конкретною спільнотою споживачів з організацій зі спільними цілями (наприклад, місії, вимоги безпеки, політика та дотримання різних вимог). Публічна хмара може бути у кооперативній власності, управлятися та експлуатуватися однією або декількома громадськими або сторонніми організаціями (або будь-якою їх комбінацією), і вона може фізично існувати як всередині, так і за межами юрисдикції власника.

Різні послуги СС, які зазвичай називають XaaS (X as a Service), можна розділити на три основні класи (рисунок 18):

- «Інфраструктура як послуга» (IaaS, Infrastructure as a Service) – оренда потужності серверів і ємності систем зберігання центрів обробки даних (ЦОД);

- «Програмне забезпечення як послуга» (SaaS, Software as a Service) – оренда програмного забезпечення (ПЗ), яке запускається «з хмари»;

- «Платформа як послуга» (PaaS, Platform as a Service) – оренда платформи розробки програмного забезпечення колективними або індивідуальними розробниками.

Всі інші сервіси СС-систем (наприклад, BPaaS - «бізнес-процес як послуга» або VSaaS - «відеоспостереження як послуга»), можна так чи інакше віднести до трьох вказаних вище хмарних сервісів.

 

Рисунок 18 – Класи хмарних обчислень

 

Для роботи технологій Інтернету речей можна використовувати туманні обчислення (Fog Computing). Під «туманом» розуміють наближення «хмари» до землі, в даному випадку «туман» - це тип хмарних сервісів, розташованих не десь в важкодоступних висотах, а в нашому середовищі. Інакшими словами, Fog Computing не альтернатива, а доповнення до Cloud Computing і можуть виникнути випадки їх спільної дії (наприклад, виконання аналітичного додатку), в такому випадку Cloud забезпечить послугу Fog.

Туманні обчислення доповнюють хмарні обчислення і дозволяють розумним речам взаємодіяти один з одним і хмарним ЦОД у вигляді трирівневої ієрархічної структури. Верхній рівень займають тисячі хмарних ЦОД, які надають ресурси, необхідні для запуску серйозних, наприклад, аналітичних, програмних додатків IoT. Рівнем нижче розташовуються десятки тисяч розподілених управляючих ЦОД, які містять «інтелект» Fog Computing, а на нижньому рівні – мільйони обчислювальних пристроїв розумних речей.

Fog Computing можна визначити, як найбільш віртуалізовану платформу, яка підтримує три основні типи послуг, з яких складаються комунікації від машини до машини M2M: обчислювальна техніка, зберігання та мережа. Місія Fog Computing полягає в забезпеченні взаємодії мільярдів пристроїв один з одним і з хмарними ЦОД.

Парадигма Fog Computing відрізняється від Cloud Computing за рядом параметрів:

1.          Розподіл обчислювальної потужності та реального часу.

Значні обчислювальні ресурси можуть розташовуватися на периферії Мережі, при чому не повинно бути залежності від координат місця, де знаходиться пристрій, і в той же час робота в режимі реального часу передбачає низький рівень затримки обміну даними, крім того, в Fog Computing може відбуватися конвергенція двох систем, які існували тривалий час автономно один від одного - управління бізнесом і технологічних систем.

2. Географічний розподіл компонентів.

Модель розподілу послуг в Fog Computing менш централізована, ніж для хмар, а окремі пристрої можуть бути з'єднані між собою потоками даних і надавати один одному «важкі» послуги.

3. Велика кількість зовнішніх даних.

Пристрої, оснащені численними датчиками, можуть генерувати величезну кількість даних в режимі реального часу.

4. Складна топологія.

Мільйони географічно розподілених вузлів можуть створювати різноманітні і не детерміновані раніше зв'язки.

5. Мобільність і неоднорідність.

Мобільність пристроїв вимагає використання альтернативних протоколів, таких як протокол маршрутизації LISP (Locator/ID Separation Protocol), який дозволяє розділити функціональність IP-адрес на дві частини: ідентифікатори хостів та локатори маршрутизації. Концепція передбачає встановлення тунельних маршрутизаторів, які додадуть LISP-заголовку до інформаційних пакетів під час їх переміщення по мережі.

Повсюдна комп'ютеризація (Ubiquitous Computing)

У 1991 році Марк Вайзер, дослідник лабораторії Xerox PARC, висунув концепцію майбутнього світу, «багатого і непомітно насиченого датчиками, дисплеями та обчислювальними елементами, з'єднаними в єдину мережу, що  представляють невід'ємні елементи предметів побуту». Фізична здійсненна реалізація цієї концепції з'явилася до кінця 2000-х років із загальним поширенням дешевих і мініатюрних обчислювальних мобільних пристроїв, бездротових мереж і супутникової навігації (рис. 19).

Всюдисущий (пермансивний, тотальний) комп’ютинг, що з'являються в спеціалізованій літературі під термінами «ubiquitous computing» і «pervasive computing»  означає створення всюдисущих інтелектуальних інформаційних систем, які допомагають у повсякденному житті людини – вдома, в офісі, в лікарні, на роботі, в дорозі.  Тотальний комп’ютинг робить головним кінцевого користувача, який повинен отримувати обчислювальне обслуговування безперервно, 24 години на добу, 7 днів на тиждень, до того ж, це має бути  обслуговування різного роду - від наукових розрахунків до управління кухонними агрегатами. Наприклад, система особистої допомоги (Personal Assistance System, PAS) допомагає літнім людям похилого віку в догляді за собою за допомогою бездротової мережі, яка поєднує в собі RFID-зчитувачі, медичну техніку з інтерфейсом Bluetooth, програмне забезпечення та обладнання, яке відстежує пересування людини в приміщенні, датчики падіння, системи безпеки і т.д.

Рисунок 19 – Еволюція обчислювальних систем: мейнфрейми (крива 1) – один комп'ютер, багато користувачів; персональні комп'ютери (крива 2) – один комп'ютер, один користувач; всюдисущі обчислення (крива 3) – один користувач, багато комп'ютерів

 

Існує чотири основні характеристики загальних обчислень:

1.     ефективне використання особистого розумного простору, тобто пристроїв з комп'ютерним управлінням, необхідних датчиків і механізмів, що оточують нас на роботі, в транспорті, вдома;

2.     невидимість (розумного простору) - мінімальне відволікання уваги користувача на управління навколишніми речами;

3.     локальна масштабованість – будь-яка точка особистого розумного простору повинна бути настільки ж обчислювально-«потужною», наскільки цього потребує користувач;

4.     маскування неоднорідності – неоднорідність відноситься до відмінностей як в технічному плані (зазвичай їх називають гетерогенністю), так і нетехнічних – організаційних структур, бізнес-процесів, економічних факторів.

До цього можна додати знання контексту, тобто користувач існує в особистому розумному просторі не «сліпо», а представляючи себе , усвідомлюючи контекст. У деяких аспектах це суперечить властивості невидимості, але насправді повинен бути розумний баланс між невидимістю і знанням контексту.

 

11 Напрямки практичного застосування IoT

На базі Інтернету речей всі види «розумних» (smart) додатків можуть бути реалізовані в різних сферах людської діяльності і життя (рис. 20):

·                   «Розумна планета» - людина зможе буквально «тримати руку на пульсі» планети: своєчасно реагувати на прогалини  в плануванні ферм, забрудненні та інших екологічних проблемах, а значить, він може ефективно розпоряджатися невідновлюваними ресурсами.

·            «Розумне місто» – міська інфраструктура та супутні муніципальні послуги, такі як освіта, охорона здоров'я, громадська безпека, житлово-комунальні послуги, стануть більш пов’язаними та ефективними.

·                   «Розумний будинок» - система розпізнаватиме конкретні ситуації, що виникають в будинку, і відповідним чином реагуватиме на них, що забезпечить мешканцям безпеку, комфорт і ресурсозбереження.

·                   «Розумна енергетика» - надійна і якісна передача електричної енергії від джерела до приймача в потрібний час і в необхідній кількості.

·                   «Розумний транспорт» – переміщення пасажирів з однієї точки простору в іншу стане зручнішим, швидшим і безпечнішим.

·                   «Розумна медицина» - лікарі та пацієнти зможуть отримати віддалений доступ до дорогого медичного обладнання або до електронної історії хвороби в будь-якому місці, буде впроваджена система дистанційного моніторингу здоров'я, видача ліків пацієнтам буде автоматизована та багато іншого

 

Рисунок 20 – Розумні програми, засновані на Інтернеті речей

 

Конкретні практичні приклади для вищезазначених напрямків впровадження Інтернету речей розглядаються в розділі 6.

 

12 Плани та прогнози реалізації IoT

Можливості Інтернету речей в області генерації, збору, передачі, аналізу і розподілення величезної кількості даних в глобальному масштабі дозволять людству, в кінцевому рахунку, отримати нові знання, які йому потрібні не тільки для виживання, але і для справжнього процвітання протягом багатьох століть. Це підтверджується включенням Інтернету речей в список проривних технологій в США і в список семи нових національних стратегічних галузей в Китаї.

Єдині стандарти тільки з'являються, але масштабні проекти в цьому напрямку – свого роду «Інтранети речей» – зараз енергійно розвиваються. Так, американське агентство NASA за підтримки Cisco створює систему глобального збору даних про Землю "Шкіра Планети " (Planetary Skin). Багато людей напевно чули про «розумні» будинки,  а в Японії вже не рідкість «розумні» заводи, в США в рамках національної ініціативи з оцифрування мегаполісів Connected Urban Development міста також «стають розумнішими».

У різних країнах існують конкретні програми і плани практичної реалізації Інтернету речей. Таким чином, Європейський Союз розробляє IoT за спеціальною програмою, яка включає 14 напрямків. Згідно з китайською державною програмою, до 2015 року планується реалізувати 149 проектів. Не менш активними є події в Англії, Австралії, Японії, Південній Кореї та інших країнах.

 

13 Проблеми впровадження IoT

Широкому впровадженню Інтернету речей перешкоджають складні технічні та організаційні проблеми, зокрема ті, що пов'язані зі стандартизацією. Єдиних стандартів для Інтернету речей поки немає, що ускладнює можливість інтеграції запропонованих на ринку рішень і багато в чому стримує появу нових. Найбільше глобальній реалізації заважає невизначеність формулювання концепції Інтернету речей і великої кількості регуляторів і їх правил.

До факторів уповільнення розвитку Інтернету речей відносяться труднощі переходу існуючого Інтернету на нову, 6-ту версію протоколу IP-мережі, в першу чергу необхідність великих фінансових витрат з боку операторів телекомунікацій і постачальників послуг для модернізації свого мережевого обладнання.

Якщо технологічні платформи для Інтернету речей вже практично створені, то, наприклад, юридичні та психологічні все ще знаходяться тільки в процесі формування, так само, як і проблеми взаємодії користувачів, даних, пристроїв. Однією з проблем є захист даних в таких глобальних мережах. Існує також серйозна проблема, пов'язана з вторгненням в приватне життя з боку Інтернету речей. Можливість відстежувати місцезнаходження людей і їх майна ставить питання про те, хто буде мати цю інформацію. Хто буде відповідати за зберігання інформації, зібраної «розумними речами»? Кому і за яких умов буде надана ця інформація? Чи може вона бути зібрана без згоди людини? Всі ці питання залишаються відкритими.

Також для повноцінного функціонування такої мережі необхідна автономність всіх «речей», тобто датчики повинні навчитися отримувати енергію з навколишнього середовища, а не працювати з батарейок, як це відбувається зараз.

Крім того, з появою Інтернету речей виникає необхідність зміни загальноприйнятих і перевірених бізнес-процесів і стратегій, що може призвести до значних фінансових витрат і ризиків.

Основні рухомі сили і проблеми впровадження Інтернету речей наведені в таблиці 1. Однак всі ці недоліки не є значними в порівнянні з тим, які можливості Інтернет речей може надати людству. Тому, рано чи пізно, людство неминуче широко буде використовувати IoT-технології, але для того, щоб успішно впровадити ці технології, потрібно їх знати. Короткому огляду технічних особливостей різних складових Інтернету речей присвячено інші розділи книги.

Таблиця 1 – Драйвери та бар'єри ринку Інтернету речей

Драйвери	Бар'єри
Швидкий розвиток інформаційно-комунікаційних технологій	Необхідність прийняття  єдині стандарти
Мода на смартфони, планшети та інші мобільні пристрої	Повільний перехід до протоколу IPv6
Логістика та управління ланцюгами поставок	Ризик закритості приватних мереж
Підвищення безпеки та зручності транспортних засобів	Несумісність декількох компонентів
Необхідність збереження навколишнього середовища і зниження витрат на енергію	Проблема захисту персональних данних та безпека
Розвиток сфери контролю за контрафактною продукцією та захисту від крадіжок	Відносно висока вартість реалізації
Підтримка держав та дії інноваторів

 

Тема 2 БЕЗПРОВОДОВІ СЕНСОРНІ МЕРЕЖІ WSN

1 Основні поняття та принципи сенсорних мереж

Визначимо основні поняття сенсорних мереж.

Сенсор (англ. sensor) – пристрій, який приймає контрольований вплив (світло, тиск, температуру тощо), вимірює його кількісні та якісні характеристики та перетворює дані вимірювання на сигнал. Сигнал може бути електричний, хімічний чи іншого типу.

Датчик (англ. transducer) – пристрій, який використовується для перетворення одного виду енергії до іншого. Отже, сенсор також є датчиком, який перетворює фізичну інформацію на електричну, яка може бути передана обчислювальної системи або контролера для обробки.

Актуатор (англ. astuator) - виконавчий пристрій, який реагує на сигнал, що надійшов, для зміни стану керованого об'єкта. В актуаторі відбувається перетворення типів енергії, наприклад, електрична енергія, або енергія стиснутого (розрідженого) повітря (рідини, твердого тіла) перетворюється на механічну.

Сенсорний вузол (англ. sensor node) – це пристрій, який складається, принаймні, з одного сенсора (може також включати один або кілька актуаторів), і має обчислювальні та провідні або бездротові мережеві можливості.

Сенсорна мережа – система розподілених сенсорних вузлів, що взаємодіють між собою, а також з іншими мережами для запитів, обробки, передачі та надання інформації, отриманої від об'єктів реального фізичного світу з метою вироблення відповідь на цю інформацію. Таким чином, сенсорна мережа включає в себе як мінімум сенсори, актуатори та комунікаційні вузли. Основною областю застосування сенсорної мережі є контроль та моніторинг вимірюваних параметрів фізичних середовищ та об'єктів та в деяких випадках – управління цими об'єктами (Активація в них певних процесів). Приклади сенсорних мереж: все проникні сенсорні мережі (USN – Ubiquitous Sensor Network), мережі для транспортних засобів (VANET – Vehicular Ad Hoc Network), муніципальні мережі (HANET – Home Ad hoc Network), медичні мережі (MBAN(S) – Medicine Body Area Network (services)) та ін. Дії, що виконуються під час роботи сенсорних мереж, представлені на рис. 1 (пунктиром показані необов'язкові процеси).

Рисунок 1 – Збір даних та управління в сенсорних мережах

 

Область покриття сенсорної мережі може становити від кількох метрів до кількох кілометрів за рахунок можливості ретрансляції повідомлень від одного елемента мережі до іншого. Сенсорна мережа має здатність до ретрансляції повідомлень по ланцюжку від одного вузла до іншого, що дозволяє у разі виходу з ладу одного з вузлів організувати передачу інформації через сусідні вузли без втрати якості. Сама мережа визначає оптимальний маршрут руху інформаційних потоків (рис. 2).

Рисунок 2 – Маршрутизація інформації в сенсорній мережі

 

Мережа зв'язку, що самоорганізується (лат. аd hoc – «за місцем») – мережа, в якій число вузлів є випадковою величиною в часі та може змінюватися від 0 до деякого максимального значення. Взаємозв'язки між вузлами в такій мережі також випадкові часу та утворюються для передачі інформації між подібними вузлами та до зовнішньої мережу зв'язку.

Бездротова сенсорна мережа (БСС) (англ. WSN – Wireless Sensor Network) – розподілена, самоорганізована сенсорна мережа безлічі сенсорів і виконавчих пристроїв, об'єднаних між собою у вигляді радіоканалів.

Переваги бездротових сенсорних мереж:

–      здатність до самовідновлення та самоорганізації;

–      здатність передавати інформацію на значні відстані при малій

–      потужності передавачів (шляхом ретрансляції);

–      низька вартість вузлів та їх малий розмір;

–      низьке енергоспоживання та можливість електроживлення від автономних

–      джерел;

–      простота установки, відсутність необхідності у прокладанні кабелів (завдяки

–      бездротової технології та живлення від батарей);

–      можливість встановлення таких мереж на вже існуючий та експлуатований

–      об'єкт без проведення додаткових робіт;

–      низька вартість технічного обслуговування.

Оскільки на практиці найбільш поширені бездротові сенсорні мережі, тому основна частина матеріалу розділу присвячена саме таким мережам.

2 Базова архітектура сенсорної мережі

Стандартизацією сенсорних мереж займаються багато міжнародних організацій, серед яких ISO, IEC, ITU-T, IEEE та ін. Так дослідна група з сенсорних мережам SGSN (Study Group on Sensor Networks) об'єднаного технічного комітету №1 ISO/IEC JTC 1 (Joint Technical Committee 1) визначила базову архітектуру сенсорної мережі та її основні інтерфейси (рис. 3).

Рисунок 3 – Основні елементи та інтерфейси сенсорної мережі

 

Як видно з малюнка, сенсорний вузол складається з:

1.           Апаратного забезпечення;

2.           Базового програмного забезпечення;

3.           Прикладне програмне забезпечення.

У складі архітектури визначено чотири базові інтерфейси:

1. Інтерфейс між базовим та прикладним програмним забезпеченням сенсорного вузла.

2. Інтерфейс між базовим програмним забезпеченням та апаратним забезпеченням сенсорного вузла (сенсори, актуатори та/або комунікаційний вузол тощо).

3. Бездротові або дротові інтерфейси між вузлами в сенсорній мережі.

4. Інтерфейс між сенсорною мережею та зовнішнім середовищем (провайдери послуг, користувачі).

 

3 Вузли бездротової сенсорної мережі

БСС складаються з мініатюрних обчислювальних пристроїв, забезпечених датчиками, актуаторами та трансіверами (приймачами), що працюють у заданому діапазоні радіочастот. Такий вузол БСС називають сенсорним вузлом чи просто сенсором. Сенсорний вузол є плату розміром зазвичай трохи більше одного кубічного дюйма. На платі розміщуються процесор, пам'ять - флеш та оперативна, цифро-аналогові та аналого-цифрові перетворювачі, радіочастотний приймач, джерело живлення та різні датчики, актуатори. Таким чином, апаратна частина вузла бездротової мережі може бути поділена на наступні чотири підсистеми (рис. 4):

1) комунікаційна підсистема – забезпечує бездротові з'єднання з іншими вузлами в сенсорній мережі та містить радіо приймач;

2) обчислювальна підсистема – забезпечує обробку даних та функціональність вузла і що складається з мікроконтролера MCU, до складу якого входять процесор, оперативна SRAM, енергонезалежна EEPROM та флеш-пам'ять, аналого-цифровий перетворювач ADC, таймер, порти вводу/виводу;

3) сенсорна підсистема – забезпечує з'єднання сенсорного бездротового вузла з зовнішнім світом, до складу якої можуть входити аналогові та цифрові сенсори, актуатори;

4) підсистема електроживлення - забезпечує енергетичне постачання всіх елементів бездротового сенсорного вузла і включає пристрої генерації та акумулювання енергії, а також регулювання напруги.

Рисунок 4 – Вузол бездротової сенсорної мережі

 

Датчики можуть бути найрізноманітнішими. Найчастіше використовуються датчики температури, тиску, вологості, освітленості, вібрації, розташування, рідше – магнітоелектричні, хімічні (наприклад, що вимірюють вміст CO, CO2, рівень радіаційного фону), звукові та деякі інші. Набір застосовуваних датчиків залежить від функцій, що виконуються бездротовими сенсорними мережами.

Отримані від датчика електричні сигнали часто готові для обробки, тому вони проходять у моті через стадію перетворення. Наприклад, сигнал часто вимагає посилення для збільшення амплітуди, можливе застосування фільтрів для усунення небажаного шуму у певних діапазонах частот тощо. Перетворений сигнал трансформується за допомогою аналого-цифрового перетворювача (АЦП) на цифровий сигнал. У результаті сигнал виходить у цифровій формі і він готовий до подальшої обробки процесорі та зберігання в пам'яті мікроконтролера. За наявності виконавчих механізмів можлива також передача впливів керуючих від вузлів мережі до зовнішньої середовищі через актуатор. Живлення сенсорного вузла здійснюється зазвичай від невеликої батареї.

Крім розміру, є інші жорсткі обмеження для вузлів БСС. Вони повинні:

–      споживати дуже мало енергії;

–      працювати з великою кількістю вузлів на малих відстанях;

–      мати низьку вартість виробництва;

–      бути автономними та працювати без обслуговування;

–      адаптуватися до довкілля.

Зовнішній вигляд сенсорних вузлів наведено на рис. 5.

Рисунок 5 – Зовнішній вигляд сенсорних вузлів

 

Для виконання функцій на кожний сенсорний вузол встановлюється спеціалізована операційна система (ОС). Прикладом широко відомої операційної системи для сенсорних вузлів є розроблена в Університеті Берклі система з відкритим кодом TinyOS – це керована подіями операційна система реального часу, розрахована на роботу в умовах обмежених обчислювальних ресурсів. Ця ОС дозволяє сенсорам автоматично встановлювати зв'язки із сусідами та формувати сенсорну мережу заданої топології.

Як приклад у табл. 1 наведено параметри сенсорних вузлів ML-Node-Z ZigBit (компанії Atmel, США). Варто зазначити, що інтегрованих сенсорних датчиків цих платах немає.

 

Таблиця 1 – Характеристики сенсорних вузлів

Параметри	Тип сенсорного вузла
	ML-Node-Z	ZigBit
Мікроконтролер
Процесор	Texas Instruments MSP430	ATmega1281
Тактова частота	Від 32,768 кГц до 8 МГц	4 МГц
Оперативна пам’ять, Кбайт	10	8
Flash-пам’ять, Кбайт	48	128
Прийомопередавач
Тип	IEEE 802.15.4	IEEE 802.15.4
Діапазон частот, МГц	2400 - 2483,5	2400 - 2483,5
Швидкість передачі даних, Кбіт/с	250	250
Вихідна потужність, дБм	Від –24 до 0	Від –28 до 3
Чктливість, дБм	-95	-101
Антена	Чіп	1 або 2 чіпи
Зовнішні інтерфейси
АЦП	12 розрядний, 7 каналів	10 розрядний, 3 канали
Цифрові інтерфейси	I2C/SPI/UART/USB	I2C/SPI/UART/IRQ/JTAG
Інші параметри
Напруга живлення, В	Від 0,9 до 6,5	Від 1,8 до 3,6
Розміри, мм	44x33x10	19x14x3
Температурний діапазон, °С	Від -40 до 85	Від 0 до 85

 

Оскільки однією з найважливіших функцій сенсорів є автоматичний вибір схеми організації мережі та маршрутів передачі даних, бездротові сенсорні мережі по суті є самоналаштовується. Найчастіше сенсорний вузол повинен мати можливість самостійно визначити своє місце розташування, принаймні, по відношенню до того іншого сенсора, якому він передаватиме дані. Тобто спочатку відбувається ідентифікація всіх сенсорів, та був формується схема маршрутизації.

Сенсорні вузли можуть закріплюватися стаціонарно, а також мати відносну мобільність, тобто довільно переміщатися один щодо одного в деякому просторі, не порушуючи у своїй логічного зв'язаності мережі. В останньому випадку сенсорна мережа не має фіксованої постійної топології, та її структура динамічно змінюється з часом.

 

4 Способи передачі даних у БСС

У сенсорній мережі вузли зазвичай спілкуються за допомогою бездротового зв'язку. Зв'язок може здійснюватися за допомогою радіо, інфрачервоного випромінювання (ІЧ-порту) або оптичних сигналів Одним з найпоширеніших варіантів радіозв'язку є використання смуг частот для промислових, наукових та медичних цілей ISM (Industrial, Scientific and Medical), визначені Сектором радіозв'язку Міжнародного союзу електрозв'язку ITU-R та доступні без ліцензій у більшості країн (табл. 2).

Деякі з цих частот вже використовуються у бездротових локальних мережах (WLAN). Для сенсорних мереж малого розміру та низької вартості підсилювач сигналу не потрібний. Апаратні обмеження та знаходження компромісу між ефективністю антени та споживанням енергії накладають певні обмеження на вибір частоти передачі у діапазоні надвисоких частот. Найчастіше використовуються наступні частоти ISM-433 МГц у Європі та 915 МГц у Північній Америці. Основними перевагами використання радіочастот ISM є широкий спектр частот та доступність по всьому світу. Вони не прив'язані до конкретного стандарту, цим дають більшу свободу для реалізації енергозберігаючих стратегій у сенсорних мережах.

 

Таблиця 2 – Смуги частот ISM, визначені ITU-R

Діапазон частот		Смуга	Центральна частота	Область застосування
6.765 МГц	6.795 МГц	30 КГц	6.780 МГц	Локальне застосування
13.553 МГц	13.567 МГц	14 КГц	13.560 МГц
26.957 МГц	27.283 МГц	326 КГц	27.120 МГц
40.660 МГц	40.700 МГц	40 КГц	40.680 МГц
433.050 МГц	434.790 МГц	1.84 МГц	433.920 МГц	Європа, Африка, Близький Схід
902 МГц	928 МГц	26 МГц	915 МГц	Північна і Південна Америка
2.4 ГГц	2.5 ГГц	100 МГц	2.45 ГГц
5.725 ГГц	5.875 ГГц	150 МГц	5.8 ГГц
24 ГГц	24.25 ГГц	250 МГц	24.125 ГГц
61 ГГц	61.5 ГГц	500 МГц	61.25 ГГц	Локальне застосування
122 ГГц	123 ГГц	1 ГГц	122.5 ГГц
244 ГГц	246 ГГц	2 ГГц	245 ГГц

 

Іншим можливим способом зв'язку в сенсорних мережах є використання ІЧ-портів. ІЧ-зв'язок доступний без ліцензії та захищений від перешкод електричних приладів. ІЧ-передавачі дешевші та простіші у виробництві. Багато хто з сьогоднішніх ноутбуків, КПК та мобільних телефонів використовують ІЧ-інтерфейс передачі даних. Основним недоліком такого зв'язку є вимога прямої видимості між відправником та отримувачем. Це робить ІЧ-зв'язок небажаним для використання в сенсорних мережах з-за довкілля передачі.

Є також вузли БСС, які використовують передачі оптичне середовище. Застосовуються дві схеми передачі – пасивна з використанням світловідбивача CCR (Сorner-Сube Retroreflector) та активна з використанням лазерного діода та керованих дзеркал. У першому випадку не потрібне інтегроване джерело світла, для передачі сигналу використовується конфігурації із трьох дзеркал CCR. Активний метод використовує лазерний діод та систему активного лазерного зв'язку для відправки світлових променів приймачеві.

Особливі вимоги до застосування сенсорних мереж роблять вибір середовища передачі складним завданням. Наприклад, морські програми вимагають використання водного середовища передачі. Тут потрібно використовувати довгохвильові випромінювання, які можуть проникати крізь поверхню води. У важкодоступній місцевості або на полі бою можуть виникнути помилки та великі перешкоди. Крім того може виявитися, що антени вузлів не мають необхідною висотою та потужністю випромінювання для зв'язку з іншими пристроями. Отже, вибір передавального середовища повинен супроводжуватися надійними схемами модуляції та кодування, що залежить від характеристик каналу, що передає.

 

5 Протоколи та технології передачі даних в БСС

За розмірами фізичної зони розміщення БСС відносяться до класу бездротових персональних обчислювальних мереж WPAN (Wireless Personal Area Networks). Найважливішим фактором під час роботи бездротових сенсорних мереж є обмежена ємність батарей, що встановлюються на сенсорні вузли. Слід враховувати, що замінити батареї найчастіше неможливо. У зв'язку з цим необхідно виконувати на сенсорах тільки найпростішу первинну обробку, орієнтовану на зменшення обсягу переданої інформації, і, що найголовніше, мінімізувати число циклів прийому та передачі даних. Для вирішення цього завдання розроблено спеціальні комунікаційні протоколи.

Найбільш відомими із протоколів БСС є протоколи альянсу ZigBee. Для вироблення стандарту стека протоколів для бездротових сенсорних мереж альянс ZigBee використовував розроблений раніше стандарт IEEE 802.15.4, який описує фізичний рівень та рівень доступу до середовища для бездротових мереж передачі даних на невеликі відстані (до 75 м) з низьким енергоспоживанням, але з високим ступенем надійності. Стандарт IEEE 802.15.4 є базовою основою не лише протоколів ZigBee, але й інших більш високорівневих протоколів (6loWPAN, DigiMesh та ін), і дозволяє будувати за допомогою програмних надбудов на мережному рівні та вище будь-яку топологію мережі.

На даний момент альянс ZigBee розробив єдиний у цій галузі стандарт, який підкріплений наявністю виробництва повністю сумісних апаратних та програмні продукти. Протоколи ZigBee дозволяють створювати самоорганізовані та сенсорні мережі, що самовідновлюються. Пристрої ZigBee мережі завдяки вбудованому програмне забезпечення мають здатність при включенні харчування самі знаходити один одного і формувати мережу, а у разі виходу з ладу якогось із вузлів можуть встановлювати нові маршрути для надсилання повідомлень. Протоколи ZigBee дозволяють пристроям перебувати в сплячому режимі більшу частину часу, що значно продовжує термін служби батареї. Дальність упевненої передачі радіосигналу вузлів ZigBee мережі залежить від багатьох параметрів (насамперед – від чутливості приймача та потужності передавача), але в середньому відстань між вузлами мережі Zigbee на відкритому просторі складає сотні, а у приміщенні – десятки метрів.

Сенсорні мережі, що самоорганізуються, можуть бути реалізовані також на основі безпроводової технології Bluetooth. Такі мережі складаються з провідних та ведених пристроїв (ці ролі можуть поєднуватися), здатних передавати дані як у синхронному, так і асинхронному режимах. Синхронний режим передачі передбачає прямий зв'язок між провідним та веденим пристроями із закріпленим каналом та тимчасовими слотами доступу. Цей режим використовується у разі обмежених передач. Асинхронний режим передбачає обмін даними між ведучим та декількома веденими пристрої з використанням пакетної передачі даних. Один пристрій (як ведучий, так і ведене) може підтримувати до 3 синхронних з'єднань.

Спеціально для реалізації БСС є версія специфікації ядра бездротової технології Bluetooth v.4.0, що отримала назву Bluetooth із низьким енергоспоживанням (Bluetooth low energy або Bluetooth LE або BLE). Пристрої, що використовують BLE, можуть працювати більше року на одній мініатюрній батарейці типу, таблетка без підзарядки. Таким чином, можна мати, наприклад, невеликі датчики, що працюють безперервно (наприклад, датчик температури), які спілкуються з іншими пристроями, такими як стільниковий телефон чи КПК. Ця версія специфікації Bluetooth надає можливість підтримки широкого діапазону додатків і зменшує розмір кінцевого пристрою для зручного використання в галузі охорони здоров'я, фізкультури та спорту, охоронних систем та домашніх розваг.

Для реалізації БСС можна використовувати також набір стандартів зв'язку IEEE 802.11 (більше відомий під торговою маркою WiFi). Бездротові мережі WiFi спочатку були задумані як засіб заміни провідних обчислювальних мереж. Проте, щодо високі швидкості передачі (до 108 Мбіт/с) роблять перспективним можливе застосування тих самоорганізованих сенсорних мережах, у яких необхідно передавати великі обсяги інформації у реальному часі (наприклад, відеосигналу). Для організації ієрархічних бездротових ad-hoc мереж з мобільними та статичними вузлами (mesh-мережі) розробляється протокол IEEE 802.11s. У ньому запропоновано новий протокол MAC рівня для бездротових mesh-мереж та визначає, крім іншого, протоколи вибору шляху та надсилання повідомлень. На відміну від традиційних мереж WiFi, в яких існує лише два типи пристроїв – «точка доступу» та «термінал», стандарт 802.11s передбачає наявність так званих «вузлів мережі» та «порталів мережі». Вузли можуть взаємодіяти один з і підтримувати різні служби. Вузли можуть бути поєднані з точками доступу, портали служать для з'єднання з зовнішніми мережами. На основі вже існуючих стандартів IEEE 802.11 можна будувати MANET-мережі (мобільні самоорганізуються) мережі), відмінною рисою яких можна назвати велику зону покриття (кілька квадратних кілометрів). Порівняння показників БСС наведено в табл. 3.

 

Таблиця 3 – Характеристики радіотехнологій БСС

Технологія (стандарт)	ZigBee (IEEE 802.15.4)	WiFi (IEEE 802.11b)	Bluetooth (IEEE 802.15.1)
Частотний діапазон	2.4-2,483 ГГц	2.4-2,483 ГГц	2.4-2,483 ГГц
Пропускна спроможність, кбіт/с	250	11000	7131,1
Розмір стека протоколів, кбайт	32-64	більше 1000	більше 250
Час безперервної автономної роботи від батареї, дні	100-1000	0,5-5	1-10
Максимальна кількість вузлів в мережі	65536	10	7
Діапазон дії, м	10-100	20-300	10-100
Область застосування	Віддалений моніторинг та управління	Передача мультимедійної інформації	Заміщення проводового зв’язку

 

БСС можуть бути реалізовані також на базі бездротової технології зв'язку на малих відстані при низьких витратах енергії UWB (Ultra-Wide Band, надширока смуга), використовує як несучу надширокосмугові сигнали з вкрай низькою спектральної густиною потужності. При цьому спектральна щільність потужності СШП приймача при роботі в приміщенні не повинна перевищувати −47...−45 дБм/МГц . Використання надширокої смуги частот (щонайменше 500 МГц) дозволяє UWB досягти швидкості передачі до 480 Мбіт/с на відстані до 3 м. дистанціях до 10 м технологія дозволяє досягти лише 110 Мбіт/с. Докладніше ці та інші протоколи, що використовуються в БСС, розглянуті у розділі 5.

 

6 Типи вузлів БСС

Типова архітектура БСС включає три типи вузлів (рис. 6):

Рисунок 6 – Типи вузлів БСС

 

1. Координатор – здійснює глобальну координацію, організацію та встановлення параметрів мережі, є найбільш складним пристроєм БСС, що вимагає найбільшого обсягу пам'яті та найбільшу потужність джерела живлення. В одній мережі повинен бути присутнім лише один координатор. З координатора здійснюється вихід у зовнішню мережу (він реалізує функцію шлюзу – gateway). Часто координатор називають базовою станцією (БС).

Координатор виконує такі функції:

–      визначає незадіяні канали з переліку каналів, доступних для організації мережі та визначених розробником та організує мережу;

–      передає мережеві сигнальні пакети з інформацією про наявну мережу;

–      керує мережевими підпорядкованими пристроями, встановлює параметри мережі визначає максимальну глибину вкладених підмереж, число мережевих маршрутизаторів та число підлеглих пристроїв;

–      забезпечує маршрутизацію інформації між підлеглими пристроями;

–      більшу частину часу перебуває у режимі прийому;

–      забезпечує організацію таблиць маршрутизації;

–      дозволяє маршрутизаторам та кінцевим пристроям входити в мережу.

2. Маршрутизатор – приймає, буферизує та передає дані від інших вузлів БСС, а також визначає напрямок передачі.

Маршрутизатор виконує такі функції:

–                    визначає активні канали, підключається до мережі та дозволяє кінцевим каналам пристроям входити в мережу – використовує додаткові, визначені програмою, списки активних каналів;

–                    ретранслює сигнальні мережні пакети з параметрами мережі координатора;

–                    адмініструє мережеві адреси підключених до маршрутизатора підлеглих пристроїв;

–                    підтримує такі класи пристроїв маршрутизації: пристрій із таблицею маршрутизації та з функцією деревоподібної маршрутизації, пристрій тільки з функцією деревоподібної маршрутизації, підтримка функції аварійної деревоподібної маршрутизації;

–                    підтримує два режими роботи пристроїв: без переходу в «сплячий режим» переходом у «сплячий» режим у періоди, що визначаються координатором мережі та параметрами мережевий синхронізації;

–                    підтримує функції маршрутизації багатоосередкових мереж: створює таблиці сусідніх мережевих вузлів з параметром якості зв'язку з кожним з них створює таблиці мережевої маршрутизації, ретранслює пакети запиту та підтвердження визначення маршрутів між пристроями;

–                    підтримує функції маршрутизації за деревоподібним принципом – транслює повідомлення вгору і вниз ієрархічною деревоподібною структурою гілки в залежності від адреси отримувача повідомлення.

3. Кінцевий (прикінцевий) пристрій (сенсорний вузол) – виконує тільки прикладні дії (збір інформації та управління віддаленим об'єктом) та не здійснює ретрансляцію даних.

Сенсорний вузол має такі особливості:

–      завжди шукає і намагається увійти до існуючої мережі – використовує додаткові, певні програми, списки активних каналів та сигнальні пакети синхронізації існуючої мережі для визначення параметрів мережі та маршрутизатора для входу до мережі;

–      живиться від автономного джерела (батареї);

–      із пакетів синхронізації визначає наявність даних від координатора;

–      запитує дані координатора;

–      здатний перебувати тривалий час у «сплячому» режимі (до 99,99% від усього часу роботи).

За наборами функцій, що виконуються, всі вузли БСС можна віднести до двох видів:

1. Пристрій із повним набором функцій FFD (Fully Function Device):

˗                     підтримка стандарту IEEE 802.15.4;

˗                     додаткова пам'ять та енергоспоживання дозволяють виконувати роль координатора мережі;

˗                     підтримка всіх типів топологій («крапка-крапка», «зірка», «дерево», «комірчаста» мережа");

˗                     здатність виконувати роль координатора мережі;

˗                     здатність звертатися до інших пристроїв у мережі.

2. Пристрій з обмеженим набором функцій RFD (Reduced Function Device):

–      підтримує обмежений набір функцій IEEE 802.15.4;

–      підтримка топологій «крапка-крапка», «зірка»;

–      не виконує функції координатора;

–      звертається до координатора мережі та маршрутизатора.

Координатори та маршрутизатори завжди відносяться до пристроїв FFD, кінцеві пристрої можуть бути FFD або RFD.

 

7 Типові архітектури та топології БСС

Виділяють два типи архітектури бездротових сенсорних мереж: однорідні (однорангові) та ієрархічні (кластерні). Однорідність мережі має на увазі, що все вузли виконують однакові функції при зборі, обробці та передачі інформації. Цей підхід дозволяє досягти оптимальної маршрутизації. Пересилання даних відбувається за найефективнішим за деякими критеріями маршрутами, що дозволяє досягти економії таких важливих ресурсів, як енергія (передача йде за маршрутом з найвищим запасом енергії) та час (передача відбувається за найкоротшим маршрутом). Для критично важливих даних може бути організована передача найбільш надійним шляхом. Агрегування даних, якщо необхідно, відбувається у міру проходження повідомлень до координатору. Проте за такої організації мережі формування зв'язків між вузлами відбувається спонтанно, що веде до зіткнень пакетів та виникнення затримок, пов'язаним з виходом із сплячого режиму вузлів, що знаходяться на вибраному шляху передачі.

Рисунок 7 – Кластерна структура БСС

 

Альтернативним підходом є ієрархічна (деревоподібна) маршрутизація. Вона заснована на розподілі мережі на області, які називаються кластерами. Кластер утворюють маршрутизатор і кінцеві вузли, у яких запитує сенсорні дані (рис. 7).

Усередині кожного кластера маршрутизатор відповідає за збирання інформації з усього кластера, її обробку та подальшу передачу. Інші вузли кластера здійснюють лише збір даних та передачу їх маршрутизатору. Таким чином, вузли в ієрархічній мережі не рівноправні. По-перше, агрегування даних відбувається на маршрутизаторах, і, по-друге, пересилання агрегованих даних далі може здійснюватися тільки маршрутизаторів. Таким чином, мінімізуються затримки передачі, оскільки маршрутизатори доступні завжди. Зіткнення пакетів виключені завдяки централізованого методу створення посилань. Однак така маршрутизація не надає оптимальних шляхів передачі. До того ж сенсорний вузол, що виконує функції маршрутизатора, витрачає значно більше енергії, що призводить до швидкого виснаження його батарей. Існують архітектури, що передбачають використання як маршрутизаторів фізично виділених сенсорів, які мають великі запаси енергії та обчислювальними потужностями, однак цей підхід застосовується тільки для вузького кола додатків. Маршрутизатори кластерів ретранслюють дані один одному і, зрештою, дані передаються координатору. Координатор зазвичай має зв'язок з IP-мережею, куди й надсилаються дані для остаточної обробки. У кожній мережі має бути, щонайменше, один повнофункціональний пристрій FFD для роботи як координатора.

Можлива також побудова однорангових пористих мереж (рис. 8). У таких мережах Функціональні можливості кожного сенсорного вузла однакові. Можливість самоорганізації та самовідновлення мереж комірчастої топології дозволяє у разі виходу частини сенсорів з ладу спонтанно формувати нову структуру мережі. Щоправда, у у будь-якому випадку необхідний центральний функціональний вузол-координатор, який приймає та обробляє всі дані, або шлюз передачі даних на обробку зовнішньому вузлу. Спонтанно створювані мережі часто називають латинським терміном Ad Hoc, що означає "Для конкретного випадку".

Рисунок 8 – Комірчаста структура БСС

 

Можливі топології сенсорної мережі наведено на рис. 3.9. Однорангові мережі можуть формувати довільні топологічні структури (крапка-крапка, зірка), обмежені лише дистанцією між кожною парою вузлів. Пориста топологія (Mesh Topology) – базова повнозв'язна топологія, в якій кожен маршрутизатор мережі з'єднується з декількома іншими маршрутизаторами цієї мережі. Характеризується високою відмовостійкістю, але й складнішим налаштуванням.

Рисунок 9 – Можливі топології сенсорної мережі

 

Приклад одноранговій або пірингової мережі (від англ. peer-to-peer, P2P – рівний до рівному) є кластерне дерево. Мережа типу кластерне дерево є приватним випадком мережі P2P, у якій більшість пристроїв є FFD. Пристрої RFD підключаються до кластера як кінцеві вузли. Для приєднання до мережі віддалених від координатора нових мережевих пристроїв можуть використовуватися вже підключені до мережі FFD у режимі координатора. У цьому режимі вони, як і координатор PAN, "зазивають" маяками в мережу нові мережеві пристрої. В результаті формується кластер з мережевих пристроїв, які «чують» свого координатора. Тим не менш, вся інформація про кластер доступна координатору PAN. Подібним чином можуть формуватися мультикластери із мережевих пристроїв.

 

8 Режими роботи БСС

Самою енерговитратною операцією для сенсорних вузлів є передача даних у бездротове оточення. Тому енергозберігаючі форми передачі є ключовим. фактором для продовження терміну служби сенсорів, тому що він практично повністю залежить від термін служби батарей.

Збір даних бездротовою сенсорною мережею може здійснюватися різними способами залежно від цільового призначення конкретної мережі. Приймаючи до уваги різні способи використання мережевих ресурсів, бездротові сенсорні мережі розділити на класи в залежності від виду їх функціонування та типу цільової програми:

1. Проактивні мережі. Вузли такої мережі періодично включають свої сенсори та передавачі, знімають показання та передають їх на базову станцію. Таким чином, вони роблять "моментальну фотографію" свого оточення з деякою періодичністю та використовуються зазвичай для додатків, що вимагають регулярного моніторингу деяких значень.

2. Реактивні мережі. Вузли реактивних мереж з деякою періодичністю знімають показання, однак не передають їх, якщо отримані дані потрапляють до певної область нормальних показань. Водночас відомості про несподівані та різкі зміни у показаннях датчиків або їх виході за діапазон нормальних значень негайно передаються на базову станцію. Цей вид мережі призначений для роботи з програмами реального часу.

3. Гібридні мережі. Це комбінація двох вищезгаданих типів, де сенсорні вузли не тільки періодично відправляють зняті дані, а й реагують на різкі зміни у значеннях.

 

9 Протоколи маршрутизації до БСС

Для визначення маршруту передачі інформації в БСС від кінцевого вузла до вузла координатора, а також між кінцевими вузлами, використовуються спеціальні протоколи маршрутизації. Протоколи маршрутизації в БСС вирішують такі задачі:

1. Самоорганізація вузлів мережі (самоконфігурування, самовідновлення та самооптимізація).

2. Маршрутизація пакетів даних та адресація вузлів.

3. Мінімізація енергоспоживання вузлів мережі та збільшення загального часу життя всієї мережі.

4. Збір та агрегація даних.

5. Регулювання швидкості передачі та обробки даних у мережі.

6. Максимізація зони покриття мережі.

7. Забезпечення заданої якості обслуговування (QoS).

8. Захист від несанкціонованого доступу.

При виборі шляху передачі в мережі в якості метрик в них можуть бути використані такі параметри:

–      довжина колії (кількість ділянок переприймання інформації);

–      надійність;

–      затримка;

–      пропускна здатність;

–      завантаження;

–      вартість передачі трафіку та ін.

Протоколи маршрутизації БСС відповідають за підтримку маршрутів у мережі та повинні гарантувати надійний зв'язок навіть за жорстких несприятливих умов. Багато протоколів маршрутизації, управління електроживленням, розповсюдження даних спеціально розроблені для БСС, де енергозбереження є суттєвою проблемою, на вирішення якої направлено протокол. Інші ж були розроблені для спільного застосування у бездротових мережах, але знайшли своє застосування й у БСС.

Рисунок 10 – Класифікація протоколів маршрутизації БСС

 

Існує велика кількість протоколів маршрутизації для БСС, класифікувати їх можна за різними ознаками (рис. 10). Залежно від режиму роботи мережі, що використовується, що зумовлює необхідність передачі інформації від вузлів, всі протоколи маршрутизації можна поділити на проактивні (всі шляхи визначаються заздалегідь, перш ніж вони будуть потрібні), реактивні (шляхи визначаються на вимогу) та гібридні (комбінація перших двох).

Протоколи, що враховують структури мережі, поділяються на:

1) протоколи однорівневої (плоської) (flat-based) маршрутизації – всі вузли БСС мають однакову функціональність, приклади: SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation), Direct Diffusion, Rumor Routing;

2) протоколи ієрархічної (hierarchical-based) маршрутизації – вузли мережі виконують різні функції, вони можуть бути фізично різними, приклади: LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy), PEGASIS (Power-Efficient GAthering in Sensor) Information Systems), TEEN та APTEEN (Threshold-sensitive Energy Efficient Protocols), SOP (Self-Organization Protocol);

3) протоколи маршрутизації на основі інформації про місцезнаходження вузла (location-based), приклади протоколів: GAF (Geographic Adaptive Fidelity), GEAR (Geographic та Energy Aware Routing).

Робота протоколу маршрутизації може ґрунтуватися на різних засадах:

1) протоколи маршрутизації з багатьма маршрутами (multipath routing) - використовуються кілька маршрутів від джерела до точки призначення, що підвищує надійність з'єднання, але збільшує накладні витрати та енерговитрати;

2) протоколи маршрутизації «за запитом» (query-based) – вузол надсилає запит на дані в мережу та інший вузол, який має дані, що запитуються, відповідає на запит;

3) протоколи маршрутизації, засновані на «переговорах» (negotiation routing) між вузлами;

4) протоколи, що враховують якість обслуговування (QoS-based), що дозволяє забезпечити певний рівень послуг у мережі.

У протоколах, спрямованих на агрегацію даних, проміжні вузли, розташовані між джерелами інформації та базовою станцією (БС), можуть здійснювати агрегацію даних та надсилати БС вже зведені дані. Цей процес дозволяє сенсорним вузлам заощаджувати енергію.

Усі протоколи маршрутизації також можна поділити на два види – в одних ініціатором з'єднання є джерело інформації, а інших – одержувач.

Класифікація протоколів маршрутизації БСС з урахуванням типів вузлів показано на рис. 11.

Рисунок 11 – Класифікація протоколів маршрутизації БСС на основі типів вузлів

 

10 Мобільні БСС

В останні роки активно впроваджуються бездротові децентралізовані мережі, що самоорганізуються, що складаються з мобільних пристроїв MANET (Mobile Ad hoc НЕwork). Кожен пристрій такої мережі може незалежно пересуватися у будь-яких напрямки, і, як наслідок, часто розривати та встановлювати з'єднання з сусідами.

Самоорганізовані мережі MANET мають наступні переваги над бездротовими мережами традиційної архітектури:

–      можливість передачі на великі відстані без збільшення потужності передавача;

–      стійкість до змін у інфраструктурі мережі;

–      можливість швидкої реконфігурації в умовах несприятливої завадної обстановки;

–      простота та висока швидкість розгортання мережі.

Проте мобільність вузлів веде до додаткового підвищення динамічності топології мережі і, отже, до можливості обриву зв'язку через перешкоди або увімкнення/вимкнення вузла додається можливість його переміщення.

Для маршрутизації на мережевому рівні в MANET використовуються спеціальні протоколи, орієнтовані на динамічні мережі (наприклад, підтримувати маршрут, якщо поїхав проміжний вузол, і маршрут зруйнувався):

1) реактивні – знаходять маршрут у тому випадку, коли потрібно передати пакет і для нього немає відомого шляху та намагаються змінити цей шлях, якщо сталася помилка, приклади: спеціалізований протокол вектора відстані на запит AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector), протокол динамічної маршрутизації джерела DSR (Dynamic Source Routing) та ін;

2) проактивні (превентивні) – знаходять маршрут заздалегідь для всіх можливих пар джерело-приймач і періодично оновлюють інформацію про маршрутизацію підтримки шляхів, приклади: протокол оптимізованої маршрутизації стану з'єднання OLSR (Optimized Link-State Routing) та ін.

Перевага одному або іншому виду протоколів може бути віддана тільки з обліком обстановки та швидкостей руху абонентів. Наприклад, для автомобільної версії MANET має сенс використовувати реактивні протоколи.

Мережі MANET включають Ad hoc мережі для транспортних засобів VANET (Vehicular Ad hoc Network), в яких кожен автомобіль, що бере участь, перетворюється на бездротовий маршрутизатор або вузол, що дозволяє автомобілям підключатися один до одного відстані та створювати мобільну мережу. Стандарт для мереж VANET розробляється в рамках робочої групи IEEE 802.11p. Технічні засоби стандарту IEEE 802.11p повинні функціонувати на швидкості до 200 км/год та на відстані до 1 км. Фізичний рівень та МАС підрівень базуються на стандарті IEEE 802.11a. Частотний діапазон для США включає спектр від 5,859 до 5,925 ГГц, для Європи рекомендується використання двох піддіапазонів шириною по 10 МГц кожен: 5,865 - 5,875 ГГц та 5,885 - 5,895 ГГц.

Можливості щодо взаємодії транспортних засобів між собою та з мережею зв'язку загального користування в найближчі роки можуть призвести до утворення нового, дуже масштабний сегмент Інтернету речей. Вже зараз сучасний автомобіль інтегрує GPS/GLONASS приймач, різні сенсори, бортовий комп'ютер. Проте завдання, яка ставиться під час створення VANET, трохи інша. Архітектура мережі VANET передбачає взаємодію автомобіля, як з іншими автомобілями, так і придорожньою мережею. При цьому виділяються три групи послуг:

1. Забезпечення безпеки – допомога водію (навігація, запобігання зіткнень та зміна смуг), інформування (про обмеження швидкості або про зону ремонтних робіт), попередження (післяаварійні, про перешкоди або стан дороги).

2. Підвищення ефективності керування автомобільним трафіком – скорочення тривалість поїздки, споживання палива.

3. Підвищення рівня комфорту пасажирів та водіїв - інформація про місцезнаходження автомобіля, про поточний трафік на дорогах, про погоду, можливість здійснення Р2Р з'єднань, у тому числі з власним будинком через придорожню мережу, а також інформація від придорожньої мережі про готелі, станції заправки, меню в ресторанах і так далі.

 

11 Сполучення БСС із мережами загального користування

В даний час для поєднання БСС з мережами зв'язку загального користування (ССОП) зазвичай використовується протокол бездротових персональних мереж на базі мережевого протоколу IPv6 з низьким енергоспоживанням 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks), запропонований IETF, який дозволяє інтегрувати сенсорні мережі в існуюче сімейство мереж стеку протоколів TCP/IP. Цей протокол дозволяє передавати IP-пакети поверх стандарту IEEE 802.15.4 способом, що задовольняє відкритим стандартам (протокол IPv6). При цьому забезпечується взаємодія з іншими IP-каналами та пристроями. Протокол 6LoWPAN створений для малопотужних бездротових персональних мереж (LoWPANs) та описаний у документах RFC4919 та RFC4944. В архітектурі мережі 6LoWPAN (рис. 12) визначено три типи логічних пристроїв (кінцевий вузол, маршрутизатор і шлюз), а також три види мереж: «Проста LoWPAN», «Розширена LoWPAN» та «Ad hoc LoWPAN». Як видно з малюнка, "Ad hoc LoWPAN" не підключена до ССОП, «Проста LoWPAN» підключена до ССОП через один шлюз, а «Розширена LoWPAN» включає кілька шлюзів, пов'язаних з ССОП і один з одним за допомогою магістральної лінії зв'язку.

Рисунок 12 - Архітектура мережі 6LoWPAN

 

12 Проблеми реалізації БСС

При практичній реалізації бездротових сенсорних мереж існує низка проблем:

Проблема енергоспоживання.

Обмеження з енергоспоживання пов'язано з тим, що сенсори працюють від джерела живлення з обмеженим лімітом енергії (зазвичай батарейка). Чим рідше вони будуть замінюватися або заряджатися, тим нижча вартість матиме їх обслуговування. Також енергоспоживання є важливим обмеженням використання сенсорів, доступ до яких ускладнений, отже, джерело живлення не може бути замінений або заряджений. Для зменшення енергоспоживання зазвичай передбачається відключення передавачів сенсорних вузлів, коли не потрібно передачі інформації. На мережному рівні використовуються оптимальні шляхи передачі інформації від сенсорного вузла до координатора (базової станції), враховуючи кількість проміжних вузлів, потрібну енергію та доступну енергію. Окрім мережевого протоколу на споживання енергії впливає конструкція вузлів (наприклад, маленький розмір пам'яті, ефективність перемикань між завданнями), програмне забезпечення, механізми захисту і навіть робітники програми.

Проблема самоврядування.

Сенсорні мережі часто повинні працювати у віддалених областях та у жорстких умовах, без можливості їх обслуговування та ремонту. Тому, сенсорні вузли повинні конфігуруватися самостійно, взаємодіяти з іншими вузлами, адаптуватися до поломки змін навколишнього середовища без втручання людини.

Проблема бездротового з'єднання.

Вибір бездротового з'єднання накладає ряд обмежень на реалізацію сенсорних мереж. Наприклад, загасання сигналу обмежує відстань передачі. Так зв'язок між потужностями сигналів переданої та прийнятою інформацією описується законом зворотного квадрата відстані: Рпр ~ Рпрд / D², де Рпр – потужність прийнятого сигналу; Рпрд – потужність переданого сигналу; D – відстань між передавачем та приймачем.

Отже, збільшення відстані між сенсорним вузлом і маршрутизатором/координатором призводить до збільшення потужності сигналу, що передається. Тому більш ефективно, з погляду витрат енергії, розділити великі відстані передачі в сенсорних мережах на кілька невеликих.

Проблема децентралізованого керування.

Алгоритми побудови багатьох сенсорних мереж будуються по централізованому принципом. При децентралізованому управлінні сенсорні вузли мають обмінюватися інформацією із сусідніми вузлами, щоб згенерувати рішення про комутацію вузлів, без глобальної інформації про всю мережу. Внаслідок цього децентралізовані алгоритми можуть бути неоптимальними, але ефективнішими щодо енергії, ніж централізовані. Наприклад, при централізованому управлінні базова станція може опитувати всі сенсорні вузли, приймати від них інформацію, повідомляти кожному вузлу свій маршрут передачі. При частій зміні мережі втрати будуть значні. Децентралізований підхід дозволяє кожному вузлу робити власне рішення при наявності невеликої інформації (список сусідніх пристроїв, що включає інформацію про відстані до базової станції). В даному випадку втрати на управління будуть значно зменшені.

Проблема конструкції.

Головною метою бездротових сенсорних мереж є створення маленьких, дешевих та ефективних пристроїв. Через вимогу до низького споживання енергії типовий сенсорний вузол має невеликі швидкості виконання операцій та обсяги збереженої інформації. Також через це небажано використання деяких пристроїв, таких як GPS-приймачі. Обмеження за розмірами впливає на структуру протоколів та алгоритмів, реалізованих у бездротових сенсорних мережах. Наприклад, таблиця всіх маршрутів у мережі може бути слухом великий і не поміститися у пам'яті вузла. Тому лише невелика частина інформації (наприклад, список сусідніх вузлів) може зберігатися у пам'яті вузла.

Проблема безпеки.

Віддалене розташування сенсорів та їх автоматична робота збільшує їх незахищеність до сторонніх вторгнень та атак. При бездротовому підключенні досить легко для порушника перехопити пакети, які передаються сенсорним вузлом. Наприклад, найбільша загроза здійснення атаки «відмови в обслуговуванні» (denialof- service), мета даної атаки порушити коректне функціонування сенсорної мережі. Це може бути досягнуто за допомогою різних способів, наприклад, при подачі потужного сигналу, який заважає сенсорним вузлам обмінюватися інформацією («білий шум» або jamming attack). Існують різні варіанти захисту систем від зловмисників, але для багатьох із них необхідні високі вимоги до апаратних ресурсів, що труднодосяжно на жорстко обмежених за багатьма вимогами сенсорних вузлах.

Отже, сенсорні бездротові мережі вимагають нових рішень для створення ключів, їх поширення, ідентифікації та захисту вузлів.

 

13 Електроживлення вузлів БСС від зовнішнього середовища

Однією з основних вимог, що висуваються до вузлів сенсорної мережі, є тривалий час їхньої автономної роботи. Завдання зменшення енергоспоживання може вирішуватися за рахунок оптимізації конструкції та режимів роботи аналогових та цифрових схем. вузлів, а також за рахунок вилучення енергії, необхідної для роботи цих схем, довкілля. В даний час у всьому світі ведеться активний пошук нових екологічних та необмежених ресурсів енергії, які дозволять мережевим пристроям позбавитися від батарей або дротів і розробити автономні бездротові сенсорні мережі з теоретично необмеженим терміном служби.

У довкіллі існують чотири основні джерела енергії: механічна енергія (вібрації, деформації), теплова енергія (температурні перепади або зміни), енергія випромінювання (сонце, інфрачервоні промені, радіочастоти) та хімічна енергія (хімія, біохімія). Ці джерела характеризуються різними щільностями потужності (рис. 13).

 

Рисунок 13 - Щільність потужності (до перетворення) для різних типів джерел енергії із зовнішнього середовища

 

Малюнок показує, що значення вихідної потужності 10-100 мкВт є прийнятним при розмірах джерела 1 см² або 1 см³. Одержання енергії від сонця вважається найбільш потужним (навіть якщо значення, наведені на рис. 14, мають бути помножені на вагові коефіцієнти для перекладу ККД, що рідко перевищують 20% фотоелементах). На жаль, отримання сонячної енергії неможливе у темних ділянках (наприклад, у приміщеннях). Аналогічно неможливо отримувати енергію від температурних перепадів, якщо цих перепадів немає або від неіснуючих вібрацій. Як наслідок, джерело зовнішньої енергії має бути обране відповідно до місцевого середовища, навколишнього вузол бездротової сенсорної мережі, тобто. не існує універсального джерела енергії із зовнішнього середовища.

Для живлення вузлів сенсорної мережі від довкілля необхідно знизити споживання енергії датчиками (сенсорами/актуаторами), мікроконтролером та радіопередавач. В останні роки значний прогрес у цьому напрямі було досягнуто виробниками мікроконтролерів та радіочастотних чіпів (Atmel, Microchip, Texas Instruments та ін.) як для робочого, так і для холостого режиму. Приклад типового споживання енергії вузлом бездротових сенсорних мереж наведено на рис. 14.

Рисунок 14 – Графік споживання енергії вузлом БСС

 

Можна виділити три типові значення споживаної потужності:

1) 1-5 мкВт: споживання енергії в «сплячому» режимі;

2) 500 мкВт - 1 мВт: споживання енергії в активному режимі;

3) 50 мВт: пік передачі енергії.

Аналіз наведеної діаграми дозволяє зробити такі висновки. По перше, мінімальна потужність джерела енергії із зовнішнього середовища для побудови життєздатних бездротових вузлів має бути близько 1-5 мкВт, що відповідає достатньої величини для холостого режиму мікропроцесора та радіочастотного чіпа.

По-друге, сучасні джерела енергії із зовнішнього середовища не можуть забезпечувати бездротові сенсорні мережі енергією, достатньою для активного режиму (споживання енергії в 500 мкВт – 1 мВт проти 10-100 мкВт для вихідної потужності таких джерел).

Однак, завдяки ультранизькому споживанню енергії в режимі сну, бездротові сенсорні мережі, які живляться від зовнішнього середовища, можуть використовувати переривчастий робітник цикл, зображений на рис. 15. Енергія зберігається в буфері (а) (конденсатори, батареї) та використовується для виконання вимірювального циклу, як тільки енергії в буфері стає достатньо (б і в). Далі система знову повертається до сплячого режиму (г), очікуючи на новий вимірювальний цикл.

Рисунок 15 – Робочий цикл у бездротовій сенсорній мережі

 

Таким чином, використовуючи енергію із зовнішнього середовища можливе харчування будь-яких додатків, навіть найнеекономніших. Основною проблемою є адаптація частоти вимірювального циклу до безперервно вироблюваної енергії. Середнє енергоспоживання сенсорних вузлів (Р) відповідає загальній кількості енергії, необхідної для одного вимірювального циклу (W), помноженого на частоту цієї дії (f):

Р = W f.

Цей простий зв'язок між P, W і f проілюстрований на рис. 16. Використовуючи логарифмічні масштаби по осі абсцис (енергія в Джоулях) та по осі ординат (частота вимірювань), середнє енергоспоживання 100 мкВт показано прямою лінією з коефіцієнтом нахилу -1. Наприклад, виконання повного циклу роботи сенсорного вузла (вимірювання + перетворення + передача) потребує 250-500 мкДж. Отже, безперервно отримуючи 100 мкВт потужності, можна виконувати повний цикл роботи вузла сенсорної мережі кожні 1-10 секунд (0,1-1 Гц). Це підходить багатьом промисловим потребам, особливо тим, де обслуговування передбачуване.

Рисунок 16 – Зв'язок потужності, енергії та частоти

 

Загалом отримання енергії із зовнішнього середовища – за винятком фотоелемента – тільки галузь, що розвивається, ще не пристосована для промислового застосування. Тим не менш, поліпшення існуючих технологій може призвести до перспектив життєздатним рішенням електроживлення автономних бездротових сенсорних мереж.

 

14 БСС та Інтернет речей

Завдяки таким характеристикам БСС, як мініатюрність вузлів, низька енергоспоживання, вбудований радіоінтерфейс, достатня обчислювальна потужність, порівняно невисока вартість, стало можливим їх широке використання у багатьох сферах людської діяльності з метою автоматизації процесів збирання інформації, моніторингу та контролю характеристик різноманітних технічних та природних об'єктів.

БСС доцільно застосовувати у таких предметних областях Інтернету речей:

- моніторинг телекомунікаційної інфраструктури мереж;

- моніторинг транспортних магістралей (залізниць, метрополітену та ін.), нафто- та газопроводів, інженерних мереж енерго- та теплопостачання;

- контроль та аналіз транспортних вантажопотоків;

- екологічний, біологічний та медичний моніторинг;

- автоматизація систем життєзабезпечення в системах класу "Розумний будинок";

- виявлення та попередження надзвичайних ситуацій (моніторинг сейсмічної активності та вулканічної діяльності, аналіз атмосфери та прогноз погоди для своєчасного попередження про настання стихійного лиха) та інші.

 

ТЕМА 3 ПРАКТИЧНА РЕАЛІЗАЦІЯ IoT

1 «Розумна планета»

Окремі масштабні проекти у напрямку створення «розумної» планети, свого роду «Інтранети речей», енергійно розвиваються останніми роками. Так, Національне управління США з аеронавтики та дослідження космічного простору (National Aeronautics and Space Administration, NASA) за підтримки компанії Cisco створює систему глобального збору даних про Землю - "Шкіру планети" (Planetary skin). Планується розробити онлайнову платформу для збирання та аналізу даних про екологічну ситуацію, що надходять від космічних, повітряних, морських і наземних датчиків, розкиданих по всій планети. Ці дані стануть надбанням широкого загалу, урядів та комерційних організацій. Вони дозволять у режимі, близькому до реального часу, вимірювати, повідомляти та перевіряти екологічні дані, своєчасно розпізнавати глобальні кліматичні зміни та адаптуватися до них. Розробка платформи почалася із серії пілотних проектів, включаючи проект Rainforest Skin (букв. – «шкіра» тропічних джунглів»), під час якого буде досліджено процес знищення тропічних лісів у світовому масштабі.

Концепцію розумної планети Smart Planet пропагує компанія IBM. Суть її полягала в тому, що завдяки технологіям IoT можна зробити планету розумнішою. Сьогодні вплив цієї ідеї вже помітно відчувається у всьому світі в різних секторах і галузях, а також у нашому повсякденному житті. Компанії, що працюють у сфері енергетики та енергопостачання, знаходять кращі, більш ефективні способи вироблення та розподілення електроенергії. Міста впроваджують рішення для керування дорожнім рухом, які допомагають суспільству заощадити час та гроші і при цьому підвищити якість життя. Компанії, які виробляють споживчі товари, використовують інтелектуальні технології для створення та постачання більш якісних продуктів у більш короткі терміни та за нижчою ціною. Системи охорони здоров'я використовують інформацію для зменшення кількості помилок, скорочення витрат та забезпечення більш індивідуалізованого обслуговування.

Технології IoT на базі сенсорних мереж широко використовуються в екології, наприклад, відстеження руху птахів, дрібних тварин та комах, моніторинг стану навколишнього середовища з метою виявлення її впливу на сільськогосподарські культури та худобу, виявлення лісових пожеж, повеней, забруднень та інших. Починати будувати «розумну планету» потрібно з побудови «розумних будівель», об'єднуючи їх потім у «розумні міста», і продовжувати цей процес доти, доки «цифровий інтелектуальністю» не буде наділена вся планета.

 

2 «Розумне місто»

В останні роки в містах інтенсивно створюються інформаційні системи для автоматизації окремих сфер міського життя: безпеки міського середовища, транспорту, енергетики та ЖКГ, охорони здоров'я, освіти, державного та муніципального управління та ін. Принципи та технології IoT дозволяють створити повнозв'язкове інтегроване рішення, необхідне для функціонування міського середовища (рис. 1) та доступне всім жителям міста, співробітникам міських служб, чиновникам та управлінцям різних рівнів.

Слід визнати, що Інтернет речей поки що не проник глибоко в елементи. міської інфраструктури та господарства, але вже сформував сферу впливу, в рамках якою грає практично революційну роль. Це насамперед транспорт, енергетика та комунальні послуги, екологія, контроль злочинності, інформаційне забезпечення мешканців міста та інтерактивне управління домогосподарством.

Інтелектуальні мобільні пристрої та високошвидкісні територіально розподілені мережі для доступу до них, сенсори, що вбудовуються в міське середовище – все це забезпечує основу для створення всеосяжних міст (ubiquitous city), або u-міст, яких об'єкти інфраструктури та люди тісно пов'язані. Уряди кількох країн вже ухвалили масштабні програми створення інтелектуальних міст U-City.

Рисунок 1 – Основні підсистеми «розумного міста»

 

Найефективніші U-системи (пов'язані на основі Інтернету речей) – це комунальна, транспортна, паркувальна служби, а також служба боротьби з вуличною та побутовою злочинністю. Це, по суті, ключові проблеми міського життя, які можна вирішити на основі єдиної системи моніторингу та контролю. Так, у корейському місті Eunpyeong New Town ефективно працює U-система у сфері торгівлі у вигляді порталу з інформацією про магазини, кафе і т.д., а також система контролю розташування дітей, призначена для батьків. За допомогою сайту Яндекс.Таксі у Москві можна відстежити переміщення замовленої машини, знайти найближчих водіїв на онлайн-карті. Збір інформації від автобусів, обладнаних системою GPS або ГЛОНАСС, дозволяє створювати інтерактивні табло, онлайн-ресурси та програми, які інформують мешканців про те, скільки їм доведеться чекати на автобус. Наприклад, у Москві на Тверській вулиці встановлені п'ять перших "розумних" зупинок, обладнаних сенсорними панелями. Тепер пасажири можуть прокласти свій шлях на інтерактивній карті та дізнатися точний час прибуття автобуса чи тролейбуса. У Москві планується також оснастити паркування інтелектуальною системою, яка дозволить автомобілістам отримувати інформацію про вільні місця для паркування в режимі реального часу.

Інший цікавий приклад — розумні контейнери для сміття. Сигнал про наповнення подається до централізованої системи управління, яка відстежує на карті все сміттєзбиральні машини та включає наповнений контейнер у маршрут найближчого вантажівки. І це теж вже не фантастика: саме так працює сміттєзбірна система Дубліні та Барселоні.

Ідея використати в Інтернеті речей таку просту, яка отримала повсюдне розповсюдження технології, як стільниковий зв'язок, знаходить все більше застосування у всьому світі. У майбутньому смартфони городян сформують мережу, що постійно розширюється. муніципальних датчиків. Зараз вчені експериментують із вбудовуванням датчиків в стільникові телефони для вирішення соціальних проблем (наприклад, збору даних по забрудненню повітря або рівню радіації) так, щоб звести до мінімуму або навіть нуля необхідність допомоги з боку городян.

 

3 «Розумний дім»

«Розумний дім» призначений для максимально комфортного життя людей за допомогою використання сучасних високотехнологічних засобів. Принцип роботи системи «Розумний будинок» полягає в автоматизації всього, з чого складається житлова споруда: освітлення, кондиціювання, система безпеки, електроенергія, опалення, водопостачання та водовідведення і так далі. До основних підсистем «розумного будинку» відносяться: клімат-контроль, освітлення, мультимедіа (аудіо та відео), охоронні системи, зв'язок та інші (рис. 2).

Рисунок 2 – Основні підсистеми "розумного будинку"

 

У стандартному проекті «розумного будинку» можна виділити три основні підмережі: мережа мультимедійних пристроїв, мережа електроосвітлювального обладнання та сенсорну мережу. В останньому випадку це датчики руху, світла, температури, тиску, вологості, вібрації тощо. Таким чином, «розумний будинок» складається з програмного та апаратного забезпечення, датчиків та провідної/бездротової мережі (рис. 3).

У загальному випадку, «розумний будинок» надає його власнику такі переваги:

1) зниження споживання ресурсів (газ, вода, електроенергія);

2) високий рівень комфорту;

3) забезпечення необхідної взаємодії всіх автоматизованих систем об'єкта

нерухомості, завдання різних режимів роботи;

4) зниження ймовірності виникнення аварійних ситуацій;

5) підвищення оперативності, простоти та зручності управління.

Рисунок 3 – Основні компоненти «розумного дому»

 

Для автоматизації будинку смарт-вузли можуть бути інтегровані безпосередньо в побутові прилади, наприклад у пилососи, мікрохвильові печі, холодильники та телевізори (Іх опис наведено нижче). Вони можуть взаємодіяти один з одним та із зовнішньої мережею через Інтернет. Це дозволить кінцевим користувачам легко керувати пристроями вдома як локально, і віддалено.

Більшість побутових пристроїв із категорії «розумних» речей можна поділити на дві групи на кшталт використання Інтернету.

До першої групи належить техніка, яка через WWW оновлює своє програмне забезпечення, отримує нові функції, приймає керуючі сигнали від того, що перебуває вдалині господаря, і, відповідно, надсилає йому інформацію, що підтверджує виконані дії та свій стан. Цей тип використання Інтернету побутовою технікою є найбільш розумним і здатний довести потенційного споживача свою корисність.

До другої групи входить техніка, в якій інтернет є як би стороннім тілом. Суть рішення в тому, що в абсолютно звичний побутовий прилад мікрохвильової печі або холодильника, вбудовується спрощений комп'ютер і дисплей, після чого з їхньою допомогою можна отримувати мультимедійні розваги там, де їх раніше не було, наприклад, на тій самій кухні.

Одним з перших прикладів побутової техніки, що має підключення до Інтернету є звичайний тостер, оснащений інтерфейсом для віддаленого включення та повідомлення про готовність підсмаженого тосту. Так техножарт Джона Ромки, одного з перших фахівців у галузі TCP/IP-протоколу, породила далекого 1988 року технотренд Інтернету речей, що у наші дні втілюється у життя. Нижче наведено найбільш характерні приклади «розумних» домашніх речей із підключенням до інтернету.

Інтернет-холодильник (Internet refrigerator або Smart refrigerator) – новий клас побутових холодильників, що з'явився на початку ХХІ ст. Як правило, він має вбудований комп'ютер із постійним підключенням до мережі інтернет та сенсорний екран на фронтальній панелі (рис. 4). Такий холодильник не тільки зберігає продукти, але й надає можливість користуватися інтернетом, через який можна отримати доступ до різних сайтів (наприклад, з кулінарними рецептами для приготування страв) і навіть замовляти продукти в інтернет-магазинах з доставкою додому. Крім того, за допомогою інтернет-холодильника можна спілкуватися, використовуючи електронну та відеопошту. Інтернет-холодильник може надавати цілу низку сервісів: доступ в Інтернет, відеотелефон, e-mail, TV, MP3-музику, базу даних за кулінарними рецептами та правилами харчування, електронне перо, щоб залишити повідомлення, голосові листи. Ряд моделей інтернет-холодильників обладнані телевізійним та радіоприймачем. Крім того, при використанні інтернет-холодильника з'являється можливість вивести на екран зображення від веб-камери зовнішнього відеоспостереження. Це дозволяє бачити те, що відбувається у дворі приватного будинку, навіть не залишаючи кухні, наглядати за своїм малюком, що перебуває у дитячій кімнаті тощо.

Деякі пристрої цього типу також можуть стежити за вмістом холодильника, вибираючи оптимальні умови зберігання та заморозки продуктів. Крім цього, інтернет-холодильник відстежує продукти з терміном придатності, що закінчується. Інформація про все цьому надходить на смартфон користувача і останній, перебуваючи в магазині, може оцінити свої реальні потреби у продуктах.

Рисунок 4 – Інтернет-холодильник Digital Dios Refrigerator компанії LG Electronics (Фото з сайту smh.com.au).

 

Робот-пилосос може діяти автономно, програмуватися та керуватися через Інтернет, для чого є ряд сенсорів та інфрачервона вбудована камера (рис. 5). Система управління роботою пилососа робить кілька знімків за секунду створюючи, таким чином, карту всього будинку чи окремих його кімнат. Пристрій також має можливість запам'ятовувати оптимальний шлях прибирання та визначати своє місцезнаходження у будинку.

Акумулятора вистачає на певний час збирання (зазвичай до 1,5 годин), після закінчення якого робот сам вирушає на підзарядку. До пилососу є бездротовий доступ.

Wi-Fi за допомогою комп'ютера чи смартфона. Через ці пристрої можна запустити його і в режим реального часу спостерігати за тим, що відбувається в кімнаті. Більше того, можна поговорити з людьми, які перебувають у будинку через систему голосового зв'язку. Вбудоване джерело світла дозволяє бачити у повній темряві та перевірити приміщення навіть уночі.

 

Рисунок 5 - Робот-пилосос VC-RL87W компанії Samsung

 

Інтернет мікрохвильова піч (рис. 6) має вбудований модем для виходу в інтернет, пам'ять для зберігання інформації, що скачується, і пульт управління. Вона виконує такі завдання:

скачування рецептів з Інтернету та самопрограмування;

зв'язок із компаніями – виробниками продуктів;

дає доступ до системи замовлення продуктів через Інтернет.

Рисунок 6 – Мікрохвильова інтернет-піч M-G270IT компанії LG Electronics

 

Інтернет-кондиціонер підключається до Інтернету через провідний або бездротовий. мережі WiFi і дає користувачеві доступ до управління кондиціонером з будь-якої точки земної кулі. Власник може дистанційно включати та вимикати систему, програмувати налаштування, вибирати режими, температуру, швидкість вентилятора, задавати параметри, словом робити будь-які маніпуляції, доступні зі звичайного пульта. Керувати таким кондиціонером можна з будь-якого пристрою (комп'ютер, ноутбук, планшет, смартфон), в якому встановлено спеціальну програму та який має вихід в інтернет.

Система догляду за домашніми тваринами покликана забезпечити їм все необхідні комфортні умови для існування. Така система використовується у випадку тривалої відсутності господарів будинку – це дозволяє не турбуватися про благополуччя своїх домашніх улюбленців. Основними завданнями системи догляду за домашніми тваринами є автоматична подача їжі та пиття, а у разі виникнення непередбачених обставин - інформування господарів про них (телефоном, за допомогою SMS або по електронній пошті). За бажанням можна скласти повний звіт про поведінку домашніх улюбленців під час відсутності господарів – скільки разів і коли їли, коли ходили до туалету, пили воду тощо. Можна навіть супроводжувати цей звіт фотографіями (якщо встановлено камеру стеження) і передавати їх (електронною поштою, за допомогою MMS) – словом, все, щоб господарі почувалися комфортно і були впевнені в тому, що їхнім улюбленцям нічого не загрожує.

 

4 «Розумна енергія»

В даний час найбільш опрацьованим варіантом застосування технологій IoT є "розумні мережі" (Smart Grids) в енергетиці. Робота такої мережі полягає в тому, що постачальник та споживач отримують об'єктивну картину щодо використання енергоресурсів за рахунок моніторингу на всіх ділянках мережі та, як наслідок, отримують можливість оперативне управління. У разі аварій такі мережі здатні автоматично ідентифікувати проблемні ділянки та протягом короткого часу спрямовувати електроенергію за резервними схемами, відновлюючи електропостачання. Для споживачів «розумні» мережі означають можливості щодо гнучкого регулювання споживання електроенергії як у «ручному», так і в автоматичному режимі.

Управління енергомережею здійснюється за допомогою наступних систем (рис. 7):

«розумний» маршрутизації енергопотоків (Smart Routing) – системи контролю навантаження та якості, самовідновлення мереж внаслідок аварійних подій, зберігання енергії та ін;

"розумних" вимірювань (Smart Metering) - сучасні інтелектуальні прилади обліку (Smart Meter), системи інтелектуальної будівлі (Smart Home), «розумні» побутові прилади.

Рисунок 7 – Схема «розумної» мережі Smart Grid

 

"Розумний" (або інтелектуальний) лічильник (Smart Meter) - прилад обліку енергоресурсів з розширеними можливостями, що дозволяє контролювати величину спожитих енергоресурсів та періодично передавати інформацію через телекомунікаційну мережу постачальнику енергоресурсів або до центру обліку та розрахунків за житлові та комунальні послуги. «Розумні» лічильники можуть вимірювати витрати електроенергії, газу, води, тепла, а також мати додаткові можливості, які розглядаються нижче. «Розумний» прилад обліку має такі технічні особливості:

1. Формує та зберігає поточні та архівні значення спожитих енергоресурсів. Об'єм архівних даних залежить від розміру пам'яті контролера приладу.

2. Має вбудований годинник реального часу, який вимагає періодичної синхронізації із єдиного центру.

3. Має можливість взаємодії з інформаційною керуючою системою

на формування балансу споживання, обліку допуску приладу.

4. Має стандартний цифровий інтерфейс для обміну даними з автоматизованою системою обліку споживання енергоресурсів та (або) телекомунікаційну частину для віддаленої передачі даних до центру обліку та розрахунків.

Основні вимоги до «розумних» мереж наступні:

- можливість «самовосстановлення» мережі після замикань, фізичних пошкоджень та ін.;

- можливість мотивування споживачів для активної участі у регулюванні мережі (за допомогою регулювання споживання);

- висока стійкість до шкідливих зовнішніх впливів (теракти, диверсії та т.п.);

- можливість надання електроенергії високої якості (в т.ч. із заданими параметрами) та скорочення втрат;

- інтеграція опцій виробництва та зберігання електроенергії;

- висока ефективність.

Розвиток технологій «розумних» мереж (Smart Grid) та «розумних» лічильників (Smart Metering) несе в собі перспективу того, що всі промислові та побутові енергоприймачі знайдуть здатність до взаємодії в інформаційній мережі, стануть керованими та будуть виконувати функції вимірювання власного споживання електроенергії та потужності. Це дасть реальний інструмент для енергозбереження та підвищення енергоефективності.

 

5 «Розумний транспорт»

Інтелектуальні транспортні системи ITS (Intelligent Transportation System) на базі технологій IoT дозволяють здійснювати автоматичну взаємодію між об'єктами інфраструктури та транспортним засобом V2I (Vehicle to Infrastructure) або між різними транспортними засобами V2V (Vehicle to Vehicle). Системи V2V здійснюють обмін даними бездротового зв'язку між машинами на відстані до кількох сотень метрів. Системи V2I здійснюють обмін між транспортним засобом та центрами управління дорожнім рухом, операторами доріг та сервісними компаніями. Дані, передані об'єктами інфраструктури, інтегруються у загальну систему та передаються прилеглим транспортним засобам. Технології обох груп здатні значно збільшити безпеку та ефективність транспорту. Як приклад використання технологій IoT у містах можна навести систему управління автомобільним трафіком (рис. 8), що на основі аналізу пропускної здатності доріг не тільки самостійно керує трафіком за допомогою пере налаштування світлофорів, але і постійно в реальному часі публікує дані про свій стан, які можуть бути доступні будь-яким іншим пристроям та сервісам, будь-то Глонасс/GPS-навігатор, мобільний телефон або спеціалізовані веб-сайти.

 

Рисунок 8 – Система інтелектуального керування транспортом

 

Використання технології IoT у транспортній сфері дозволяє не лише відстежувати оповіщення про критичні ситуації, але також перенаправляти маршрути руху в режимі реального часу і навіть попереджати пасажирів та водіїв про альтернативних маршрутах, транспортних засобах, придорожньому житлі та пунктах громадського харчування. Крім того, за допомогою встановлених на вулицях датчиків можна буде забезпечити публікацію інформації про їхню завантаженість.

Серед таких «розумних» транспортних систем IoT можна згадати:

- системи запобігання зіткненням;

- системи «бічної підтримки», що вказують водію на перетин дорожніх смуг чи небезпечні маневри;

- системи нічного бачення;

- системи автоматичного керування машиною та руху у групах машин;

- системи, що контролюють стан водія (зокрема, що не дозволяють йому заснути);

- системи превентивного реагування на аварійну ситуацію (наприклад, системи, що здійснюють попереднє натягування ременів безпеки перед неминучим зіткненням).

Система інформування водіїв за допомогою пристроїв, що вбудовуються в машини. VICS (Vehicle Information and Communication System) збирає інформацію через сенсори, встановлені на об'єктах дорожньої інфраструктури (дорожньому полотні, камерах спостереження та ін.), з використанням «машин-зондів» (мобільних пунктів спостереження за дорожнім рухом), а також шляхом використання вже встановлених бортових систем, що дозволяють збирати інформацію про швидкість руху транспортного потоку, погоду та стан доріг. Ця інформація системою VICS обробляється та перекладається у цифровий вид, а потім розсилається на бортові навігаційні системи. Користувачі системи можуть отримувати інформацію у різних видах - як тексту, простий графіки, карт. Бортові системи динамічно обробляють дані та пропонують водію оптимальний маршрут.

 

6 «Розумне виробництво»

Вважається, що винахід парової машини у XVIII столітті викликав першу індустріальну революцію. Наступний якісний стрибок стався у промисловості на початку ХХ століття під час переходу на конвеєрне виробництво. Потім, з 1960-х років, процеси на підприємствах почали кардинально змінюватись завдяки впровадженню комп'ютери. І ось зараз ми стаємо свідками стрімко наростаючої четвертої індустріальної революції, рушійною силою якої є Інтернет речей. За рахунок технологій IoT виробничі компанії зможуть оптимізувати все - від роботи складу до виконання безпосередньо виробничих завдань, якщо кожне промислова будівля, транспортний засіб і навіть інструмент будуть забезпечені сенсорами і регулярно надсилатимуть звіт про свій стан, місцезнаходження та інші характеристиках.

Наведемо конкретний приклад. Оскільки вимоги до якості та безпеки автомобілів неухильно зростають, виробники зацікавлені у можливості контролювати роботу основних систем та деталей вже випущених та проданих машин. Іншими словами, автозавод хоче залишатися з ними в контакті, і завдяки Всесвітній мережі це можливо. У майбутньому будь-який автомобіль стане частиною Інтернету речей. Авто зможе зв'язуватися зі своїм виробником і, наприклад, повідомляти йому, що потребує дострокове техобслуговування. Сенсори в режимі онлайн будуть оповіщати, наприклад, про перегріві, вібрації, передчасному зносі певного вузла або, скажімо, про незвичних звуках.

Подібні інтелектуальні цифрові системи надалі встановлюватимуть на будь-яких машинах та верстатах, але насамперед на обладнанні таких системоутворюючих об'єктів, як, наприклад, електростанції. Кожен вузол верстата чи обладнання займатиметься самодіагностикою та через інтернет повідомляти про свій стан у відповідний експлуатаційний центр керування.

Такі рішення матимуть цілу низку переваг для самих виробників. Так, компанії зможуть краще планувати випуск та постачання запчастин, вони матимуть можливість відстежувати, наскільки часто ті чи інші вузли стикаються з певними проблемами, та своєчасно вносити необхідні інженерно-конструкторські зміни. До того ж вони зможуть цілеспрямовано інформувати клієнта про необхідність замінити той або інший вузол.

Нарешті, виробники зможуть перевіряти, чи клієнт використовує якісні фірмові запчастини або вдається до дешевих підробок. Проблема ця дуже гостро стоїть сьогодні перед багатьма компаніями та в цілому машинобудівною галуззю, що зіткнулася з потоком контрафактної продукції. Для перевірки справжності запчастин у обладнання будуть, наприклад, вбудовувати чіпи, які знають, де в інтернеті знаходиться відповідну документацію виробника. При заміні деталей вони перевірятимуть «новачків» та звіряти отриману інформацію з рідною базою даних. Таким чином, машинобудівна продукція надалі існуватиме як би у двох іпостасях. Одна – реальна, «залізна», іншу – віртуальна, як набору цифрових даних.

Завдяки IoT стане можливим об'єднання всіх контрольно-вимірювальних приладів та датчиків на якомусь виробництві в єдину інформаційну мережу. Крім ефективного витрачання енергії можна буде навіть швидко інтегрувати у систему альтернативні джерела екологічно чистої електрики – наприклад, сонячні батареї та вітряні генератори. Зниження виробничих витрат, ефективний витрата енергії, відмова від економічно нерентабельних активів – все це дозволить разом суттєво здешевити виробництво, а використання поновлюваних джерел електрики покращить екологічну обстановку.

Ще один сучасний прояв Інтернету речей – зв'язок між машинами (M2M) за допомогою SMS. У Європі цю технологію вже використовують у сільському господарстві. стеження реальному часі за переміщеннями великої рогатої худоби. Крім стеження за переміщенням худоби, фермери отримують автоматичні повідомлення про стан тварин. У стійлах і в полі встановлюються забезпечені SIM-картами пристрої зв'язку M2M, а до тварин прикріплюються спеціальні датчики, що збирають інформацію та що передають її на пристрій збору даних. Цей пристрій негайно надсилає фермеру потрібну інформацію за допомогою SMS. За даними про стан тварин можна стежити не тільки через SMS, а й в онлайновому режимі через канал GPRS, що зв'язує системи моніторингу із центром обробки даних. У Європі таким додатком вже користуються близько 4 тисяч ферм.

 

7 «Розумна медицина»

«Розумна медицина» з урахуванням Інтернету речей практично зазвичай реалізується як систем моніторингу здоров'я людей з використанням різноманітних біосенсорів та датчиків та систем віддаленої медичної допомоги. Можливі застосування систем моніторингу на базі сенсорних мереж у медицині:

1. Моніторинг фізіологічного стану людини: фізіологічні дані, зібрані сенсорними мережами можуть зберігатися протягом тривалого періоду часу та можуть використовуватись для медичного дослідження. Встановлені вузли мережі можуть також відстежувати рухи людей похилого віку, інвалідів і, наприклад, попереджати падіння. Ці вузли невеликі і забезпечують пацієнту велику свободу пересування, в той час Водночас дозволяють лікарям виявити симптоми хвороби заздалегідь. Крім того, вони сприяють забезпеченню комфортнішого життя для пацієнтів у порівнянні з лікуванням у лікарні.

2. Моніторинг лікарів та пацієнтів у лікарні: кожен пацієнт має невеликий та легкий вузол мережі. Кожен вузол має своє завдання. Наприклад, один може стежити за серцевим ритмом, у той час як інший знімає показання артеріального тиску. Лікарі можуть мати такий вузол, він дозволить іншим лікарям знайти їх у лікарні.

3. Моніторинг медикаментів у лікарнях: сенсорні вузли можуть бути приєднані до ліків, тоді шанси видачі неправильних ліків, можуть бути зведені до мінімуму. Так, пацієнти матимуть вузли, які визначають їхню алергію та необхідні ліки. Комп'ютеризовані системи показали, що вони можуть допомогти звести до мінімуму побічні ефекти від хибної видачі препаратів.

Одним із етапів удосконалення сучасної медицини є персоналізація даних та підвищення комунікації між лікарями. Легкий доступ до історії хвороби дозволяє призначати своєчасне ефективне лікування. Ведення медичних карт поступово може перейти до мережі. «Хмарні» рішення використовуються для зберігання великих обсягів інформації у інтернеті. Завдяки інтернету лікарі різних клінік одержують доступ до даних пацієнта. Електронні медичні карти дають можливість своєчасно дізнаватися про здоров'я хворого, призначати ефективне лікування. Зв'язування обладнання медичного закладу в єдину мережу дозволить отримувати необхідні дані на портативні пристрої лікарів, на які надходить інформація про пацієнта: які ліки прописані, результати аналізів тощо.

Впровадження інтернет-технологій заощаджує час пацієнта та лікаря. Не треба діставатися до поліклініки, варто тільки увімкнути комп'ютер і можна зв'язатися з медичним установою. Відеодзвінки дають можливість не тільки зробити опитування, але й зробити загальний огляд, що часто є достатньо для загального уявлення про здоров'я людини. Якщо все ж таки необхідна зустріч з лікарем, то записатися на прийом можна також через інтернет.

Апарати для вимірювання тиску, ваги та інше портативне обладнання оснащується бездротовими передавачами, які дозволяють дані одразу переносити на комп'ютер та вести облік за своїм здоров'ям. Розробляється «розумний одяг», який збирає дані про стан людини: частоту серцевого ритму, температуру тіла, частоту дихання. У такий розумний одяг вшиваються ще на стадії розробки чіпи, які не тільки проводять вимірювання, а й дозволяють передавати дані на мобільний телефон.

 

8 «Розумне життя»

Вже важко когось здивувати доставкою продуктів додому, але компанія Electrolux вирішила зробити крок ще далі, представивши свою нову розробку – робота AMMI (рис. 9), який ходить за покупками замість свого власника. AMMI – це, по суті, кошик для покупок, яка доставить продукти додому, при цьому зберігаючи їхню свіжість за допомогою термоелектричного охолодження. Господарю робота потрібно тільки зробити онлайн замовлення магазині і потім відправити робота, щоб він його забрав. AMMI оснастили GPS-навігатором, для того, щоб він міг легко знайти дорогу до супермаркету, а також гіроскопом для безпечного переміщення вулицями міста та системою безпілотного руху.

Рисунок 9 - Робот AMMI компанії Electrolux

 

Комп'ютеризоване взуття Verb for Shoe («Команда для взуття») компанії VectraSense (рис. 10) має вбудований спеціалізований мікрокомп'ютер ThinkShoe (з ультранизькою витратою енергії), що працює під керуванням спеціальною операційної системи Magellan і здатний поступово навчатися індивідуальному стиль ходьби господаря взуття. ThinkShoe бездротового зв'язку може з'єднуватися з кишеньковим (мобільним) комп'ютером власника. Швидкість обміну даними становить 1,5 Мбіт/с, використовувана радіочастота - 2,4 ГГц. Черевики Verb можуть виходити в Інтернет та зв'язуватися із сервером компанії-виробника для точної ідентифікації несправностей та оновлення власного програмного забезпечення. Під час зустрічі на вулиці різні туфлі Verb дізнаються один одного і відразу обмінюються по радіо візитками господарів – цю інформацію можна переглянути на домашньому комп'ютері. Працюють черевики від пари плоских батарейок, яких вистачає приблизно два місяці.

 

Рисунок 10 – Комп'ютер, дві повітряні камери, сенсори та радіопередавач – взуття Verb

 

Прикладом розумних пристроїв є окуляри Google Glass компанії Google (рис. 11). В У пристрої використовується прозорий дисплей HMD (Head-Mounted Display), який кріпиться на голову і знаходиться трохи вище правого ока, і камера, здатна записувати відео високої якості. Взаємодія Glass з користувачем здійснюється через голосові команди, жести, що розпізнаються тачпадом, який розташований на дужці за дисплеєм, та систему передачі звуку з використанням кісткової провідності. Концепція Google Glass реалізує одночасно три окремі функції, звівши їх докупи: доповнена реальність, мобільний зв'язок + інтернет, відеощоденник. Такі окуляри дозволяють, надівши їх, отримувати інформацію, яка доповнює побачене. Наприклад, окуляри зможуть розпізнати місцевість та підказати користувачеві, що знаходиться поблизу.

 

Рисунок 11 – Окуляри-комп'ютер Google Glass

 

"Розумне" дзеркало-гаджет Cybertecture Mirror компанії James Law Cybertecture (Японія) (рис. 12) вміє відбивати як того, хто у цей час у нього виглядає. На поверхні дзеркала, як на великому екрані, можна побачити температуру повітря та календар, дату і день тижня, а ще - гороскоп, зростання та вага користувача, та масу додаткову інформацію. Cybertecture Mirror керується за допомогою спеціального пульта управління, і являє собою щось на кшталт своєрідного комп'ютера з власною операційною системою Android, Wi-Fi доступом та стерео-динаміками. Усе необхідні налаштування та параметри можна виставити в комп'ютері та отримувати на дзеркало. екран повідомлення з електронної пошти, новини з rss-підписки, дивитися фотографії та стежити за часом. У перспективі хайтек-дзеркало зможе навчатися та підлаштовуватися під кожного члена сім'ї, виводячи персональні нагадування, календар та іншу інформацію індивідуального характеру. У майбутньому система зможе отримувати вказівки від сімейного лікарі, зчитувати RFID-мітки і навіть демонструвати відеоролики.

Рисунок 12 - "Розумне" дзеркало Cybertecture Mirror

 

Для включення або відключення будь-яких побутових, освітлювальних або опалювальних приладів електроприладів через інтернет можна використовувати дистанційно керовану електричну «розумну розетку», що включає GSM-модуль (рис. 13). Управління здійснюється з комп'ютера через інтернет-браузер або з мобільних пристроїв через хмарна програма, що завантажується з інтернет-магазину.

Рисунок 13 – Управління електроприладами через інтернет: а) «розумна розетка»; б) схема управління (джерело: www.commandspot.com)

 

Очевидно, що список подібних речей поповнюватиметься новими «розумними» пристроями та недалекий той день, коли практично всі досить складні предмети нашого побуту матимуть таку нагоду.