Тема 11

ІоТ-технології в задачах синтезу та аналізу кіберфізичних систем

 

Сучасна елементна та технологічна база для CPS та IoT

Інтернет речей (IoT) та кіберфізичні системи (CPS) вимагають складної елементної бази, яка включає різні типи апаратних компонентів, здатних забезпечити взаємодію між фізичним світом і цифровими системами. Сучасні технології роблять можливим створення таких систем, забезпечуючи їх мініатюризацію, підвищення енергоефективності та збільшення обчислювальної потужності (рис. 17).

 

Рисунок 17 – Сучасна елементна та технологічна база для CPS та IoT

 

Сенсори та виконавчі механізми

Сенсори є основними компонентами IoT та CPS, які збирають дані з навколишнього середовища. Вони можуть бути різних типів, залежно від вимірюваного параметра: температури, вологості, тиску, світла, газів, руху тощо. Високоточні сенсори з низьким енергоспоживанням дозволяють збирати дані безперервно і з високою точністю.

Виконавчі механізми, або актуатори, відповідають за виконання фізичних дій на основі даних, оброблених системою. Це можуть бути двигуни, клапани, нагрівачі, світлові індикатори та інші пристрої, які змінюють стан фізичних об'єктів або середовища. Наприклад, у розумному будинку виконавчі механізми можуть автоматично регулювати температуру, відкривати вікна або вмикати освітлення на основі даних сенсорів.

Мікроконтролери та процесори

Мікроконтролери є ядром багатьох IoT-пристроїв. Вони поєднують у собі процесор, пам'ять, і периферійні інтерфейси на одному чипі. Мікроконтролери можуть виконувати різноманітні завдання, включаючи збір даних з сенсорів, обробку цих даних, управління виконавчими механізмами, а також забезпечення комунікації з іншими пристроями.

Сучасні мікроконтролери мають високу продуктивність при низькому енергоспоживанні, що дозволяє їм працювати тривалий час від батареї. Деякі моделі також підтримують апаратне прискорення для криптографічних операцій, що підвищує безпеку пристроїв IoT.

Комунікаційні модулі

Комунікація між пристроями є важливою частиною IoT та CPS. Для передачі даних використовуються різні бездротові технології, такі як Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, LoRaWAN, NB-IoT та інші. Кожна з них має свої особливості щодо радіуса дії, пропускної здатності, енергоспоживання та інших параметрів.

Wi-Fi забезпечує високу швидкість передачі даних на відносно короткі відстані, що підходить для домашніх або офісних мереж. Bluetooth використовується для з’єднання пристроїв на дуже коротких відстанях і має низьке енергоспоживання, що робить його ідеальним для переносних пристроїв. Zigbee та Z-Wave використовуються в автоматизованих системах управління будинками, де важливо забезпечити надійний зв'язок при низькому енергоспоживанні. LoRaWAN і NB-IoT розроблені для передачі даних на великі відстані з низьким енергоспоживанням, що робить їх підходящими для міських інфраструктур і промислових додатків.

Інтерфейси відкритих систем та мережеві протоколи IoT

Інтерфейси відкритих систем і мережеві протоколи забезпечують взаємодію між різними пристроями в екосистемі IoT. Ці протоколи стандартизують спосіб обміну даними між пристроями, що забезпечує їх сумісність і спрощує інтеграцію різних компонентів у єдину систему (рис. 18).

 

Рисунок 18 – Інтерфейси відкритих систем і мережеві протоколи для IoT

 

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)

MQTT є легким мережевим протоколом, призначеним для передачі даних між пристроями в мережах з обмеженими ресурсами. Його перевага полягає в тому, що він підтримує модель публікації/підписки, де один пристрій може передавати дані одразу кільком іншим пристроям. Це особливо корисно в ситуаціях, коли необхідно передавати дані з сенсорів на кілька різних платформ або аналітичних систем.

CoAP (Constrained Application Protocol)

CoAP розроблений для обмежених пристроїв і працює поверх UDP (User Datagram Protocol). Він підходить для роботи в умовах низької пропускної здатності і обмеженої енергетики. Цей протокол підтримує взаємодію між сенсорами та іншими пристроями в IoT, дозволяючи ефективно передавати невеликі обсяги даних.

RESTful API

RESTful API використовуються для інтеграції IoT пристроїв з веб-службами через HTTP. Ці інтерфейси дозволяють пристроям взаємодіяти з різними онлайн-сервісами, такими як хмарні платформи або інші IoT-пристрої. RESTful API забезпечують простий та масштабований спосіб керування даними, що робить їх популярним вибором для багатьох IoT-додатків.

Zigbee та Z-Wave

Ці бездротові протоколи часто використовуються в системах автоматизації будинків, забезпечуючи надійний і енергоефективний зв'язок між пристроями, такими як освітлення, термостати та системи безпеки. Вони працюють на низьких частотах і мають менший радіус дії порівняно з Wi-Fi, але пропонують менше споживання енергії, що є критично важливим для пристроїв, що працюють від батареї.

Спеціалізовані програмні пакети для моделювання та синтезу IoT та CPS

Для розробки, тестування і оптимізації IoT та CPS використовуються спеціалізовані програмні пакети, які дозволяють моделювати, симулювати та синтезувати системи, ще до їхнього фізичного впровадження. Ці інструменти допомагають інженерам оцінити ефективність і надійність системи, а також виявити можливі проблеми на ранніх етапах розробки (рис. 19).

 

Рисунок 19 –Спеціалізовані програмні пакети для моделювання та синтезу IoT і CPS

 

MATLAB та його розширення Simulink є одними з найпотужніших інструментів для моделювання динамічних систем, включаючи CPS. Simulink дозволяє створювати графічні моделі, які описують поведінку системи, об'єднуючи фізичні процеси з алгоритмами управління. Ці моделі можуть бути використані для симуляції систем у різних сценаріях, перевірки стійкості, і проведення оптимізації.

ANSYS є комплексним інструментом для мультифізичного моделювання, що дозволяє аналізувати взаємодію різних фізичних процесів у межах одного пристрою або системи. Наприклад, він може моделювати теплові, механічні, електромагнітні процеси, що особливо важливо при розробці складних CPS, де ці процеси тісно взаємодіють.

Ptolemy II — це спеціалізований інструмент для моделювання та синтезу гетерогенних систем, що дозволяє описувати поведінку різних компонентів CPS у реальному часі. Він підтримує різні часові моделі, що дозволяє точно синтезувати і тестувати системи в умовах реального часу.

IoTIFY — це онлайн-платформа для моделювання IoT-систем, яка дозволяє симулювати роботу пристроїв, тестувати мережеві протоколи та аналізувати продуктивність системи. Вона надає можливість створювати віртуальні середовища, де можна перевіряти масштабованість, надійність та взаємодію IoT-пристроїв у різних умовах.

Ці програмні інструменти є важливими для забезпечення високої якості та надійності IoT та CPS систем, оскільки вони дозволяють тестувати і оптимізувати системи до їхнього фізичного впровадження, знижуючи ризик помилок і збоїв у реальних умовах.