Разработка для интернета вещей *

Internet of Things простыми словами

С одной стороны столь глобальное понятие, с другой — очень простое. Рассматривая интернет вещей на пальцах, я бы предложила концепцию умного дома. С любой точки мира вы можете подключить камеру и посмотреть, что происходит, запустить бойлер, чтоб он нагрел воду для ванной на определенное время, а духовка спекла вашу любимую индейку, пол нагрелся на заданную температуру, а все цветы были политы с помощью капельной системы.

Много гаджетов в одной сети, по аналогии, как и смарт контракты существующие в блокчейн. Такая концепция не отказывается от аналогового мира, просто цифровые технологии заменяет многие привычные вещи, помогают дома, во время путешествия, и особенно — на крупных производствах и компаниях.

Яндекс.Навигатор

Многие из нас знакомы с приложением, бесплатным для работы, которое указывает на то, где «улица стоит» и оценивает уровень пробок. Приложение не только проложит маршрут, но и с 2015 года еще оснащено возможностью голосового контроля. Принцип работы в том, что в онлайн-режиме «подтягиваются» фрагменты карт и строится общий путь с точки А в точку В.

 
Несмотря на то, что название указывает основную функцию — построение маршрута, дополнительно для Москвы внедрена функция указателей платных и бесплатных парковок, подсказки об освободившихся местах, составление истории поездок.

Спорт IOT

Фактически, это способ, объединяющий аналоговые и цифровые усилия для решения каких-либо задач. Говоря о том, что это такое, можно представить спортивную игру, в которой виртуальность заменяет реал, и можно тренировать своих игроков до максимально продуктивного и успешного состояния. Помните фильм «Аватар», так это тот же принцип, только направленный на определенный спорт: футбол, баскетбол, волейбол, бег. Спорт IOT сосредоточен в 3 основных направлениях:

• развитие игрока;
• безопасность игрока;
• участие поклонников.

Последний пункт важен для развития работы с разными болельщиками по всему миру. Здесь не только инвестиции в современные стадионы, которые привлекают зрителей, но и заставляют их вставать с дивана в поисках приключений. Компании же заинтересованы в том, чтобы развивать своих спортсменов и арены для их соревнований.

Умные счетчики

Основная концепция, которая выдвигается к умным счетчикам, их автоматическая и бесперебойная работа. Не надо передавать показания, ведь они поступают на основной пульт в определенное число месяца. Вместе с этим, удается минимизировать риск «воровства» электроэнергии или воды населением. С другой стороны — автоматическая отправка показаний исключает человеческий фактор. Это даже не дополненная реальность, а современные реалии. Многие мегаполисы мира перешли на такие умные системы в разных сферах.

Умные заводы

Если еще лет 20 назад машинное обучение считалось чем-то необычным, а сегодня речь идет о предприятиях, которые запускаются и работают без помощи людей. С одной стороны — это удар по рынку труда, с другой — оптимизация ресурсов. Среди особенностей умных заводов, можно назвать:

• минимальное количество штата;
• высокий уровень внедрения цифровых технологий;
• полная автоматизация.

 
На сегодня лидером в этом промышленном сегменте остается Германия, которая наладила их запуск практически 5 лет назад, а компании, занимающиеся стартом бизнеса, получали поддержку от государства.

А рассматривая облачные технологии, обратите внимание на то, что они точно бы не развивались стремительными темпами, если бы не IOT: интеграция процессов, контроль над работой, взаимодействие разных устройств, раскиданных в пространстве — список базовых задач для решения платформы

Носимый IOT

Этот интернет вещей — просто говоря, способ оживить привычные вещи, сделать их портативными. Только с 2017 по 2020 год, как утверждает аналитическая компания Tractica, количество гаджетов возросло ровно в 2 раза. Как думаете, что стало самым популярным в этом списке? Смарт-часы, фитнес-браслеты, датчики тела.

На втором месте планшеты и смартфоны, на третьем — веб-камеры. Я уже говорила, что такое блокчейн, но эта среда может применяться не только для нашей любимой криптовалюты. Например, умные очки с функцией распознавания лиц уже протестированы и скоро в них будут работать полицейские Сингапура и других стран. Принцип работы: очки снимают все происходящее, фиксируя лица всех (10 тыс. человек на 1 устройство), кто попадает в «объектив», а затем отправляет инфу в блокчейн. При необходимости она вытягивается, а вместе с ней подвязываются и другие данные.

Применение IoT-технологии в разных секторах

Общественный сектор или устройство города

Общественный транспорт в городе подключен к датчикам перемещения, человек может отследить время прибытия конкретного транспортного средства. На мусорных баках все чаще устанавливаются датчики наполнения, это позволяет своевременно увозить мусор. Устанавливается контроль над уровнем воды в водоемах  без участия человека. Датчики шума и загрязнения делают город безопаснее.

Аграрный сектор

Интернет вещей позволили агрономам избавиться от относительного состояния почв. Установленная IoT-технология в виде датчиков фиксирует различные показатели состояния почвы: влага, питание растений, температура. Теперь нет необходимости обходить поля, чтобы контролировать урожай, работу отныне могут выполнить гаджеты. Так, например, небольшая страна Нидерланды активно применяют технологию IoT , и на данный момент является одной страной из мировых лидеров по выращиванию продуктов питания, это стало возможным благодаря применению Интернет вещей.

Сектор логистики

Интернет вещей упростили доставку товаров с производства или магазинов к покупателю благодаря отслеживанию посылки. На данный момент в логистических компаниях на грузовом транспорте активно применяется IoT технология отслеживание по датчикам: их состояния и выбросов в окружающую среду.

Строительный сектор

Наибольшую популярность в современном мире набирает технология «Умный дом». Можно сказать, что умные счетчики фиксируют сколько энергии и затрат на неё было потрачено в определенном месяце, показания передаются на оплату без участия человека. Данная технология представляет широкий спектр предоставляемых услуг.

Как работает IoT

Структура Интернета вещей состоит из интеллектуальных устройств, подсоединенных к глобальной интернет паутине, использующие встроенные системы, такие как процессоры и коммуникационное оборудование, для сбора, отправки и обработки сведений, которые они получают из своей среды.

Путем подключения к шлюзу или другому устройству, IoT обмениваются собираемыми данными с датчиков и отправляют их для анализа. Иногда они связываются друг с другом и действуют на основе полученной информации.

IoT выполняют большую часть работы без вмешательства человека, хотя люди могут взаимодействовать с ними, например, настраивать, давать им инструкции или получать доступ.

IoT также может использовать искусственный интеллект (ИИ) и машинное обучение, чтобы упростить и сделать процессы сбора показаний более динамичными.

5 Популярные Устройства для Интернета Вещей

Вот несколько самых популярных устройств интернета вещей. Большинство из них ежедневно используются дома.

Amazon Echo:

Amazon Echo — умный беспроводной динамик от Amazon, которым можно управлять с помощью голоса. Это умное устройство обычно подключается к Alexa — интеллектуальному голосовому помощнику Amazon. Чтобы разбудить устройство, достаточно сказать «Alexa», «Echo» или «Computer».

Ring:

Ring — это технология нового поколения и одно из самых полезных устройств интернета вещей, которое берет весь дом «в кольцо». Устройство позволяет следить за домом через смартфон, планшет или компьютер. Оно включает в себя видеодомофон с широкоугольным объективом, встроенным микрофоном и динамиком, а также камеры по всему дому.

Nest Thermostat:

Nest Thermostat — самое популярное устройство интернета вещей для отопления и охлаждения помещений. Устройство быстро запоминает образ жизни вашей семьи и автоматически регулирует температуру с учетом ваших привычек и предпочтений. Например, если вы обычно понижаете температуру в комнате перед сном, Nest запомнит, когда вы ложитесь спать и какую температуру предпочитаете ночью и утром.

Wink Hub и Philips Hue:

Умные системы освещения стали очень популярными по мере распространения домашнего интернета вещей, а наибольшую известность приобрела Philips Hue. Это первая домашняя система освещения на базе интернета вещей, которая умеет менять цвет лампочек и управляется со смартфона. С помощью Wink может запрограммировать освещение с учетом яркости дневного света. Кроме того, можно задать периоды снижения уровня освещенности, например, во время сна.

Умная система освещения

Носимые Устройства:

Сегодня носимые устройства получили большое распространение и даже отчасти потеснили смартфоны. Лидеры рынка носимых устройств — Apple, Fitbit и Garmin — предлагают самые современные умные часы и финтес-трекеры. С умными часами вы можете принимать звонки и SMS или даже слушать музыку без необходимости доставать смартфон.

Медицинские носимые устройства следят за биометрическими показателями, такими как потливость, температура тела и пульс. Далее эти и другие параметры состояния здоровья сохраняются, анализируются и отслеживаются.

С их помощью можно вовремя заметить ранние признаки заболеваний или проблем со здоровьем. Они хорошо подойдут для контроля физической активности и пройденного расстояния, а также количества потраченных калорий и достижения спортивных целей.

2 Компоненты Интернета Вещей

Интернет вещей — это сложная структура, состоящая из различных элементов, начиная с датчиков и заканчивая актуаторами. Звучит заумно? Ничего, сейчас все объясним.

объект интернета вещей начинается с датчиковделают такие объекты «умными»

Проще говоря, интернет вещей — это не какая-то одна технология, а сочетание тесно связанных между собой технологий.

• Датчики и актуаторы
• Сеть
• Приложения, платформы и сервисы

1. Датчики и актуаторы

Объекты интернета вещей — это, как правило, маломощные устройства, которые изначально создавались для более простых задач, но со временем «поумнели». Эти устройства в основном недорогие и беспроводные. Установленные на объектах датчики непрерывно собирают данные из окружающей среды и затем передают их на следующий уровень.

К таким датчикам относятся термостаты, датчики давления, влажности и скорости, бесконтактные выключатели, RFID-метки и т. д. Актуатор же выполняет роль переключателя, который запускает выполнение команды на устройстве.

2. Сеть

Чаще всего для взаимодействия внутри интернета вещей используется Wi-Fi с выходом в Интернет, но современные умные устройства и датчики могут подключаться и через и другие сети малой мощности вроде Bluetooth, Z-wave, ZigBee, LoRAWAN и т. д. У каждой из этих сетей есть свои плюсы и минусы с точки зрения скорости передачи данных и общей эффективности.

Разработка единого сетевого стандарта для интернета вещей еще не завершена, но ожидается, что он увеличит технологичность, время автономной работы и общую эффективность. Один из новейших протоколов — 6LoWPAN, который представляет собой протокол IPv6 поверх маломощных беспроводных персональных сетей. Эту технологию уже внедрили множество компаний, чтобы обеспечить энергоэффективную передачу данных в сетях интернета вещей.

3. Приложения, платформы и сервисы

Приложения, платформы и сервисы — это промежуточное программное обеспечение для связывания компонентов интернета вещей. Они собирают, распределяют, хранят и анализируют данные, а также выполняют преобразование из одного протокола в другой.

Эти по большей части облачные сервисы отвечают за обработку данных и извлечение полезной информации из них. Характерный пример такого сервиса в интернете вещей — Amazon Web Service (AWS). Сюда же относятся Microsoft Azure, IBM Watson Bluemix и ThingWrox.

Как работает интернет вещей?

О том, что IoT прочно входит в нашу повседневную жизнь можно признать состоявшимся фактом. Как показывает статистика, на текущий момент объем рынка услуг IoT составляет 600 млрд. долларов. Количество подключенных к  сети Интернета  различных устройств, сопряженных с ИВ составляет 8.4 млрд. единиц, превысив население Земли.

Но эти цифры хоть и дают представление о рынке IoT, все же не объясняют как работает IoT.В качестве наглядного примера того, как в действительности работает ИВ, в чем смысл его существования, можно привести несложную сеть. Например, в рамках концепции проекта «Умный дом». В эту небольшую сеть объединены три устройства – холодильник, микроволновая печь и кофеварка. Теперь посмотрим, как все это работает в действительности.

Холодильник собирает, агрегирует и обрабатывает всю информацию, относящуюся к продуктам питания обитателей  дома. Сюда относится отслеживание времени пополнения запасов, вплоть до производства соответствующих заказов в интернет магазинах или супермаркетах. Смарт –холодильник выполняет последовательно функции:

• сканирование информации по поступающим продуктам – вес, качество, сроки годности, цены, которые есть на маркированных упаковках.
• следит за расходованием продуктов, исходя из количества членов семьи, объема, периодичности потребления тех ли иных продуктов. Он может принимать в расчет физиологические нормы – жирность, калорийность, наличие белков, сахара и т.п.
• по мере снижения уровня запасов продуктов, сигнализирует через приложение на смартфон владельцу о том, что необходимо закупить продукты, в каком количестве и где это лучше всего сделать.
• вполне возможна опция, что холодильник сам через интернет осуществляет заказы в супермаркете по выгодным ценам, Например, он отслеживает конъектуру цен по специальным приложениям или сайтам — агрегаторам типа «Агро 24», где происходит мониторинг цен по всем торговым сетям страны.
• получая от кофеварки и микроволновой печи данные о том, как часто варится кофе, какого сорта, что разогревается в микроволновке на завтраки, холодильник производит обработку этой информации. Затем он включает в свой пакет заказов и продукты, которые готовятся на этих двух домашних приборах.

Это самый простой алгоритм работы IoT в домашних условиях. Если его расширить дальше, то сформированная смарт —  холодильником информация в виде заказа продуктов, может быть передана в службу курьерской доставки. Продукты будут доставлены по адресу, либо дроном, либо беспилотным автомобилем.

И еще один немаловажный момент. Для того чтобы вся эта система полноценно работала, кроме датчиков, сенсоров, соответствующих приложений и ПО, необходима система оплаты услуг, которые предоставляются через IoT. Это может быть обычный формат электронных денег, списываемых с банковских карточек. Но все большее распространение в IoT приобретают расчеты, основанные на использовании криптовалют. С их помощью платежи делаются быстро, надежно, в любое время суток, в любой точке мира.

Как реализована технология

IoT работает на основе мультиагентных технологий, позволяющих соотносить реальный и виртуальный миры. Для каждого устройства, работающего в реальном мире, устанавливается программный агент – объект, который существует только в виртуальном мире. Все агенты следуют заранее установленным правилам. Агенты обладают штучным интеллектом. Они могут обнаруживать другие устройства и налаживать взаимодействие.

Концепция этой технологии подразумевает, что человек определяет цель, а не создает программу для ее достижения. Еще лучше, если система будет анализировать данные и самостоятельно предугадывать действия человека. Например, человек приходит домой с работы. Об этом уже знают устройства, установленные дома, поскольку они подключены к автомобилю. В это время готовится ужин, термостат настраивает комфортную температуру. Когда человек заходит домой, включается свет.

Особенности Internet of Things:

• Устройства постоянно сопровождают людей в повседневной жизни;
• Минимальное вмешательство людей в работу устройств;
• Человек достаточно указать результат, а не алгоритм достижения цели.

Бонус: лекции-практикумы о технологиях

Другой вариант — лекция о конкретной технологии, будь то протокол связи, платформа или аппаратное устройство. Это очень классный формат, особенно если он сопровождается практикумом.

«Взаимодействие устройств по Bluetooth Low Energy», Олег Пехов (ТУСУР)

В Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) наша программа реализуется на факультете безопасности. Поэтому и неудивительно, что на лекции про BLE в рамках практикума был рассмотрен сниффер пакетов. Помимо этого, в лекции были рассмотрены принципы и особенности технологии Bluetooth Low Energy, ее отличие от классического Bluetooth, разновидности устройств и способы их подключения. Лекцию вел Олег Пехов, старший преподаватель кафедры комплексной информационной безопасности электронно-вычислительных систем.

Транспорт

Ваш умный дом, как и дом тысяч других людей, отправляющихся на работу, отправляет информацию на сервер городской транспортной системы, что через 10 минут в трафик вольется дополнительная машина. Проанализировав типичные маршруты участников движения, система прогнозирует ситуацию на дороге в разных частях. Получив данные о возможных пробках, система изменяет работу светофоров, перенаправляет трафик по разным улицам, тем самым делая передвижение по городу максимально комфортным для всех участников.

Автомобили, управляемые ИИ, тоже являются частью концепции Интернета вещей. Общественный транспорт, следующий по выделенным полосам с датчиками у дверей, определяющими, когда их можно закрывать, чтобы никого не придавить.

Преимущества и недостатки NB-IoT

Как обычно, преимущества и недостатки напрямую связаны друг с другом: если где-то прибыло, то где-то убыло. Здесь просто перечислю их с небольшими комментариями, а детали обсудим позже.

Преимущества NB-IoT

• Низкое энергопотребление оконечных устройств (при использовании режимов энергосбережения PSM и eDRX)
• Большой энергетический бюджет линии связи (GSMA называла цифру 164 дБ)
• Теоретически глобальное покрытие
• Теоретически низкая стоимость модемов (модулей) и услуг связи

Недостатки NB-IoT

• Возможны большие задержки связи при использовании режимов энергосбережения. Дело в том, что оконечное устройство, находясь в режимах энергосбережения, оказывается недоступно со стороны сети (сервера приложений). Максимальная задержка при использовании режима eDRX определяется максимальным периодом eDRX, который составляет 10485,76 секунды, т.е. почти 3 часа. Максимальная задержка при использовании режима PSM определяется максимальным временем нахождения устройства в режиме PSM – 9920 часов, что составляет 413 дней и 8 часов, т.е. больше 1 года! Режимы энергосбережения подробно обсуждаются в следующей части
• Отсутствие поддержки мобильности
• Низкие скорости приёма и передачи данных (см. ниже)

Scenario #1: IoT in your home

Imagine you wake up at 7am every day to go to work. Your alarm clock does the job of waking you just fine. That is, until something goes wrong. Your train’s cancelled and you have to drive to work instead. The only problem is that it takes longer to drive, and you would have needed to get up at 6.45am to avoid being late. Oh, and it’s pouring with rain, so you’ll need to drive slower than usual. A connected or IoT-enabled alarm clock would reset itself based on all these factors, to ensure you got to work on time. It could recognize that your usual train is cancelled, calculate the driving distance and travel time for your alternative route to work, check the weather and factor in slower travelling speed because of heavy rain, and calculate when it needs to wake you up so you’re not late. If it’s super-smart, if might even sync with your IoT-enabled coffee maker, to ensure your morning caffeine’s ready to go when you get up.

Как работает IoT-cистема

Идею IoT успешно адаптируют под разные сферы нашей жизни. IoT для управления городской инфраструктурой называют smart city («умный город»), а для дома – smart home («умный дом»). В промышленности IoT помогает предупреждать износ или поломки оборудования. Все активнее IoT применяется в медицине, например, для дистанционного мониторинга за состоянием пациентов. А в сельском хозяйстве технологии IoT позволяют контролировать важные показатели для растений, от состояния почвы до уровня влажности.

IoT – сложное технологическое решение с многоуровневой архитектурой.

• Периферийные устройства.
• Шлюзы.
• Управление данными.
• Аналитика данных.
• Приложения для пользователей.

Рассмотрим элементы IoT-архитектуры на примере одного из самых распространенных решений в сфере интернета вещей – «умный дом».

К периферийным устройствам в IoT относятся датчики и исполнительные механизмы, которые воздействуют на физические объекты для выполнения каких-либо действий. К примеру, в «умном доме» есть датчики температуры и влажности. Они практически непрерывно генерируют большие объемы данных, которые через сетевые шлюзы передаются на облачные серверы, где находится мозг всей IoT-экосистемы.

В облаке происходит предварительная обработка данных, а затем – анализ, в результате которого на исполнительные устройства автоматически отправляются команды. В IoT, как правило, применяется несколько видов аналитики: потоковая, пакетная и предиктивная. Потоковая аналитика обеспечивает реакцию устройств IoT на определенные изменения окружающей среды. Так, если в комнате повышается температура, то приборы для вентиляции увеличат подачу воздуха. Данные от сенсоров движения в комнатах также анализируются в режиме реального времени, чтобы хозяин «умного дома» мог мгновенно получить оповещение на смартфон, если в квартиру проникнет посторонний человек. А чтобы проследить за тем, эффективно ли различные устройства в квартире потребляют электроэнергию, нужно проанализировать данные, накопленные за месяц. Для этого используется пакетная обработка.

Предиктивная аналитика строится на алгоритмах машинного обучения, которые ищут в исторических данных паттерны или аномалии. В «умном доме» алгоритмы машинного обучения способны распознать закономерности в поведении хозяев квартиры: в какое время они уходят и возвращаются, какой температурный режим предпочитают, чтобы по этому расписанию автоматически выключался или включался свет, настраивался кондиционер.

Пользователи взаимодействуют с IoT-системой через мобильные или веб-приложения. Владелец «умного дома» может отслеживать через приложение показатели датчиков, смотреть графики энергопотребления и управлять подключенными устройствами.

Можно ли будет в NB-IoT отправлять и принимать SMS?

Согласно упоминавшемуся чуть выше документу ассоциации GSM, на апрель 2018 г. функция SMS не была включена в минимальный набор требований, рекомендованных GSMA для реализации в сетях NB-IoT. По результатам опроса, проведенного GSMA, только некоторые из операторов планируют реализовать SMS в режиме NB-IoT в будущем. Тем не менее, исследование этого вопроса продолжается.

Представители Мегафона и МТС подтвердили, что, вероятно, функция SMS в режиме NB-IoT станет доступна в их сетях в будущем.

P.S. Статья не претендует на абсолютную истину и может содержать неточности. Если вы заметили неточности, хотите поделиться инсайдерской информацией или просто высказать своё мнение – добро пожаловать в комментарии!

Продолжение: NB-IoT, Narrow Band Internet of Things. Режимы энергосбережения и команды управления.

Ещё по теме NB-IoT: NB-IoT. Non-IP Data Delivery или просто NIDD. Тестирование с коммерческим сервисом МТС

Почему Интернет вещей важен?

Интернет вещей уже помогает автоматизировать и упростить многие повседневные задачи для бизнеса, промышленности и дома. Снижая затраты, повышая производительность и безопасность, улучшая качество обслуживания клиентов и генерируя новые потоки доходов, Интернет вещей может помочь нам принимать более обоснованные решения.

Что касается бизнеса, Интернет вещей предоставляет несколько важных преимуществ, включая возможность доступа к данным и их анализа, устранение необходимости во внешних аналитиках данных или исследователях рынка. Интернет вещей способен справляться с аналитикой больших данных в режиме реального времени, демонстрируя, как продукты и услуги работают в реальном мире, и создавая ситуацию, в которой можно быстро внести улучшения. Эти данные также позволяют лучше понять поведение клиентов, чтобы предприятия могли удовлетворить их потребности, а также снизить эксплуатационные расходы за счет управления использованием энергии и ресурсов. Наконец, Интернет вещей может обеспечить удаленную работу путем сопоставления данных и обмена ими с сотрудниками независимо от того, где они находятся.

Стандарты NB-IoT

Все вышеописанное можно отнести к основам становления стандарта NB-IoT, который был разработан консорциумом 3GPP.

Первым документом, в котором стандарт получил отражение, стал Rel.13. Rel. 14 — это дальнейшее развитие технологии. Работы по проекту Rel.14 были завершены в июне 2021 года. Ряд производителей уже выпускают модемные модули и устройства на базе данного стандарта.

Другое название технологии NB-IoT, встречающееся в англоязычной литературе, — LTE Cat NB1. Соответственно, в документе Rel. 14 также сменилось и название — LTE Cat NB2.

Давайте обозначим, что изменилось в Rel.14 по сравнению с Rel.13:

• Добавлен третий класс мощности мобильного устройства (класс мощности 6): 14 дБм. В Rel.13 два класса мощности: 23 дБм (класс мощности 3) и 20 дБм (класс мощности 5).
• Введен новый механизм переключения в режим PSM.
• Приняты новые алгоритмы вычисления координат объектов на основе OTDOA и PRS
• Вводится новый механизм геолокации — Location services LCS, который использует технологию Observed Time Difference Of Arrival (OTDOA), впервые регламентированную в Rel.9 для сетей LTE. Реализация системы позиционирования LCS NB-IoT была продемонстрирована в действии на Mobile World Congress в 2018 году.
• Добавлены модернизированные опорные сигналы позиционирования. Их введение помогает отслеживать движение на больших скоростях в условиях сильных помех.
• Улучшены скоростные параметры обмена данными.

Новые свойства и функции:

• двойной запрос HARQ (гибридный автоматический запрос на повторную передачу данных);
• поддержка механизма позиционирования (UTDOA/OTDOA);
• новый механизм переключения в энергосберегающий режим;
• возможность использования устройств более низкого класса мощности;
• модернизированная несущая;
• многоадресная рассылка;
• поддержка TDD для мелких ячеек;
• новые частотные диапазоны (B11, B25, B31, B70).