Из чего состоит IoT

Схема устройства сети Интернета Вещей по мнению компании Intel
Если обратиться к википедии в поисках определения для термина “интернет вещей”, можно увидеть следущее:
Интернет вещей (англ. Internet of Things, IoT) — концепция вычислительной сети физических предметов («вещей»), оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой, рассматривающая организацию таких сетей как явление, способное перестроить экономические и общественные процессы, исключающее из части действий и операций необходимость участия человека.

В данной статье мне хотелось бы рассмотреть то, посредством каких именно “вещей” может быть реализована в нашем мире эта идея и то, какими способами они могут взаимодействовать друг с другом или со внешней средой.

Базовые элементы делятся на несколько типов: сенсоры, актуаторы и гейты.

Сенсоры


Пожалуй нет смысла объяснять смысл и назначение этого типа элементов. Оно ничем не отличается от стандартных: разнообразные термометры, микрофоны, камеры и десятки прочих, менее распространённых устройств. Некоторые из них можно увидеть на изображении Sensors Starter Kit для Arduino:

Сенсорные модули для платформы Arduino

Актуаторы


Данный тип элементов предназначается для того, чтобы воздействовать на окружающую среду, или на определённый объект в ней. Эту роль могут выполнять самые разнообразные устройства: от сервоприводов и динамиков до замков (конечно, электронных) с осветительными приборами.

Гейты


Это устройства, на которые обычно возлагают логику поверхностного анализа информации, поступающей от подключенных к ним сенсоров. В определённых ситуациях, анализ данных может требовать малого количества вычислительных ресурсов, так что гейты вполне способны принимать некоторые решения самостоятельно. Принимая такие решения, они отправляют определённые команды управления на актуаторы, которые, в свою очередь, выполняют уже свои функции.
Если же обработка иформации требует больших затрат, или эта информация подлежит сбору, гейты отправляют её на сервера, где с ней и производится дальнейшая работа. Вполне себе вероятно использование в роли гейтов микрокомпьютеров (вверху) или микропроцессоров (внизу):

Микрокомпьютер Raspberry Pi 3 Model B

Микроконтроллер Arduino

Для того, чтобы построить мониторинговую систему, достаточно будет использования лишь сенсоров и некоторого сервера, который будет выступать в роли гейта. Например, благодаря сенсору движения и условной “малине”, можно без особых усилий организовать учёт количества людей, проходящих через какую-нибудь проходную.

Добавив в ранее сконструированную модель актуатор в лице динамика, можно добиться того, чтобы проход каждого n-ного проходящего был подзвучен величественными фанфарами.

Так, усложнять конструкцию подобной ячейки можно довольно долго. Однако в определённый момент неизбежно появится необходимость в долгосрочном хранении собранной статистики, её анализе, визуализации и прочем. Здесь понадобятся уже полноценные сервера, которым можно будет делегировать данные обязанности. Такие сервера в совокупности образуют облака, к которым и подключаются гейты.

Транспорт


Теперь, когда уже более или менее ясно, какие устройства используются для создания инфраструктуры, можно посмотреть на то, какими средствами эти устройства друг с другом взаимодействуют. Как видно на первом изображении, есть 2 условные группы — облако и периферия.

Ячейки, состоящие из вышеперечисленных типов устройств, как можно заметить, находятся в периферии и для коммуникации используют специальные протоколы взаимодействия. Более всего распространены LoRa и ZigBee. Обе эти сети являются очень медленными в сравнении, например, с 4G или даже с 3G, однако имеют и свои преимущества.

Одним из главных является их энергоэффективность. Дело в том, что идея интернета вещей заключается в создании среды устройств, коммуницирующих между собой без участия человека. Стоит заметить, что в некоторых случаях полностью избежать вмешательства человека избежать не удастся. Например, в системе подсчёта количества прошедших человек есть сенсор движения. Ему, как и любому другому электрическому устройству, необходимо питание. Проводить провода с питанием к каждому такому сенсору (если их больше 5 и они сильно разбросаны в пространстве) кажется не лучшей идеей. Соответственно, работать они будут от батареек или аккумуляторов. Если потребление заряда будет чрезмерным, элементы питания им нужно будет менять довольно часто. А это приведёт к тому, от чего стремится уйти интернет вещей — нужно же будет кому-то заменять эти батарейки. А вот если сенсоры будут энергоэффективны, то достаточно будет просто вставить батарейку и забыть об этом на год, два, пять и т. д.

Ещё одним преимуществом этих сетей является высокая помехоустойчивость. Каждый бит информации в этих сетях отправляется отдельным радиосигналом, поэтому его довольно просто выделить на фоне эфирного шума.

Небольшое сравнение LoRa и ZigBee


Основные сравнительные характеристики Логотип LoRa Логотип ZigBee
Топоогия звезда простые и mesh
Частотный диапазон (зависит от страны) 2,4 ГГц, 868/915 МГц, 433 МГц, 169 МГц 2.4 ГГц, 915 МГц, 868 МГц
Ноды сети
  • базовая станция
  • хост
  • роутер
  • координатор (один из роутеров)
  • хост
Дальность на открытом пространстве 10 — 15 км ~ 500 м (зависит от мощности передатчика)
Скорость 0.3 — 50 кбит/с 5 — 250 кбит/с


А вот между периферией и облаком, а так же и внутри облака, используются, обычно, знакомые и привычные всем wi-fi с ethernet, сотовые и спутниковые сети и т. д.

Сравнение разных видов сетей на основе скорости и дальности


График дальности распространения/скорости передачи данных разных сетей

Заключение


Теперь, рассмотрев устройство сетей интернета вещей, можно точно сказать, что в плане аппаратной части нет ничего загадочного и сложного. Сделать простенькую IoT-сеть может любой желающий, способный купить довольно дешёвые на сегодняшний день компоненты и написать код из пары строк. Однако для того, чтобы разработать и притворить в жизнь серьёзные проекты как, например, реализацию концепции умного дома или даже умного города, нужно приложить огромное количество усилий. Ведь для того, чтобы все эти устройства работали между собой нужна платформа, способная контролировать все протекающие процессы.

Так же не стоит забывать, что в облаках интернета вещей могут использоваться и другие технологии, помогающие раскрыть его потенциал в большей степени. Такими могут выступать и BigData, и BlockChain, и нейросети с машинным обучением. А ведь каждая из последних перечисленных технологий являет собой отдельную обширную область компьютерных (и не очень) наук.

Комментарии 11

    +1
    Ведь для того, чтобы все эти устройства работали между собой нужна платформа, способная контролировать все протекающие процессы.

    А что мешает передавать данные по домашней электросети? Сам управляющий блок повесить в электрощиток. Вайфай же раздают через розетки. Открывается большой простор для применения — умные розетки становятся актуальными, выключатели с камерами для охраны (или с вайфаем), появляется смысл ставить модули управления в домашнюю технику, и т.д.
      0

      Не везде, где хочется установить датчик есть розетка.
      Радио и батарейки более предпочтительнее для датчиков температуры/влажности/co2 и др.

        0
        проводить 220 вольт к некоторым датчикам весьма накладно.
        к примеру, датчик может просыпаться раз в многочасов/сутки, снимать показания и отправлять данные по радиосети и литиевой батарейки ему хватает на года.
        т.е. ты просто крепишь его где нужно «на двухсторонний скотч» и меняешь батарейку раз в год или больше.
        и сравни гемор с прокладыванием 220 вольт, ну и редко учитываемый минус, что лишние линии 220 вольт весьма опасны.
          0
          датчик встроенный
        +1
        что мешает передавать данные по домашней электросети

        Ничто не мешает. Более того, оборудование такое существует. Только оно дорогое и медленное.

          0
          это вопрос мощностей, не более
          0
          Топоогия звезда простые и mesh

          Не совсем понятно, почему у лоры только звезда?
          На ней можно любую топологию организовать, хоть звезда, хоть п2п, хоть меш.
            +1
            Потому что каждый второй ыксперд по датчикам с алиэкспресса путает LoRa с LoRaWAN.
            0
            Ведь для того, чтобы все эти устройства работали между собой нужна платформа, способная контролировать все протекающие процессы.

            Без обид. В очередной раз показана схема движения электронов (по проводам и пакетам радиосигналов), места их обработки и передачи для дальнейшего использования. Нужное, конечно, дело — этот слой реальности должен быть, хотя абстракция разработана не полностью( нет источников/получателей, нет типов потоков сигналов/данных/broadcast и т.п.).
            Нет слоя, для которого все это делается — реальных вещей, их привязки к реальной жизни (картам, объектам недвижимости, линиям передачи энергоресурсов, станкам, экранам пользователей, их телефонам и планшетам, и т.п. и т.д.), нет цели для чего все это делается, нет блока анализа потоков данных и блоков решений. А ведь это надо в первую очередь.
              0
              Как видно на первом изображении, есть 2 условные группы — облако и переферия.

              ПЕРИФЕРИ́Я, извиняюсь, глаза режет.
                0
                Ага. Только я все таки про другое. Очень приближенно — анализ состояния, определение цели (результата), управление, контроль, и опять по кругу. Вот структура подавляющего большинства наших действий (кроме пожалуй эмоциональных и деятельности в области иррациональной — искусство и т.п.). Опять же действия наши (созданных нами машин, устройств, облачных сред и т.д.) либо интуитивны в той или иной мере, либо базируются на уже открытых моделях, теориях, аксиомах.
                В случаях с управлением конечными устройствами к настоящему времени имеется колоссальный теоретический и/или математический аппарат. В описанной вами области приложения IOT технологий господствует теория автоматического управления с её многочисленными ответвлениями.
                Смотри академическую нотацию, ну и например слегка фривольную.
                Все, о чем вы говорите в этой статье, должно быть понятно каждому, и в первую очередь это достигается унифицированным понятийным аппаратом, определениями, допущениями. Такой аппарат имеется в упомянутой выше да и в других общепризнанных теориях.
                К сожалению, волна IOT больше похожа на хайп пока, ибо для втягивания как можно большего количества потребителей (да здравствует прибыль :-)), математический или ортодоксальный теоретический аппарат не упоминается вовсе. Мигает, моргает, красиво, и не дорого совсем.
                Но и ненадежно совсем, непредсказуемо, наработка на отказ даже не упоминается, а главное — совершенно не масштабируемо, конечно по причине отсутствия упоминания теоретического и математического аппарата.
                При этом, в серьезных организациях (один только пример — IBM), которые этим занимаются, все по-серьезному (извиняюсь за тавтологию), посмотрите как они к этому подходят основательно на примере чуть ли не бытовой платформы — клянусь не реклама взял первый попавшийся и может не совсем удачный. Но даже и здесь нет ни слова про устойчивость систем автоматического управления, о критериях Гурвица, но уже по другой причине — это уже область интеллектуальной собственности компании.
                К чему так долго распинаюсь? Во-первых суббота, есть время. Во-вторых, просто нарисуйте систему автоматического управления, которую хотите показать примером, в терминах и модели теории автоматического управления — и в Ваших руках весь мощнейший аппарат этой теории, с помощью которого вы сможете сформулировать требования к ее частям и используемым технологиям.
                Надеюсь, вам было полезно.

              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

              Самое читаемое