Майским утром 2022 года, до того как вы проснулись, в окружающем цифровом мире произошло множество событий. Датчик сна и пробуждения совместно с умной кроватью зафиксировали ваш режим отдыха. Данные были отправлены через шлюз IoT на облачный сервис, который в свою очередь отправляет отчеты на ваше мобильное устройство.
Двухконтурный котел, система полива домашних растений, системы безопасности и видеонаблюдения обслуживаются другим облачным сервисом, подключенным к распределенной сети Wi-Fi седьмого поколения. У вас нет необходимости в стационарном компьютере как таковом, поскольку смартфон и технологии VR/AR предоставляют более удобную в использовании систему. В арсенале вашего умного дома находится шлюз туманных и граничных вычислений, подключенный к провайдеру интернета 5G и к глобальной паутине. Проводное соединение не соответствует вашему образу жизни, вы мобильны и независимы от места своего пребывания. Можно и дальше развивать эту историю и неважно, сбудется она или нет, но ее близость к современной реальности очевидна.
После окончания университета моя основная деятельность тем или иным образом была связана с автоматизированными системами управления производста или транспорта. Кроме того мне всегда была интересна сфера информационных технологий. Концепция интернета вещей позволяет наилучшим образом совместить различные уровни технологий, начиная с конечных устройств, сенсорных сетей и заканчивая машинным обучением и облачными сервисами. Этот материал – проанализированная и отфильтрованная «выжимка» данных с популярных ресурсов и из научной литературы и личного опыта. Она поможет понять масштабы трансформаций и предположить будущее, которое начинается уже сегодня.
Интернет вещей. Введение в тему
Википедия определяет понятие «интернет вещей» следующим образом: «Интернет вещей (IoT) (англ. Internet of Things, IoT) – концепция вычислительной сети физических предметов («вещей»), оснащенных 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».
Независимо от того, где происходит выход в интернет, отличительной чертой IoT-системы является то, что тем или иным образом она всегда подключена к всемирной паутине. Благодаря перемещению данных с датчиков, граничных и умных устройств в интернет появляется возможность подсоединить простейшие устройства к устоявшемуся миру облачных сервисов.
Считается, что первую в мире интернет-вещь создал один из отцов протокола TCP/IP Джон Ромки в 1990 году, когда он подключил к сети свой тостер. Но только в нынешнем веке в связи с бурным развитем коммуникационных технологий сформировалась концепция IoT и получила свое практическое воплощение. Термин «интернет вещей», по всей видимости, обязан своим появлением Кевину Эштону, который в 1997 г., работая на компанию Proctor and Gamble, для управления системой поставок применил технологию радиочастотной идентификации (RFID). Благодаря этой работе в 1999 г. его пригласили в Массачусетский технологический институт, где он с группой единомышленников организовал исследовательский консорциум Auto-ID Center.
Наиболее важным отличием IoT от интернета людей являются:
- фокус на вещах, а не на человеке;
- существенно большее число подключенных объектов;
- существенно меньшие размеры объектов и невысокие скорости передачи данных;
- фокус на считывании информации, а не на коммуникациях;
- необходимость создания новой инфраструктуры и альтернативных стандартов.
Варианты IoT-решений. Полный спектр различных вариантов на всех уровнях IoT-архитектуры
Расширяем горизонты. Умный город
Умный дом является органической частью умного города.
Умный город – это определение, описывающее объединение в общую систему того, что раньше существовало автономно. Умные города меняют к лучшему качество жизни горожан, в частности, в отношении безопасности, защищенности и простоты получения услуг. Например, Барселона и некоторые другие города оборудованы этой системой. Мусорные баки там опустошаются в зависимости от текущей наполненности, а также от времени последнего вывоза мусора. Это позволяет эффективнее справляться с вывозом мусора, задействовать меньше ресурсов, расходовать меньше налогов и при этом своевременно предотвращать появление неприятных запахов. Умные города подчиняются правительственным постановлениям и предписаниям, поэтому этот сегмент имеет точки пересечения с правительственной сферой.
Одной из отличительных черт умного города можно считать большое количество измерительных приборов. В подобных городах необходимо около миллиона экологических датчиков для отслеживания объема потребления электроэнергии, данных о температуре воздуха, условий окружающей среды, качества воздуха, уровня шума и информации о загруженности парковочных мест. Эти особенности – большой объем данных и узкополосную связь – необходимо учитывать при разработке оптимальной IoT-архитектуры.
По концепции издания МСЭ это — «город знаний», «цифровой город», «кибергород» или «экогород» в зависимости от целей муниципального планирования. Умные города в экономическом и социальном аспектах устремлены в будущее. Они ведут постоянный мониторинг важнейших объектов инфраструктуры — автомобильных дорог, мостов, туннелей, железных дорог, метро, аэропортов, морских портов, систем связи, водоснабжения, энергоснабжения в целях оптимального распределения ресурсов и обеспечения безопасности. Такие города постоянно наращивают число предоставляемых населению услуг, обеспечивая устойчивую среду, которая способствует благополучию и сохранению здоровья горожан.
В настоящий момент уже более 2500 различных городов мира реализовали концепцию проектов Smart City в том или ином объеме. К подсистемам умного города можно отнести следующие:
- Геоинформационнная система выполняет роль общей географической платформы для остальных подсистем;
- Интеллектуальная транспортная система ГИС — оптимизирует дорожный трафик, предоставляя информацию о ситуации на дорогах для городских информационных панелей и и веб-ресурсов. Система управляет работой светофоров в зависимости от загруженности перекрестков, показывает расписание и текущее положение общественного транспорта, расчетное время пути и многое другое;
- Электронное здравохранение позволяет оптимально и качественно провести анализ состояния пациентов за счет единой электронной базы. Лечащий врач сможет ознакомиться с ранними медицинскими записями, узнать, какие проводились анализы и назначалось лечение в других клиниках. Системы видеоконференции и дистанционного контроля совместно с развитыми системами автоматизированного управления позволят провести консилиум специалистов и даже хирургические операции под удаленным контролем.
- Подсистема безопасности Safe city основана на взаимодействии всех муниципальных и чрезвычайных служб: полиции, МЧС, энергетических и др. Необходимая информация с ГИС и видеокамер оперативно поступает в командно-ситуационный центр.
- Электронное образование eEducation позволит студентам посещать лекции сидя за своим компьютером. В связи с мировой тенденцией и последними событиями дистанционное обучение занимает важное место в системе образования. Тема достаточно обширная, достойная отдельной статьи.
Умный город по функциональности можно разделить на следующие области:
Примеры платформ городской инфраструктуры
Общая структура городской инфосистемы
IoT хаб выступает в качестве портала для инфраструктуры Smart City, а также других хабов
Город – по «кирпичикам». Умные здания
Умный дом предназначен для максимально комфортной жизни людей благодаря использованию современных высокотехнологичных средств. Принцип работы системы заключается в автоматизации всего, из чего состоит жилая постройка: освещение, кондиционирование, система безопасности, электроэнергия, отопление, водоснабжение и водоотведение и так далее. К основным подсистемам «умного дома» относятся климат-контроль, освещение, мультимедиа (аудио и видео), охранные системы, связь и другие.
Умное здание (англ. smart building) – это централизованная автоматизированная система контроля и управления за отоплением, вентиляцией, кондиционированием, освещением и другими службами здания. Основа – система управления зданием (BMS, building management system), позволяющая контролировать все вышеперечисленные системы. BMS состоит из программного обеспечения и аппаратной части. Довольно часто система управления зданием поддерживает различные протоколы и стандарты, как C-Bus, LonWorks, Devicenet и др. Умные здания часто выступают в роли одной из составляющих систем умного города. iot.ru/wiki/umnoe-zdanie
В проекте умного дома можно выделить три основные подсети: сеть мультимедийных устройств, сеть электрооборудования и сенсорную сеть. Последняя предполагает наличие датчиков: движения, света, температуры, давления, влажности, утечек и т.п.
В целом умный дом предоставляет его владельцу такие преимущества:
- снижение потребления ресурсов (газ, вода, электроэнергия);
- высокий уровень комфорта;
- обеспечение необходимого взаимодействия всех автоматизируемых систем;
- снижение вероятности возникновения аварийных ситуаций;
Требования к системе автоматизации умного дома таковы:
- Совместимость. Чем более открыта система, тем легче будет обучить устройства управления светом, термостаты, аудио/видео-оборудование, устройства безопасности и другую электронику общаться друг с другом. Чтобы обеспечить совместимость между различными электронными устройствами, изготовители домашних систем автоматизации часто формируют партнерства для создания устройств, совместимых с продукцией другого изготовителя. В итоге продукты могут беспрепятственно общаться с большим разнообразием других систем. Также изготовители автоматизации поддерживают совместимость путем использования в своих системах коммуникационных решений, основанных на технологических стандартах.
- Удаленный доступ. Возможности удаленного доступа позволяют вам контролировать среду своего дома и изменять параметры настройки света, термостата и иных механизмов с ноутбука, планшета или мобильного телефона через Интернет. Удаленный контроль чаще всего является услугой, которую изготовители оборудования или интеграторы системы предоставляют бесплатно.
- Использование IP протокола для внешней сети. IP сети уже давно стали международным стандартом. Изготовители могут обеспечить вертикальную и горизонтальную расширяемость, спроектировав системы таким образом, чтобы обеспечивать коммуникации на общем сетевом протоколе.
Различают автоматизацию частных и коммерческих зданий. В коммерческих зданиях автоматизация как правило служит целям голой функциональности и построена на принципах промышленного исполнения, в структуре которой содержатся программируемых контроллеры, развитая шинная сетевая топология и прочее. Структурно схему автоматизации коммерческого здания можно представить как многоуровневую систему.
Структура автоматизированной системы управления
- Полевой уровень (Field level) представляет собой совокупность сенсоров и исполнительных механизмов, таких как клапаны, насосы.
- Уровень автоматизации (Automation level) содержит программируемые логические контроллеры (PLC или другой термин DDC – direct digital controller), а также распределенную полевую шину. Устройства (или узлы), которые обмениваются данными через полевую шину или сеть, геометрически расположены и связаны друг с другом определенным образом. Это известно как топология шины или сети.
- Уровень управления (Management level) – это уровень IT и диспетчерского контроля Human machine interface HMI.
Konnex (KNX), ранее известный как European Installation Bus (EIB), представляет собой промышленную коммуникационную систему управления зданием, в которой используются информационные технологии для подключения таких устройств, как датчики, исполнительные механизмы, контроллеры, рабочие терминалы и мониторы. Технология KNX предназначена для использования в электрических установках для реализации автоматизации процессов в зданиях.
Во многих проектах KNX должны быть реализованы решения для управления освещением, вентиляций, кондиционированием и другими процессами. Сигнал создается датчиком в ответ на нажатие кнопки, а затем отправляется на привод через шину в виде кадра данных. Затем исполнительный механизм подтверждает получение кадра данных и предпринимает действие в соответствии с сигналом, например, переключает реле. Связь происходит между двумя узлами, которые необходимы для реализации управления.
Устройства управления зданием, подключенные через Konnex
Когда мы говорим об автоматизированных функциях в зданиях, часто используются термины автоматизация здания и локальный контроль («building automation», «building control»). На первый взгляд эти термины кажутся синонимами. Для пояснения Ассоциация немецких инженеров определяет автоматизацию здания следующим образом: Автоматизация зданий — это компьютеризированные измерения, контроль и управление инженерных систем здания. Из этого определения мы можем сделать вывод, что локальный контроль является частью автоматизации здания. Автоматизация зданий была впервые реализована в коммерческих зданиях для автоматического управления системами. Систему локального контроля можно представить в виде домашнего термостата для отопления, который совмещает в себе функции различных уровней. Устройство содержит переключатель режимов и контроллер комнатной температуры. Это устройство содержит встроенный датчик и процессор. Датчик отправляет свои показания температуры процессору, который затем обрабатывает информацию. Это также позволяет вам устанавливать и контролировать заданное значение для комнатной температуры.
Иерархическая структура системы локального контроля
В классической структуре автоматизации на верхнем уровне управление осуществляется с помощью системы SCADA, которая представляет собой инструментальную среду для разработки пользовательского интерфейса систем управления и сбора данных. Существенный вклад в открытость систем автоматизации внес стандарт OPC, обеспечивший системным интеграторам широкий выбор аппаратного обеспечения, совместимого со SCADA-системами.
В современных тенденциях развития технологии IoT структура автоматизации здания можно представить в следующем виде:
- Уровень граничных вычислений — перемещает обработку, близкую к тому месту, где генерируются данные. В случае IoT граничным устройством может быть сам датчик с небольшим микроконтроллером или встроенной системой, способной к WAN-связи. В других случаях граница будет шлюзом в архитектурах с особенно ограниченными оконечными точками, заставляющими шлюз зависать. Граничная обработка также обычно упоминается в контексте «машина-машина», где существует плотная корреляция между краем (клиентом) и сервером, расположенным в другом месте. Edge уровень также включает в себя Field уровень и уровень автоматизации c полевыми шинами обмена данными. Однако технологии IoT расширяют применение сети Field уровня, которые можно свести к двум категориям по физическому: проводные и беспроводные и сетевому уровню: сети на базе IP протокола, сети других стандартов.
- Сетевой уровень. В терминах IoT представляет собой сеть построенную по стандартам TCP/IP, преимущества которой можно свести к повсеместности, долговечности, масштабируемости и надежности. С точки зрения IoT, приближение IP-адреса к источнику данных соединяет мостом два мира управления данными. Информационные технологии управляют инфраструктурой, безопасностью и обеспечением сетей и объектов в сети. Операционные технологии управляют состоянием и пропускной способностью системы, которая функционирует для производства чего-либо.
- Уровень облачных вычислений. Понятие «облако» относится к инфраструктуре вычислительных служб, которые обычно требуются по запросу. Набор ресурсов (вычислений, сетей, хранилищ и связанных с ними программных сервисов) может динамически масштабироваться в сторону увеличения или уменьшения в зависимости от средней нагрузки и качества обслуживания. Облака, как правило, представляют собой крупные центры обработки данных, которые предоставляют клиентам услуги, ориентированные на внешнего потребителя, и модель оплаты за использование.
Архитектура IIoT (Industrial Internet of Things)
Поставщик облачных сервисов находится за пределами граничного устройства IoT и руководит глобальной сетью. Одной из особенностей архитектуры IoT является то, что устройства PAN и WPAN могут не соответствовать протоколу IP. Протоколы, такие как Bluetooth Low Energy (BLE) и Zigbee, не основаны на IP, тогда как все в глобальных сетях, включая облака, основано на IP. Таким образом, роль пограничного шлюза (Edge) заключается в выполнении перевода из одного протокола в другой.
Структура шлюза граничных вычислений
Стоит упомянуть такой немаловажный функцию IoT архитектуры как IoT платформы. Платформы IoT — это ключ к разработке масштабируемых приложений и услуг IoT, которые соединяют реальные и виртуальные миры между объектами, системами и людьми. Тем не менее, поскольку рынок платформы IoT представляет собой действительно новый сегмент, которого несколько лет назад почти не существовало. IoT платформы располагаются на уровне облака и на кривом Edge уровне, в таком случае эти платформы так и называются Edge платформы, функция которых заключается в качестве шлюза, агрегирующего различные протоколы. Для домашней автоматизации существуют готовые open-source решения такие как: www.home-assistant.io, mjdm.ru, и другие.
Согласно IoT Analytics современная IoT платформа состоит из восьми важных архитектурных строительных блоков, которые можно свести в следующую иерархическую таблицу:
Заключение
Существующий ныне Интернет людей принес реальную пользу множеству пользователей, компаний и целых стран. Но сегодня мы вступаем в эпоху, когда Интернет вещей (IoT ) может радикально изменить жизнь каждого жителя планеты, решить множество технических и социальных вопросов. Современные технологические тенденции такие как IoT, общедоступный Wi-Fi, повсеместная сотовая связь, развитые протоколы дальней связи LoRaWAN, беспроводные самоорганизуемые сети способствуют расширению умных городов. Параллельно со «умными» городами развивается тенденция — концепция «умного дома». Умные дома полагаются на информационные и коммуникационные технологии (ИКТ), поднимающие жизненный опыт на новый уровень. Дома становятся подключенными к Интернету и облачным сервисам через интеллектуальные устройства, которые предлагают услуги, начиная от простой информации, такой как прогноз погоды, до интеллектуальных алгоритмов адаптации и оптимизации потребления энергии домом.
Со своей стороны архитекторы и разработчики должны понимать эти современные требования и технологии. Преимущество интернета вещей заключается не в том, что какое-то одно устройство или какая-то одна точка передает данные серверу. Данные передает целая группа устройств, и ценность представляет совокупная информация со всех этих устройств. В любом проекте должен быть заложен потенциал к развитию, это необходимо учитывать при разработке чего-то нового.
Используемые источники информации
- Перри Ли — Архитектура интернета вещей 2019
- Giacomo Veneri Hands-On Industrial Internet of Things 2018
- Hermann Merz Building Automation Communication Systems with EIB/KNX, LON and BACnet second edition 2017
- Андрей Дементьев «Умный» дом XXI века 2016
- Michael Stanton Young Smart Home Digital Assistants, Home Automation and the Internet of Things 2018
- А. В. Росляков Интернет вещей 2015
- 5 things to know about the IoT Platform ecosystem iot-analytics.com/5-things-know-about-iot-platform
- Умный город изнутри — взгляд Huawei habr.com/ru/company/huawei/blog/421937
- Как строить умный город. Часть 1. Проект “Smart Cities andCommunities”
- Подходы к развитию программы “Умный Город” www.ritm-it.ru/files/iot/complex/umnyj_dom_kvartal_gorod.pdf
- Morgan Kaufmann Smart Cities and Homes Key Enabling Technologies 2016
