Что нужно для интернета вещей датчики сенсоры
Из чего состоит IoT
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:
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):
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
500 м (зависит от мощности передатчика)
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
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.
Что нужно знать об интернете вещей: фундаментальный ликбез
Об IoT говорят сегодня чуть ли не из каждого («умного») утюга. При этом в таких разговорах обычно пропускают базовые вещи: что такое интернет вещей, из чего он состоит, и кто может отвечать на эти вопросы на правах «уполномоченного органа». А между тем, вопросы эти весьма актуальны. Вот, скажем, ваш (говорящий об IoT) «умный» утюг — он относится к интернету вещей? В этом посте мы расскажем об архитектуре интернета вещей: из каких компонентов он состоит, какие технологии имеют особое значение, какие решения позволяют упростить массовое внедрение, а также кто в мире главный по IoT.
Что такое интернет вещей?
Исследовательская компания Gartner определяет IoT как сеть физических объектов, содержащих средства для взаимодействия с внешней средой и между собой, а также для передачи сведений о своём состоянии и приёма команд.
Менее абстрактное определение предлагает McKinsey: IoT — это датчики и приводы, встроенные в физические устройства и подключенные к интернету через проводные или беспроводные сети.
Развитием IoT занимаются не только производители устройств, но и специализированные организации, в числе которых Международный союз электросвязи (ITU), Industrial Internet Consortium и IETF.
В рекомендациях Y.2060 Международного союза электросвязи, получивших название Overview of the Internet of Things, интернет вещей предстаёт как «глобальная инфраструктура, предоставляющая сложные услуги благодаря соединению физических и виртуальных вещей на основе существующих и развивающихся функционально совместимых информационно-коммуникационных технологий». Под вещью в этом определении понимается предмет физического или виртуального мира, который может быть идентифицирован и подключён к сетям связи. Устройством в контексте IoT называется элемент оборудования, который обладает обязательными возможностями связи и может производить измерения, срабатывать при определённых условиях, вводить, хранить и обрабатывать данные. 
Типы устройств IoT и их взаимодействие. Источник: ITU-T Y.4000/Y2060
В соответствии с рекомендациями Сектор стандартизации электросвязи Международного союза электросвязи (ITU-T) IoT представляет собой сеть устройств, тесно связанных с вещами. Сенсорные и исполнительные устройства взаимодействуют с физическими вещами в окружающей среде. Устройства сбора данных считывают информацию из физических вещей или записывают её на физические вещи, взаимодействуя с устройствами переноса данных или носителями данных, подключенными или связанными с физическим объектом.
Другими словами, IoT — это:
Физические/Виртуальные объекты
+
контроллеры/сенсоры/исполнительные механизмы
+
интернет
Таким образом, физический экземпляр элемента IoT представляет собой объект, который
Эталонная модель IoT. Источник: ITU-T Y.4000/Y2060
Разработками архитектуры IoT также занимается Всемирный форум IoT (IoT World Forum, IWF). Это ежегодное событие, в котором участвуют представители бизнеса, государств и научных кругов. Комитет по архитектуре IWF в 2014 году опубликовал свою версию эталонной модели IoT. Она хорошо дополняет вариант, предложенный ITU-T, поскольку IWF уделяет внимание не только уровням устройств и шлюза, но и верхними уровнями, более важным для разработки приложений, промежуточного софта и поддержки промышленного интернета вещей.
Эталонная модель IoT по версии IWF. Источник: Cisco
Каковы ключевые элементы IoT?
Во-первых, это протоколы. Стандартные для интернета протоколы либо оказываются избыточными для IoT, либо не обеспечивают необходимых характеристик для случаев, когда требуется малое время отклика и высокая надёжность сети. Кроме того, процессоры устройств IoT, как правило, имеют невысокую производительность, чтобы сохранять энергопотребление на низком уровне. Это требует разработки сетевых протоколов, специально заточенных под использование в интернете вещей.
Этим занимаются несколько рабочих групп в составе IETF и W3C. Например, адаптацией IPv6 для сетей узлов с ограниченными ресурсами занимается рабочая группа 6lo. Эта группа унаследовала разработки группы 6LoWPAN, которая разрабатывала методы сжатия заголовков пакетов и оптимизации обнаружения соседей. Группа 6lo ориентирована на более широкий спектр протоколов: Bluetooth Low Energy, ITU-T G.9959, DECT Ultra Low Energy, а также протокол MS/TP для сетей RS-485.
Список других рабочих группы IETF, связанных с IoT, и того, чем они занимаются, выглядит так:
Датчики находятся на нижнем уровне стека технологий, составляющих эталонную модель IoT. Они обеспечивают взаимодействие физического и виртуального мира, собирая аналоговые данные и преобразуя их в цифровую форму. Чтобы передать собранную информацию, датчики подключаются к сети и взаимодействуют с серверами и шлюзами, используя протоколы Bluetooth, NFC, RF, Wi-Fi, LoRaWAN и NB-IoT.
Различные типы датчиков. Источник: CircuitDigest
Сами по себе датчики лишь регистрируют физическую величину и преобразуют измеренное значение в цифровой формат для отправки на микроконтроллер, составляющий «умную» часть датчика.
Инфракрасный датчик Toshiba 32C100U2 IR Sensor Board
Развитие технологий позволяет делать датчики очень компактными. Например, 14-разрядный датчик ускорения BHA250, выпускаемый Bosch Sensortec имеет размеры 2,2 × 2,1 × 0,95 мм, но при этом содержит 32-битный микроконтроллер.
Наконец, важнейшую роль играют IoT-платформы. По данным отчёта McKinsey около 40% экономической ценности IoT связано с совместимостью, то есть с тем, как устройства могут взаимодействовать друг с другом. Для раскрытия всех преимуществ интернета вещей нужны не только быстрые каналы связи и экономичные протоколы, но и стандартизация всех уровней функционирования IoT в соответствии с эталонными моделями.
IoT-платформы частично снимают остроту этой проблемы, однако и среди них не наблюдается единства. По состоянию на середину 2017 года агентство IoT Analytics насчитало 450 компаний, предлагающих свои IoT-платформы. Это число меньше, чем список производимых в мире IoT-устройств, но более чем достаточно для того, чтобы создать проблемы совместимости.
Что такое IoT-платформы и зачем они нужны?
Коротко говоря, это решения, обеспечивающие унифицированное взаимодействие между конечными устройствами IoT и сервисами, обрабатывающими данные. А объяснять, почему они важны, начнём издалека.
Исследование Cisco выявило, что 75% проектов, связанных с IoT, терпят неудачу. В опросе приняли участие более 1800 руководителей компаний и ИТ-лидеров, целью опроса было выявление основных барьеров, ограничивающих внедрение интернета вещей на предприятиях. Согласно выводам исследования, основными препятствиями для организаций, желающих внедрить IoT, становятся затраты и сроки реализации проектов. Ещё одним стоп-фактором стала ограниченность экспертных знаний штатных сотрудников.
Устранить эти проблемы позволяет использование решений, обеспечивающих унифицированное взаимодействие между конечными устройствами IoT и сервисами, обрабатывающими данные, — тех самых IoT-платформ.
Поясним: если в компании уже есть парк оборудования, при внедрении IoT потребуется подключить его к новой инфраструктуре. При этом какая-то часть «старых» устройств может вполне успешно выполнять свои производственные функции, но не иметь возможности подключения к интернету. Замена такого оборудования на IoT-совместимое повлечёт большие затраты. Это увеличит срок окупаемости, поскольку придётся списать вполне работоспособные станки и агрегаты.
Но даже если оборудование совместимо с IoT, остаётся открытым вопрос с тем, какие данные необходимо собирать и использовать, как проводить углублённый анализ собранной информации и обеспечить оперативную обратную связь. IoT-платформы как раз и обеспечивают бесшовную интеграцию аппаратных средств с использованием различных типов подключения, передачу данных на подключенные устройства или между ними.
IoT-платформы предлагают многие высокотехнологичные и ИТ-компании. Разработка компании Toshiba для интеграции IoT-устройств и сервисов получила название SPINEX. При разработке IoT-платформы SPINEX использовался обширный опыт Toshiba в энергетике, производстве полупроводниковых компонентов, а также в области интернета вещей, искусственного интеллекта, распознавания голоса и видео (то есть во всём том, о чём мы регулярно рассказываем на «Хабре»).
Платформа SPINEX. Источник: Toshiba
SPINEX обеспечивает единое пространство для сбора данных с подключённого оборудования, устройств и продуктов, хранение, визуализацию и анализ собранных данных. Благодаря использованию открытой архитектуры SPINEX может взаимодействовать с различными облачными провайдерами и устройствами. Платформа даёт пользователям три ключевые технологии:
Насколько всё это актуально и куда движется рынок IoT?
Иногда кажется, что дивный мир интернета вещей — не более чем фантастическая картинка. Это не так. В докладе Fortune Business Insights указывается, что мировой рынок Интернета вещей, стоимость которого в 2018 году оценивалась в 190 миллиардов долларов, достигнет к 2026 году 1,11 триллиона долларов, продемонстрировав совокупный темп роста 24,7% в год.
Прогноз объёма рынка IoT в 2018-2026. Источник: Fortune Business Insights
Ожидается, что крупнейшим сегментом рынка будет банковский сектор и сектор финансовых услуг.
Аналитики Gartner сообщают, что в 2019 году количество устройств IoT достигло 14,2 млрд. Компания также прогнозирует, что к 2025 году количество подключённых устройств достигнет уровня в 25 миллиардов.
Прогноз IDC о росте количества подключений IoT
IDC дают ещё более оптимистичный прогноз: к 2025 году к сети интернета вещей будет каждую минуту подключаться 152 200 устройств. Умножив 152 200 на 525 600 (количество минут в году), получим, что в 2025 году интернет вещей будет содержать около 80 миллиардов устройств.
По данным исследования IoT — The Internet of Transformation 2018, опубликованного Juniper Research, ключевыми рынками IoT остаются Северная Америка, Западная Европа, Дальний Восток и Китай. Именно эти регионы обеспечат более 60% всех доходов, связанных с интернетом вещей.
Датчики в IoT: от термометров до умных устройств
Датчики — основа интернета вещей. Именно датчики собирают информацию о работе различных устройств и потом передают ее на серверы для обработки. Разберемся, как они работают, что умеют измерять и чем отличаются друг от друга.
Роль датчиков в IoT и IIoT
IoT — это интернет вещей, общее название для устройств, подключенных к общей сети. Как отдельный вид интернета вещей выделяют IIoT — промышленный интернет вещей, который используют в бизнесе и на производстве.
В IoT и IIoT датчики применяют, чтобы собирать информацию с разных устройств: умных браслетов, станков, автомобилей. Они могут измерять разные физические показатели: от температуры воздуха до уровня инфракрасного излучения.
Показатели, которые умеют измерять датчики IoT. Источник
Для этого датчики оснащают чувствительными элементами, например, светочувствительными диодами или металлическими пластинками, меняющими свойства в зависимости от среды.
Для передачи информации на обычный сервер или облако, где она будет обработана и использована дальше, датчики оснащают передающим модулем. В IoT это обычно модуль беспроводной связи, например: Bluetooth, NFC, RF или Wi-Fi. Иногда несколько датчиков подключают к одному передающему модулю.
Место датчиков в системе интернета вещей. Источник
Для быстрого объединения датчиков в сеть интернета вещей можно использовать облачные платформы, которые позволяют обойтись без собственных серверов и передавать данные прямо в облако по защищенным каналам. Кроме того, такие платформы помогают анализировать данные, собранные с датчиков, и оптимизировать бизнес-процессы.
Как датчики IoT работают с информацией
Любые датчики собирают аналоговые данные. Такие данные непрерывные — их можно представить в виде извилистой линии, непрерывного потока информации. Передавать такие данные по кабелю или беспроводной связи нельзя — сначала сигнал нужно преобразовать в цифровые данные.
Цифровые данные — это последовательность из нулей и единиц. Чтобы преобразовать аналоговые данные в цифровые, непрерывную аналоговую линию нужно поделить на несколько отдельных участков, и каждому участку присвоить конкретное значение.
Волнистая линия — непрерывный аналоговый сигнал, красная прерывистая — цифровой сигнал. Каждой отдельной ступеньке цифрового сигнала присвоено свое значение из комбинации нулей и единиц — его можно передавать по кабелю или беспроводной сети. Источник
Аналоговые данные тоже можно передавать, например по радио. Но компьютеры работают только с цифровыми данными, так что их все равно придется переводить в цифру. И лучше сделать это до передачи, чтобы использовать более современные и быстрые каналы связи.
Простые аналоговые датчики не умеют преобразовывать сигнал. Чтобы получить от них информацию в цифровом виде, нужна шкала, где аналоговым значениям соответствуют цифровые.
Пример: возьмем обычный ртутный термометр. Когда температура растет, ртуть расширяется. Информация о расширении и сжатии ртути — аналоговые данные. Чтобы понять, сколько на улице градусов, нужно наложить на ртутный столбик понятную человеку шкалу. А чтобы передавать эти данные другим устройствам — подключить к термометру преобразователь с встроенной шкалой, который преобразует расширение ртутного столбика в цифровой сигнал.
Чтобы не подключать преобразователи каждый раз, придумали цифровые датчики. Они также измеряют аналоговые величины, но в них уже встроен преобразователь.
Так, электронный термометр измеряет ту же аналоговую величину, что и обычный термометр — температуру. В него встроен терморезистор — элемент, сопротивление которого меняется в зависимости от температуры. Преобразователь внутри термометра фиксирует сопротивление и переводит его в цифровые данные. Потом термометр высвечивает эти цифровые данные на дисплее или передает данные на сервер либо в облако.
Что такое умные датчики и зачем они нужны
Один отдельный датчик может измерять только конкретную физическую величину, например влажность. Но почти всегда для целей бизнеса или производства требуется решать более сложные задачи, чем просто измерить один показатель.
Пример: на производстве нам нужно знать точку росы — температуру, при которой влага из воздуха начнет выпадать в виде росы. Для этого нужно измерить влажность и температуру, рассчитать, при каких показателях воздух станет слишком насыщен влагой, учесть изменение разных показателей с течением времени.
Чтобы решить эту задачу, можно установить много датчиков, связать их, настроить систему для сбора данных и их анализа. А можно просто взять умный датчик точки росы. В нем есть все нужные датчики, а также процессор, который собирает, обрабатывает и анализирует данные. В итоге такой умный датчик сразу передает всю нужную информацию.
Покупать десяток разных датчиков, соединять их и настраивать логику обработки очень сложно. Поэтому сейчас в IoT используют в основном умные датчики, которые умеют собирать разные показатели и передавать на сервер уже первично обработанные данные.
Чем датчики IIoT отличаются друг от друга и как выбрать подходящие
Все датчики отличаются друг от друга — одни могут работать в экстремальных условиях, другие более точные, третьи дольше служат. Эти отличия влияют на цену — чем больше датчик умеет и чем больше способен выдержать, тем дороже он стоит.
Разберем основные параметры и посмотрим, в каких ситуациях они важны.
Защищенность корпуса — насколько датчик защищен от влаги, пыли и ударов. Датчики на станки обычно требуют серьезной защиты от пыли или давления, а вот датчики в обычных помещениях обычно можно ставить и незащищенные.
Точность измерений — до каких долей датчик фиксирует величину и какая у него погрешность. Например, для датчика температуры в офисном помещении вполне хватит точности до градуса — неважно, +20°С там или +20,3°С. А вот в температуре на производстве может быть важна точность до десятых и даже сотых — тогда нужно выбирать датчики поточнее.
Диапазон измерений. Минимальное и максимальное значение, которое датчик способен зафиксировать. Например, если диапазон измерений термометра до 50°С, 60°С он покажет как 50°С — на большее датчик просто неспособен. Диапазон измерений нужно выбирать в зависимости от нужной точности и величин, которые встречаются у вас в работе.
Стабильность связи. Насколько далеко датчик способен передавать данные, боится ли сигнал от него помех и препятствий. Чем больше предприятие, чем больше в помещении помех, тем стабильнее нужно выбирать датчик. Иначе получится, что между датчиком и приемником проедет машина, и данные пропадут.
Время безотказной работы. Как долго датчик проработает без поломок при соблюдении условий его эксплуатации: температуры, влажности, давления. Обычно длительная безотказная работа требуется, если датчик нужно установить в труднодоступном месте.
Размер и вес. Эти показатели важны, если датчик требуется установить в ограниченном пространстве или на небольшое устройство. Обычно чем датчик меньше и легче, тем он дороже.