Интернет вещей — а что это? Сложности тестирования IoT-устройств

Разбираемся, что такое интернет вещей, с чего начать его изучение, какие конструкторы для этого подходят и какие соревнования проводятся уже сегодня.

Что такое интернет вещей (Internet of Things, IoT)

Уже никого не удивишь тем, что любой предмет, будь то бытовая техника или одежда, могут быть подключены к интернету. Умный холодильник, чайник, конструкторы для обучения детей… Пока одни подключают к всемирной паутине кофеварку, часы и прочие вещи, другие недоумевают, зачем усложнять простые в использовании предметы и технику. Чем же на самом деле является интернет вещей?

Концепция интернета вещей

Интернет вещей (англ. Internet of Things, IoT) - концепция вычислительной сети физических объектов («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 (Википедия) .

Идея интернета вещей состоит совсем не в том, чтобы подключить к интернету все вокруг. Задача — автоматизировать процессы и научить подключенные к сети предметы обмениваться информацией. Как? Через различные датчики, встроенные или подключенные к объектам. Зачем? Чтобы объекты сами «принимали решения» и действовали без участия человека.

В начале 2015 года председатель совета директоров Google Эрик Шмидт :

Я очень упрощенно отвечу, что интернет исчезнет. Будет так много IP-адресов, так много устройств, сенсоров, носимых гаджетов, вещей, которые связываются с вами, но вы это даже не почувствуете. Они всегда будут вас сопровождать. Представьте, что вы заходите в комнату, а комната динамична и вы можете взаимодействовать с тем, что происходит в этой комнате. Возникает очень персонализированный, очень интерактивный и очень, очень интересный мир.

Почти классический, уже сегодня работающий пример реализации интернета вещей — Яндекс.Пробки. Множество автомобилей, оснащенных Яндекс.Навигатором, отправляют свои координаты, скорость и направление в систему. Информация обрабатывается и на карте видно не только дороги, но и их загруженность в «реальном времени». Благодаря этому навигаторы могут прокладывать маршрут, учитывая не только расстояния, но и пробки.

Если вы все еще не знаете, зачем подключать к интернету чайник, попробуйте пофантазировать. Когда-то большинство владельцев телефонов считало, что он нужен только для звонков. Сегодня многие люди, лишившиеся на день подключенного к интернету смартфона, испытывают шок.

Никто не знает наверняка, какими функциями станет обладать чайник завтрашнего дня. Может, он будет работать совместно с умным браслетом на руке, собирая данные о количестве выпитой воды, ее характеристиках, ритме сердца и других показателях. Все это будет отправляться виртуальному кардиологу, а вы получите рекомендации и предупреждения.

История IoT

Еще до появления самого интернета, в 1926 году Никола Тесла в интервью журналу Collier’s сказал, что в будущем радио будет преобразовано в «большой мозг», все вещи станут частью единого целого, а инструменты, благодаря которым это станет возможным, будут легко помещаться в кармане.

В 1990 г. один из создателей протокола TCP/IP Джон Ромки подключил к сети тостер, т.е. фактически создал первую в мире интернет-вещь.

В 1999 году термин Internet of Things был предложен Кевином Эштоном , на тот момент ассистентом бренд-менеджера Procter&Gamble. В этом же году они с Девидом Броком и Санджаем Сармой основали Центр автоматической идентификации (Auto-ID Center), занимающийся радиочастотной идентификацией (RFID) и сенсорными технологиями, благодаря которым концепция интернета вещей получила широкое распространение.

В 2008-2009 годах компания Cisco сообщила, что количество устройств, подключенных к интернету, превысило количество людей на планете.

Начиная с 2010 годов, интернет вещей устойчиво развивается благодаря повсеместному распространению беспроводных сетей и облачных технологий, удешевлению процессоров и датчиков, развитию энергоэффективных технологий передачи данных. Технология интернета вещей, как и робототехника, признана прорывной, т.е. меняющей нашу жизнь и экономические процессы. Мир продолжает меняться прямо на наших глазах.

Соревнования по IoT

Интернет вещей входит в список профессий (компетенций) Национального чемпионата рабочих профессий WorldSkills и аналогичные соревнования для школьников JuniorSkills . В 2016 году чемпионат JuniorSkills в компетенции «Интернет вещей» проводится в рамках VIII Всероссийского робототехнического фестиваля «Робофест-2016». Соревнования будут проходить в двух категориях JuniorSkills: тематика «Умный город» (Smart City) для участников старше 10 лет и «Умное сельское хозяйство» (Smart Agriculture) для детей старше 14 лет.

В 2016 году интернет вещей также выделен в отдельную творческую категорию Всероссийской робототехнической олимпиады . Тема этого года — здравоохранение.

Наборы для изучения интернета вещей

Решили идти в ногу со временем, освоить технологию интернета вещей и стать техническим волшебником? Готовы изменять окружающий мир, ломая все, что попадется на пути подключая окружающие вещи к интернету и наделяя их «разумом»? Разбираемся, какие комплектующие или конструкторы подходят для изучения Internet of Things.

Умные устройства из мира IoT должны собирать данные из окружающей среды, передавать информацию через в интернет (или локальную связь) другим девайсам, а также получать информацию от них. Чтобы устройства обладали «интеллектом», полученные данные должны анализироваться программой, которая делает выводы и принимает решения. Объекты из мира интернета вещей во многом похожи на роботов и для их создания нужны контроллеры, датчики, при необходимости и исполнительные механизмы.

Важной составляющей является обработка данных. Можно сказать, что подключенные к сетям обработки данных объекты приобретают «интеллект». Существуют различные аппаратные и программные платформы для разработки приложений интернета вещей.

Из программных решений популярной является ThingWorx .

Распространенная в робототехнике Arduino — то, что надо для создания учебных проектов в области IoT. Для подключения к сети применяется плата расширения Ethernet Shield. Все необходимые платы и датчики можно приобрести отдельно. Существуют и специализированные готовые наборы на основе Arduino. Их преимуществом является не только продуманный состав, но и примеры программных кодов.

Базовый учебный комплект IoT Smart Agriculture

В некоторых случаях соревнования регламентируют используемое оборудование. Так, на чемпионат JuniorSkills этого сезона допущен комплект WorldSkills Smart Agriculture , созданный для изучения интернета вещей по теме Smart Agriculture (Умное сельское хозяйство).

Состав учебного комплекта:

• плата Arduino Uno R3;
• плата Ethernet W5100 Shield;
• модуль датчика температуры и влажности DHT11;
• кабель Ethernet;
• цифровой термометр DS18B20;
• модуль датчика света;
• модуль датчика влажности почвы / сыпучих веществ (Moisture Sensor);
• IO Sensor Shield;
• соединительные провода;
• колодки;
• адаптер сетевой (5V, 1A, 5W);
• коробка.

Такие наборы удобно использовать для быстрого протипирования устройств, что актуально для организации процесса обучения.

Для сборки учебных моделей интернета вещей удобно использовать платы расширения (шилды), имеющие на борту ряд часто используемых датчиков. — универсальная плата, на которой установлены:

• цифровой датчик температуры и влажности DHT11,
• аналоговый датчик температуры LM35,
• аналоговый датчик освещенности,
• приемник ИК сигналов с пульта,
• динамик для генерации простейших звуковых сигналов,
• две кнопки и потенциометр,
• три светодиода.

Моделью сельского хозяйства может быть любое комнатное растение. Забываете поливать? Представьте, что цветок сам может сообщить о том, что о нем пора позаботиться. Для этого нужно разместить датчики температуры и влажности в почву и мониторить их показатели, а также контролировать освещенность вокруг.

Базовый учебный комплект IoT Smart Agriculture. Модель с комнатным растением

Видео-урок, демонстрирующий простоту сборки набора:

Чтобы такая модель стала интернетом вещей, нужно создать аналитический облачный интернет-сервис, самостоятельно принимающий решение о включении системы полива на основе собранных данных.

В состав расширенного комплекта оборудования Juniorskills Smart Agriculture входит погружная помпа. Кто знает, чему еще вам захочется ее научить кроме полива комнатных цветов? Возможно вы решите, что ваша smart-помпа должна «общаться» не только с горшками комнатных растений, но и с чайником, который сообщает о том, что уровень воды слишком мал, а смартфон хозяина «гвардии умной техники» требует срочно вскипятить воды.

Я надеюсь, что после прочтения статьи вы не сломаете всю технику дома в вашем сердце поселится дух новаторства и перемен, которые несет с собой интернет вещей, и вам захочется стать частью технического волшебства.

Вспомните фантастические фильмы, где умный дом угадывает желания хозяев, заказывает продукты, следит за бытовой техникой. Это может стать реальностью быстрее, чем вам кажется. Взять хотя бы нашу новую систему умного микроклимата – это один из шагов в сторону технологичного будущего. А в основе всех «умных» технологий лежит понятие «интернет вещей». Что это такое, как появилось и к чему приведет – об этом ниже.

Что такое интернет вещей

На английском «интернет вещей» звучит как the Internet of Things, или просто IoT. Запомните эту аббревиатуру, она будет все чаще появляться в СМИ и на просторах мировой сети.

Говоря простыми словами, интернет вещей – это сеть, объединяющая все объекты вокруг вас. К сети из компьютеров, планшетов, смартфонов и даже телевизоров уже все привыкли. А что если в эту сеть включить тостеры, кофе-машины, холодильники, зубные щетки, водопровод, электросеть, датчики артериального давления? Представьте, насколько изменится мир, если каждой вещью вы сможете управлять по беспроводной сети!

К примеру, вы стоите в душной пробке после тяжелого дня в офисе и мечтаете скорее попасть домой, в приятную прохладу, принять теплую ванну и выпить чашку свежего кофе. Все, что вам нужно, это озвучить смартфону все свои пожелания. А дальше он сам раздаст команды климатической технике, водопроводу и кофе-машине. К вашему приезду бризер сделает воздух свежим, кондиционер – прохладным, ванна наполнится водой комфортной температуры, а на столе будет ждать свежий американо. Неплохо звучит?

Но прежде чем фантазировать о будущем, бросим взгляд в прошлое интернета вещей.

Еще в 1926 году известный физик Никола Тесла предсказал, что радио вырастет в «большой мозг», который объединит вещи в одно большое целое. Причем все это будет возможно благодаря инструментам настолько компактным, что они поместятся в кармане.

Еще один человек, кто высказывал похожие идеи – советский военачальник Николай Васильевич Огарков. Ему принадлежит авторство так называемого сетецентрического подхода к боевым действиям. Суть принципа: все ресурсы для решения конкретной задачи должны быть в одной информационной сети и должны постоянно обмениваться данными. Чем не интернет вещей?

Но это все общие слова. Конкретика началась чуть позже. В 1990 году выпускник MIT Джон Ромки подключил к интернету свой тостер. Это первый официально зарегистрированный объект из мира интернета вещей.

К слову, Джон Ромки – один из отцов протокола TCP/IP, того самого, который лежит в основе интернета как такового. Через 9 лет после интернет-тостера другой выпускник MIT, Кевин Эштон, придумал, как управлять промышленными объектами через интернет. Эштон и стал автором термина «интернет вещей».

В том же 1999 году и в том же MIT появился Центр автоматической идентификации (Auto-ID Center). В нем исследователи развивали два основных направления: радиочастотную идентификацию (RFID) и сенсорные технологии. Об этих технологиях мы расскажем в следующий раз. Сейчас отметим только, что именно благодаря стараниям Центра автоматической идентификации концепция интернета вещей стала известной во всем мире.

Ключевое событие в развитии интернета вещей произошло не так давно, в 2008-2009 годах. Именно тогда и произошел официальный переход от интернета людей к интернету вещей. Как это определили? Очень просто: в 2008-2009 годах в интернете стало больше предметов, чем людей.

И дальше количество устройств, подключенных к интернету, только росло. Причем сумасшедшими темпами. Уже сегодня к интернету подключено 20 миллиардов самых разнообразных устройств: от промышленных станков до смартфонов.

Некоторые примеры реальных интернет-вещей в нашем мире:

• Радиометки на теле животных
• Миска для собак с модулем wi-fi, которая дает собаке задания и за правильные ответы награждает кормом
• Мусорный бак на солнечных батареях, который сам уплотняет мусор и сигналит дворникам, когда наполнится
• Умные сенсоры и водные счетчики в инфраструктуре Сан-Паулу, Пекина и Дохи сократили утечки и расходы на 50%
• Автоматические системы сбора штрафов и оповещений об авариях и пробках на дорогах

В том, что появились «умные» вещи, нет ничего удивительного. Ведь известно, что прогресс зачастую двигает лень. Изобретение колеса, рычага, замена рычагов на кнопки, появление пультов дистанционного управления – все это человек придумал, чтобы вместо него работали механизмы и устройства.

И сейчас многие устройства из мира интернета вещей, по сути, выполняют ту же функцию, что и пульт дистанционного управления. Если раньше лампочка загоралась только после того, как человек нажмет на выключатель, то теперь свет включает и выключает запрограммированный компьютер. А человек управляет компьютером со смартфона.

Лампы стали энергоэффективными, включаются они не вручную, а через мобильное приложение. Но сам подход остался прежним: человек все еще управляет лампочкой. Как и большинством других современных интернет-устройств.

В будущем интернет вещей будет все дальше уходить от команд типа
«сделать так» к командам типа «должно быть так».

Перспективы и проблемы интернета вещей

Специалисты обещают, что к 2020 году к интернету будет подключено больше 50 миллиардов различных устройств. Раньше для всех них попросту не нашлось бы столько IP-адресов. Но сейчас новый интернет-протокол IPv6 дает фактически бесконечное количество IP-адресов. Так что с «пропиской» у интернет-устройств проблем не будет.

Другая серьезная проблема интернета вещей – бесперебойное питание приборов, без него они выпадут из сети, и все связи между ними нарушатся. Постоянно менять миллиарды батареек в миллиардах устройств расточительно, для этого нужно слишком много времени, внимания и ресурсов для создания и утилизации батареек.

Вывод : интернет-вещи должны получать энергию сами – от солнечного света, вибраций, воздушных потоков. Недавно в этой области был совершен значительный прорыв. В 2011 году ученые представили гибкий чип, наногенератор для создания энергии из любых движений человека. Так что ждем в будущем появления абсолютно автономных интернет-вещей, которым не нужны батарейки.

Третье препятствие на пути у интернета вещей – это связь приборов с самим интернетом. Далеко не в каждое устройство можно вставить модуль Wi-Fi, хотя бы из-за небольших размеров этого устройства. Но и тут достижения ученых вселяют оптимизм. Они создали микрочип размером всего 1 мм 2 с очень низким энергопотреблением. С ним выйти в сеть сможет прибор любого размера.

Наконец, главная проблема сегодняшнего интернета вещей – отсутствие единого стандарта . Сейчас система одной компании управляет отоплением, другой – светом, третья компания управляет микроклиматом. В конце концов, все эти сети объединятся в одну. Есть даже специальные организации, которые стремятся подогнать под один шаблон разрозненные сети интернет-вещей.

«Интернет вещей» является частью концепции, что Интернет стал уже не просто глобальной сетью для людей, позволяющей общаться друг с другом посредством компьютеров, но также Интернет теперь является платформой для устройств, позволяющей им общаться в электронном виде с окружающим миром.
В результате это мир, который живет в виде информации и потоков данных от одного устройства к другому, является общим и может повторно использовать каналы для различных целей.
Использование потенциала «Интернета вещей» для экономического и социального блага в ближайшие десятилетия будет одной из основных задач, включая проблемы и возможности, вытекающие из этого явления.

Комбинирование технологий, в том числе дешевых датчиков, маломощных процессоров, постоянного масштабирования облачных сервисов, а также повсеместное внедрение беспроводного подключения позволили начать эту революцию.

Все чаще компании используют эти технологии для внедрения аналитики деятельности и поиска новых возможностей своих продуктов, что позволяет предметам быта становиться умнее, учиться на своем опыте и качественнее взаимодействовать с окружающей их средой.

Некоторые из этих устройств осуществляют коммуникации вида машина-машина. Например, датчики на проезжей части оповещают автомобили о потенциальных опасностях, смарт-сетки посылают динамические данные о ценах на электроэнергию бытовой технике с целью оптимизации энергопотребления.

Другие устройства используют коммуникацию вида машина-человек, что осуществляется непосредственно через сам продукт или косвенно через веб-браузер на ПК или мобильном устройстве. Например, системы управленческого саппорта (содействие принятию правильных управленческих решений) на фермах могут объединить данные о почвенных условиях из экологических датчиков с историческими данными и прогнозами о ценах и погодных условиях, что позволяет выработать рекомендаций для фермеров о том, как сажать и удобрять конкретные земельные участки.
Эти трансформации несмотря на свою значимость будут во многом незаметными для обывателя, потому что изменения в физической среде будут невидимым или очень неприметными. «Умный» дом или «умный» мост выглядят так же как и обычный – весь интеллект встроен в инфраструктуру. Потребительские товары, со встроенным интеллектом (например, сушилки для одежды или термостаты) внешне не будут значительно отличаться от тех, что есть сегодня.

Тем не менее, несмотря на отсутствие серьезных внешних изменений, влияние «Интернета вещей» будет весьма глубоким и создаст новые возможности для решения многих насущных социальных проблем сегодняшнего дня.

Возможности IoT представляются новыми продуктами и услугами, которые помогут защитить окружающую среду, сохранить энергию, повысить производительность сельского хозяйства, сделать перевозки быстрее и безопаснее, повысить уровень общественной безопасности, а также сделать медицинское обслуживание лучше и доступнее. Кроме того, некоторые предметы путем предоставления своевременной информации смогут просто помогать своим занятым владельцам в быту: например, «умный» холодильник может напомнить своему владельцу, что пора купить молоко, когда оно почти закончилось.
Большие изменения состоят из множества мелких и влекут за собой новые, также и «Интернет вещей» может принести миллионы дополнительных изменений в ближайшие годы. Эта статья демонстрирует разнообразие устройств, входящих в состав «Интернета вещей» уже сегодня. В потенциале эти устройства могут быть применимы для решения различных практических задач, больших и маленьких, а также в открытых новыми технологиями стратегических принципах, которые помогут правительственным лидерам максимизировать выгоду.

Окружающая среда

С постоянно растущей численностью людей на планете (сейчас уже более 7 миллиардов) рациональное использование природных ресурсов Земли становится все более сложной задачей, но это тот вопрос, который должен быть решен для достижения устойчивого экономического развития в первую очередь.

Защита окружающей среды требует многогранного решения, но «Интернет вещей» уже сейчас предлагает уникальные возможности для решения таких вопросов, загрязнение воды и воздуха, свалки отходов и вырубка лесов.

Сенсорные устройства, соединенные в общую сеть, теперь внимательно следят за воздействием на окружающую среду наших городов, собирая сведения о канализации, качестве воздуха и мусорных отходах. За пределами города такие же сети сенсорных устройств ведут постоянный мониторинг наших лесов, рек, озер и океанов.

Многие экологические тенденции настолько сложны, что их трудно осмыслить, но сбор данных является первым шагом на пути к пониманию и в конечном итоге к выработке решений по снижению отрицательного воздействия деятельности человека на окружающую среду.

Атмосфера

Air Quality Egg («яйцо проверки качества воздуха») представляет собой устройство, которое использует датчики для сбора и обмена данными о качестве воздуха за пределами дома или офиса человека. В то время как государственные учреждения, такие как Агентство по охране окружающей среды США, мониторят качество воздуха и уровень загрязненности в центрах мегаполисов, «яйцо» собирает данные о непосредственного окружения своего пользователя в режиме реального времени. Базовая станция передает данные о качестве воздуха через Интернет, где на специальном веб-сайте собирается и отражается информация, собранная всеми «яйцами», которые используются. В режиме реального времени данные могут быть использованы для оценки влияния городской политики и изменения уровня загрязнения, а также для разработки и принятия новых программ и решений в этой сфере. Также данный сервис позволяет жителям города больше узнать о своем месте жительства и своем личном и непосредственном влиянии на свой дом. Устройство «Air Quality Egg» можно найти по всей Северной Америке, в Западной Европе и Восточной Азии и в будущем может сыграть свою роль в развивающихся странах с наиболее быстрым ростом городского населения и высокими темпами загрязнения.

Мусорные контейнеры (урны)

Устройство BigBelly является работающей на солнечных батареях урной, которая уплотняет мусор и предупреждает санитарные экипажи (дворников и уборщиков), когда она полна. Общая сеть анализирует собранные данные, полученные от каждой урны BigBelly, что позволяет планировать деятельность по сбору и оперативно вносить коррективы, такие как частота вывоза мусора и размер самой урны. Системы BigBelly располагаются повсюду: в городах, крупных деловых центрах, в университетских городках, в парках и на пляжах.
Бостонский университет сократил частоту вывоза мусора с 14 до 1,6 раза в неделю. В университете не только сэкономили время, но и энергию, так как теперь используется меньшее количество мешков для мусора и производится меньше углекислого газа во время вывозов мусора.

Учитывая, что объемы бытовых отходов согласно прогнозам возрастут с 1,3 тонны, производимых сейчас, до 2,2 млрд. тонн к 2025 году, то дополнительные инструменты будут крайне необходимы, чтобы справляться с большими объемами мусора.

Леса

Invisible Tracck (невидимый Трак) представляет собой небольшое устройство, которое незаметно размещается на деревьях в охраняемых лесных районах, чтобы помочь в борьбе с незаконной вырубкой лесов. Устройства, которые меньше, чем колода карт, уведомляют власти, когда незаконно заготовленные деревья проходят в зоне действия мобильной связи. Сотрудники правоохранительных органов затем могут найти производственные площадки и остановить эту деятельность в более полном масштабе, нежели просто оштрафовав за незаконную вырубку.

Сети невидимых Траков в настоящее время развернуты в амазонских лесах в Бразилии, которые теряли в среднем по 3 460 000 гектаров девственных лесов каждый год в период с 2000 по 2005 года. Многие незаконные действия по вырубке лесов прошли незамеченными, так как частоты спутникового диапазона и радиочастоты часто слишком слабые в отдаленных районах. Невидимый Трак теперь гарантирует, что даже в наиболее уязвимых и отдаленных районах Бразилии можно охранять и защищать леса.

Водные пути

Интегрированная система морских наблюдений в Австралии представляет собой сеть датчиков вдоль Большого Барьерного рифа, позволяющую собирать данные для исследователей, изучающих влияние океанических условий на морские экосистемы и изменения климата. Буйки, оснащенные датчиками, собирают биологические, физические и химические данные. Данные передаются на базовую станцию на берегу за счет использования различных беспроводных технологий, в том числе микроволн, телевидения и мобильных сетей 3G, в зависимости от расстояния до берега. Система была развернута в 2010 года в семи различных местах вдоль Большого Барьерного рифа и собрала данные для исследования движения рыб, биоразнообразия и повреждений коралловых рифов.

Добрый день, уважаемые хабравчане! Сегодня мы бы хотели остановиться на описании различных сетевых технологий, разрабатывающихся для Интернета вещей.

Интернет вещей (IoT, Internet of Things) становится следующим революционным скачком развития, сравнимым с изобретением парового двигателя или индустриализацией электричества. Сегодня цифровая трансформация переворачивает самые различные отрасли экономики и изменяет наше привычное окружение. При этом, как часто бывает в таких случаях, конечный эффект этих преобразований трудно спрогнозировать, находясь в начале пути.

Начавшийся процесс, очевидно, не может быть равномерным и на сегодняшний день одни отрасли оказываются в большей степени готовы к изменениям, чем другие. К первым можно отнести потребительскую электронику, транспорт, логистику, финансовый сектор, ко вторым – например, сельское хозяйство. Хотя и здесь есть успешные пилотные проекты, обещающие интересные результаты.

Проект TracoVino, одна из первых попыток использовать IoT в знаменитой долине Мозеля, старейшем винодельческом регионе современной Германии. В основе решения лежит облачная платформа, автоматизирующая все процессы в винограднике, от выращивания сырья до бутилирования. Данные, необходимые для принятия решений, поступают в систему от нескольких типов датчиков. Помимо определения температуры, влажности почвы и мониторинга окружающей среды, они могут определять количество солнечной радиации, кислотность почвы и содержание в ней биогенных элементов. Что это дает? TracoVino не только позволяет виноделам получить общее представление о состоянии их виноградника, но и проанализировать его определенные области, чтобы выявить проблемы, получить заблаговременную информацию о возможном заражении и даже получить прогнозы о качестве и количестве вина, что позволяет виноделам заключать форвардные контракты.

Что еще можно подключить к сетям? К наиболее развитым сценариям использования IoT можно отнести «умные города». Согласно исследованиям Beecham Research, Pike Research, iSupply Telematics и министерства транспорта США на сегодняшний день в рамках реализации этих проектов по всему миру насчитывается более миллиарда устройств, отвечающих за те или иные функции в системах водоснабжения, управления городским транспортом, общественного здравоохранения и безопасности. Это умные парковки, оптимизирующие использование мест для стоянки, интеллектуальная система водоснабжения, следящая за качеством потребляемой жителями города воды, умные автобусные остановки, позволяющие получить точную информацию о времени ожидания нужного транспорта и многое другое.

В промышленности уже функционируют сотни миллионов устройств, готовых к подключению. Среди них системы умного технического обслуживания и ремонта, логистического учета и безопасности, а также умные насосы, компрессоры и клапаны. Большое количество устройств задействовано в сферах энергетики и ЖКХ: многочисленные счетчики, элементы автоматики распределительных сетей, потребительское оборудование, электрозарядная инфраструктура и инфраструктура для возобновляемых и распределяемых источников энергии. В области здравоохранения к интернету вещей подключаются и будут подключены средства диагностики, мобильные лаборатории, различные имплантаты, устройства для телемедицины.

Ожидается, что в ближайшие годы количество машинных подключений будет увеличиваться на 25% в год, а всего к 2021 году на планете будет 28 миллиардов подключенных устройств. Из них всего 13 миллиардов придется на привычные пользовательские гаджеты: смартфоны, планшеты, лэптопы и ПК – в то время как 15 миллиардов будут составлять пользовательские и промышленные устройства: разного рода датчики, терминалы для продаж, автомобили, табло, индикаторы и т.д.

Несмотря на, казалось бы, поражающие воображение цифры из ближайшего будущего, и они не являются окончательными. IoT будет внедряться повсеместно, и чем дальше, тем больше устройств, простых и сложных, придется подключить. По мере развития технологий, а особенно под влиянием запуска сетей 5G после 2020 года, рост числа подключенных устройств пойдет стремительными темпами и очень скоро приблизится к 50 млрд.

Массовый характер подключений и различные сценарии использования диктуют требования к сетевым технологиям IoT в самом широком диапазоне. Скорости передачи данных, задержки, надежность (гарантированность) передачи определяются особенностями конкретного применения. И тем не менее есть ряд общих целевых показателей, которые требуют от нас отдельно рассматривать сетевые технологии для IoT и их отличия от традиционных сетей мобильной связи.

В первую очередь, стоимость реализации сетевой технологии в конечном устройстве должна быть в разы меньше существующих сегодня модулей GSM/WCDMA/LTE, используемых при производстве смартфонов и модемов, даже в самом доступном классе. Одна из причин, сдерживающих массовое внедрение подключенных устройств – высокая стоимость чипсета, реализующего полный стек сетевых технологий, включая передачу голоса и многие другие функции, не являющиеся необходимыми в большинстве IoT сценариев.

Связанное с этим, но формулируемое отдельным, требование – низкое энергопотребление и продолжительное время автономной работы. Многие сценарии и области применения IoT предусматривают автономное питание подключенных устройств от встроенных элементов питания. Упрощение сетевых модулей и энергоэффективный дизайн позволяют добиться времени автономной работы до 10 лет при емкости элемента питания 5 Вт*ч. Таких показателей, в частности, удается достичь благодаря снижению объема передаваемых данных и использованию продолжительных периодов «молчания», в течение которых устройство не получает и не передает информацию и практически не потребляет электроэнергию. Впрочем, реализация конкретных механизмов отличается от технологии к технологии.

Покрытие сети, еще одна характеристика, нуждающаяся в пересмотре. Сегодня покрытие мобильной сети обеспечивает достаточно устойчивую передачу данных в населенных пунктах, в том числе внутри помещений. Однако подключенные устройства могут находиться и там, где людей большую часть времени нет: отдаленные районы, протяженные железнодорожные перегоны, поверхность обширных водоемов, подвалы, изолированные бетонные и металлические короба, лифтовые шахты, контейнеры и т.п. Целевым ориентиром решения этой задачи, по мнению большинства участников IoT рынка, является улучшение бюджета линии на 20 dB относительно традиционных сетей GSM, являющихся лидером по покрытию среди мобильных технологий сегодня.

Разные сценарии использования Интернета вещей в разных индустриях предполагают совершенно разные требования к связи. И речь не только о возможности быстрого масштабирования сети в плане числа требующих подключения устройств. Если в описанном нами примере «умного виноградника» были задействовано множество достаточно простых датчиков, то на промышленных предприятиях подключены будут весьма сложные роботы, выполняющие действия, а не просто фиксирующие определенные параметры окружающей среды. Можно вспомнить и про область здравоохранения, в частности про оборудование для телемедицины. Использование этих комплексов, предназначенных для проведения дистанционной диагностики, мониторинга сложных медицинских манипуляций и удаленного обучения с использованием видеосвязи в режиме реального времени несомненно будет предъявлять совершенно иные требования в плане задержек сигнала, передачи данных, надежности и безопасности.

Технологии IoT должны быть достаточно гибкими, чтобы обеспечивать различный набор сетевых характеристик в зависимости от сценария использования, приоритизацию десятков и сотен различных видов сетевого трафика и оптимальное перераспределение ресурсов сети для сохранения экономической эффективности. Миллионы подключенных устройств, десятки сценариев использования, гибкое управление и контроль – все это должно быть реализовано в рамках единой сети.

Решению поставленных задач посвящены многочисленные разработки последних лет в сфере беспроводной передачи данных, как связанные со стремлением адаптировать имеющиеся сетевые архитектуры и протоколы, так и с созданием новых системных решений с нуля. С одной стороны мы видим так называемые «капиллярные решения», довольно успешно решающие задачи IoT коммуникаций в рамках одного помещения или ограниченной территории. К таким решениям можно отнести популярные сегодня Wi-Fi, Bluetooth, Z-Wave, Zigbee и их многочисленные аналоги.

С другой – современные мобильные технологии, которые, очевидно, находятся вне конкуренции с точки зрения обеспечения покрытия и масштабируемости хорошо управляемой инфраструктуры. Согласно исследованию Ericsson Mobility Report, покрытие GSM составляет 90% населенной территории планеты, сети WCDMA и LTE 65% и 40% соответственно при активно продолжающемся строительстве сетей. Шаги, предпринятые в рамках развития стандартов мобильной связи, в частности спецификации 3GPP Release 13 направлены как раз на достижение целевых для IoT показателей при сохранении преимуществ использования глобальной экосистемы. Эволюция этих технологий станет основой будущих модификаций стандартов мобильной связи, в том числе стандартов сетей пятого поколения (5G).

Альтернативные технологии низкой мощности для нелицензируемого частотного спектра, в общем случае, направлены на более узкое применение. Необходимость создания новой инфраструктуры и закрытость технологий существенно сдерживают распространение подобных систем.

Рассмотрим, какие расширения стандартов мобильной связи определены для включения в последнюю на сегодняшний день редакцию рекомендаций 3GPP Release 13.

EC-GSM

Рабочая группа GERAN, развивающая технологии GSM, предложила пакет расширенных функций под названием EC-GSM (варианты того же названия: EC-GPRS, EC-GSM-IoT). Данная технология предусматривает сравнительно небольшие изменения относительно базового GSM/GPRS/EDGE, что позволяет использовать подавляющее большинство установленных базовых станций этого стандарта без замены или модернизации аппаратного обеспечения.

Приведем основные характеристики:

Фактически, используется стандартная несущая GSM/GPRS, с изменениями, позволяющими увеличить бюджет линии, увеличить количество устройств и снизить стоимость реализации технологии в конечном устройстве.

Основные привнесенные изменения:

1) Extended DRX (eDRX, Extended Discontinuous Reception) для GSM и Power Saving Mode (PSM ) – снижение периодичности обязательных сигнальных сообщений, оптимизация интервалов приема и получения информации, поддержка длительных, до 52 мин., периодов «молчания», в течение которых устройство остается подключенным к сети, не передавая и не получая информацию.

2) Extended coverage – адаптация канального уровня сети, использующая, в том числе, многократное повторение передаваемой информации для улучшения покрытия на 20 dB по сравнению с традиционными системами.

3) Другие улучшения : упрощение сетевой сигнализации (отказ от поддержки той части сигнализации, которая обеспечивает совместную работу с WCDMA/LTE сетями); расширение механизмов аутентификации и безопасности соединения и др.

Ключевое преимущество EC-GSM в готовности сетевой инфраструктуры (в большинстве случаев требуется только обновление программного обеспечения на узлах сети), а также в распространенности сетей стандарта GSM и их охвата.

eMTC

Вариант eMTC (встречаются также названия LTE-M, LTE Cat.M1) является адаптацией IoT для LTE сетей. Фокус по-прежнему на достижении целевых показателей массового IoT (стоимость, покрытие, срок автономной работы) при обеспечении максимальной совместимости с имеющейся у операторов сетевой инфраструктурой.
Важное отличие технологии eMTC – высокая пропускная способность, до 1 Мбит/с в каждом направлении (от абонента и к абоненту). Самое время вспомнить про разнообразие сценариев использования IoT, к которым мы обращались в начале статьи. В определенных случаях такие скорости передачи данных будут явно востребованы.

EMTC призван обеспечить снижение стоимости конечного IoT устройства за счет отказа от функциональности LTE, которая востребована и широко применяется в сетях мобильного широкополосного доступа (МШПД), но становится избыточной при массовом подключении IoT устройств. Это продолжение работы, начатой 3GPP в предыдущем релизе спецификаций (Release 12), определившей LTE Cat.0 для IoT. В eMTC также добавлены механизмы Extended DRX и PSM для LTE, которые решают задачу снижения энергопотребления аналогично тому, как это было показано выше для EC-GSM.

Как и в случае с EC-GSM, eMTC имеет высокую степень готовности сетевой инфраструктуры и может быть развернута на существующих сетях LTE путем обновления ПО. Более того, сети МШПД и IoT могут сосуществовать и динамически перераспределять используемые ресурсы (частотный спектр, вычислительную мощность базовой станции и др.) в зависимости от типа и количества подключенных устройств и создаваемого ими трафика.

NB-IoT

Narrowband IoT (узкополосный IoT) – это относительно новое направление развития сетевых IoT технологий и несмотря на то, что его использование предусматривает тесное взаимодействие и интеграцию c LTE, речь все же идет о создании нового типа радиодоступа, характеристики которого имеют больше отличий, чем сходства с имеющимися технологиями.

Ожидается, что существенная переработка протоколов канального уровня позволит снизить стоимость устройства NB-IoT по сравнению с LTE Cat.M1 на 90%. О поддержке технологии NB-IoT в своих продуктах уже заявили многие производители сетевого оборудования и абонентских модулей: Ericsson, Huawei, Nokia, Intel, Qualcomm, а также ведущие операторы связи, среди которых, например, Vodafone, Deutsche Telekom и China Unicom.

Таким образом, с принятием финальной версии спецификаций EC-GSM, eMTC и NB-IoT, которое запланировано на июнь текущего года, участники рынка получат в свое распоряжение три эффективных инструмента развития сетей IoT. Каждый из них имеет свои особенности и преимущества в зависимости от конкретного сценария использования и характеристик той мобильной сети, на базе которой они будут развертываться. Однако в любом случае преимущества глобальной экосистемы, наличие и готовность развернутой сетевой и IT инфраструктуры, использование защищённого (лицензируемого) частотного спектра будут работать на снижение стоимости внедрения и эксплуатации. А значит, в ближайшем будущем нас ожидает взрывной рост проектов с их использованием.

На этом закончим свой рассказ и благодарим хабравчан за внимание! В следующем посте мы сфокусируемся на технологических аспектах технологии NB-IoT.