Лекція 1. Загальні поняття Інтернету речей

Лекція 1. Загальні поняття Інтернету речей

Питання:

Вступ
1. Що таке Інтернет речей?
2. Базові принципи IoT.
3. Стандартизація IoT.
4. Архітектура IoT.
5. Веб речей WoT.
6. Інтернет нано-речей.
7. Когнітивний інтернет речей CIoT.
8. Способи взаємодії з інтернет-речима.
9. Напрямки практичного застосування IoT.
10. Проблеми впровадження IoT.

1. Вступ

Інтерне́т рече́й (ІР) (англ. Internet of Things, IoT) — це мережа, що складається із взаємозв’язаних фізичних об’єктів (речей) або пристроїв, які мають вбудовані давачі, а також програмне забезпечення, що дозволяє здійснювати передачу і обмін даними між фізичним світом і комп’ютерними системами, за допомогою використання стандартних протоколів зв’язку. Крім давачів, мережа може мати виконавчі пристрої, вбудовані у фізичні об’єкти і пов’язані між собою через дротові і бездротові мережі. Ці взаємопов’язані об’єкти (речі) мають можливість зчитування та приведення в дію, функцію програмування та ідентифікації, а також дозволяють виключити необхідність участі людини, за рахунок використання інтелектуальних інтерфейсів. (Вікипедія)

Набуває поширення також термін англ. Internet of Everything, IoE — всеохопний, або всеосяжний інтернет.
Ідея Інтернету речей сама по собі дуже проста. У найзагальнішому вигляді Інтернет речей можна записати у вигляді такої символічної формули:

IoT = Сенсори (давачі) + Дані + Мережі + Послуги

Простіше кажучи, Інтернет речей – це глобальна мережа комп’ютерів, датчиків (Сенсорів) і виконавчих пристроїв (актюаторів), що зв’язуються між собою з використанням інтернет протоколу IP (Internet Protocol).
Наприклад, для вирішення певної задачі комп’ютер зв’язується через публічний інтернет з невеликим пристроєм, до якого підключений відповідний датчик (наприклад, температури) (розказати детально).
Очевидно, що при впровадженні Інтернету речей все наше повсякденне життя кардинально зміниться. Підуть в минуле пошуки потрібних речей, дефіцити товарів або їх перевиробництво, крадіжки автомобілів і мобільних телефонів, оскільки буде точно відомо, що, в якому місці і в якій кількості знаходиться, виробляється і споживається.
Якщо всі об’єкти (речі) будуть забезпечені мініатюрними радіомітками, то їх можна буде дистанційно ідентифікувати, а при наявності певного «інтелекту» – і управляти ними. За оцінками експертів компанії Cisco кількість об’єктів, які Інтернет речей зможе з’єднати між собою, буде співрозмірна з кількістю атомів на поверхні Землі.
Концепція IoT відіграє визначальну роль у подальшому розвитку інформаційно-комунікаційної галузі. Це підтверджується як позицією Міжнародного союзу електрозв’язку (МСЕ) і Європейського Союзу в даному питанні, так і включенням Інтернету речей в перелік проривних технологій в США, Китаї та інших країнах. І хоча на міжнародному рівні дана концепція вже набуває рис такої, що сформувалася технології, для неї ведуться активні роботи в області стандартизації архітектури, технічних компонентів, додатків.

1. Що таке Інтернет речей?

У зв’язку з бурхливим розвитком мереж з пакетною комутацією і перш за все Інтернету на початку 2000-х років світове телекомунікаційне співтовариство спочатку виробило, а потім і приступило до реалізації нової парадигми розвитку комунікацій – мереж наступного покоління NGN (Next Generation Networks). Технології NGN вже пройшли еволюційний шлях розвитку від гнучких комутаторів (Softswitch) до підсистем мультимедійної зв’язку IMS (IP Multimedia Subsystem) і бездротових мереж довготривалої еволюції LTE (Long Term Evolution). При цьому завжди передбачалося, що основними користувачами мереж NGN будуть люди і, отже, максимальне число абонентів в таких мережах завжди буде обмежене чисельністю населення планети Земля.
Однак останнім часом значного розвитку набули методи радіочастотної ідентифікації RFID (Radio Frequency IDentification), бездротові сенсорні мережі WSN (Wireless Sensor Network), комунікації малого радіусу дії NFC (Near Field Communication) і міжмашинної комунікації М2М (Machine-to-Machine), які, інтегруючись з інтернет, дозволяють забезпечити простий зв’язок різних технічних пристроїв («речей»), число яких може бути величезним. За розрахунками консалтингового підрозділу Cisco IBSG в проміжку між 2008 і 2009 роками кількість підключених до інтернету предметів перевищила кількість людей, до 2015 року кількість підключених пристроїв досягнула 25 мільярдів, а до 2020 року – 50 мільярдів.
Таким чином, в даний час відбувається еволюційний перехід від «Інтернету людей» до «Інтернету речей».
У загальному випадку під Інтернетом речей розуміється сукупність різноманітних приладів, датчиків, пристроїв, об’єднаних в мережу за допомогою будь-яких доступних каналів зв’язку, що використовують різні протоколи взаємодії між собою і єдиний протокол доступу до глобальної мережі. У ролі глобальної мережі для Інтернет-речей на даний час використовується мережа Інтернет. Спільним протоколом є IP.
Вважається, що першу в світі інтернет-річ створив один з творців протоколу TCP/IP Джон Ромкі в 1990 році, коли він підключив до мережі свій тостер. Але тільки в 21 столітті в зв’язку з бурхливим розвитком інформаційно-комунікаційних технологій сформувалася концепція IoT і отримала своє практичне втілення. Процес розвитку Інтернету речей проілюстрований технологічною дорожньою картою, наведеною на рис.. Усе почалося з необхідності оптимізації системи логістики та управління системою постачання підприємств. Друга хвиля інновацій була обумовлена необхідністю скорочення витрат в системах спостереження, безпеки, транспорту та ін. Третя була викликана потребою в геолокаційних сервісах. Четверта хвиля буде обумовлена необхідністю дистанційної присутності людини на місці де відбуваються події, що потребують її уваги, що стане можливим завдяки мініатюрним вбудованим процесорам. А наступним кроком буде можливість створення майбутніх мереж (Future Networks) з комірчастою топологією, що включають в себе мітки, датчики, засоби вимірювання і керуючі пристрої.

2. Базові принципи IoT

Інтернет речей грунтується на трьох базових принципах.
По-перше, повсюдно поширену комунікаційну інфраструктуру, по-друге, глобальну ідентифікацію кожного об’єкта і, по-третє, можливість кожного об’єкта відправляти і отримувати дані за допомогою персональної мережі або мережі Інтернет, до якої він підключений.

Найбільш важливими відмінностями Інтернету речей від існуючого інтернету людей є:

    • фокус на речах, а не на людині;
    • істотно більша кількість підключених об’єктів;
    • істотно менші розміри об’єктів і невисокі швидкості передачі даних;
    • фокус на зчитуванні інформації, а не на комунікаціях;
    • необхідність створення нової інфраструктури і альтернативних стандартів.

3. Стандартизація IoT

Концепція IoT і термін для неї вперше сформульовані засновником дослідницької групи Auto-ID при Массачусетському технологічному інституті Кевіном Ештоном в 1999 році на презентації для керівництва компанії Procter & Gamble. У презентації розповідалося про те, як всеосяжне впровадження радіочастотних міток RFID зможе видозмінити систему управління логістичними ланцюгами в корпорації.
Офіційне визначення Інтернету речей наведено в Рекомендації МСЕ-Т Y.2060, згідно з яким IoT – глобальна інфраструктура інформаційного суспільства, яка забезпечує передові послуги за рахунок організації зв’язку між речами (фізичними або віртуальними) на основі існуючих і таких, що розвиваються, сумісних інформаційних і комунікаційних технологій.

Слід розрізняти поняття «Інтернет речей» і «інтернет-річ». Під інтернет-річчю розуміється будь-який пристрій, який:

    • має доступ до мережі Інтернет з метою передачі або запиту будь-яких даних;
    • має конкретну адресу в глобальній мережі або ідентифікатор, за яким можна здійснити зворотний зв’язок з річчю;
    • має інтерфейс для взаємодії з користувачем.

Інтернет-речі мають єдиний протокол взаємодії, згідно з яким будь-який вузол мережі рівноправний в наданні своїх сервісів. На шляху переходу до втілення ідеї Інтернету речей стояла проблема, пов’язана з протоколом IPv4, ресурс вільних мережевих адрес якого вже практично вичерпав себе. Однак підготовка до повсюдного впровадження версії протоколу IPv6 дозволяє вирішити цю проблему і наближає ідею Інтернету речей до реальності.
Кожен вузол мережі інтернет-речей надає свій сервіс, надаючи якусь послугу поставки даних. У той же час вузол такої мережі може приймати команди від будь-якого іншого вузла. Це означає, що всі інтернет-речі можуть взаємодіяти одна з одною і вирішувати спільні обчислювальні завдання. Інтернет-речі можуть утворювати локальні мережі, об’єднанні якоюсь однією зоною обслуговування або функцією.
Питаннями стандартизації та практичного впровадження окремих складових Інтернету речей (М2М, RFID, всепроникні сенсорні мережі та ін.) Займаються багато міжнародних організації, неурядові асоціації, альянси виробників і операторів, партнерські проекти. В цілому для Інтернету речей, як нового напряму розвитку інформаційних комунікацій, в даний час визначені найзагальніші концептуальні і архітектурні рішення. Найближчим часом основною проблемою буде гармонізації різних стандартів з метою формування єдиної і несуперечливої нормативної бази для практичної реалізації Інтернету речей.
В рамках діяльності сектора стандартизації телекомунікацій Міжнародного союзу електрозв’язку (МСЕ-Т) є три глобальні ініціативи GSI (Global Standards Initiative). Під глобальної ініціативою розуміється комплекс робіт, виконуваних паралельно різними дослідницькими комісіями МСЕ відповідно до скоординованого плану роботи. Одна з таких ініціатив присвячена стандартизації Інтернету речей – IoT-GSI (Global Standards Initiative on Internet of Things). Дві інші глобальні ініціативи – по стандартизації мереж наступних поколінь NGN-GSI і систем телебачення на основі протоколу Інтернет IPTV-GSI – також базуються на використанні IP-технологій, як і IoT-GSI.

4. Архітектура IoT

Основною метою проекту Європейського інтеграційного проекту IoT-A (Internet of Things – Architecture), учасниками якого є різні компанії, є розробка еталонної архітектурної моделі Інтернету речей з описом основних складових компонентів, яка б дозволила інтегрувати різнорідні технології IoT в єдину взаємопов’язану архітектуру.
Функціональна модель IoT-A (рис. 5) дещо відрізняється від моделі МСЕ (див. Рис. 4), хоча вона теж є ієрархічною, але складається вже з семи горизонтальних рівнів, що доповнюються двома вертикальними (управління і безпека), які беруть участь у всіх процесах.
У моделі архітектури IoT-A фігурують два важливих поняття. Мережа з обмеженнями характеризується відносно низькими швидкостями передачі – менше 1 Мбіт (наприклад, стандарт IEEE 802.15.4) і досить високими затримками. Мережа без обмежень відповідно характеризується високими швидкостями передачі даних (десятки Мбіт / с і більше) і схожа на існуючу мережу Інтернет.

1. Рівень сенсорів і сенсорних мереж.
Найнижчий рівень архітектури IoT складається з «розумних» (smart) об’єктів, інтегрованих з сенсорами (датчиками). Сенсори реалізують з’єднання фізичного і віртуального (цифрового) світів, забезпечуючи збір та обробку інформації в реальному масштабі часу. Мініатюризація, яка призвела до зменшення фізичних розмірів апаратних сенсорів, дозволила інтегрувати їх безпосередньо в об’єкти фізичного світу. Існують різні типи сенсорів для відповідних цілей, наприклад, для вимірювання температури, тиску, швидкості руху, місця розташування та ін. Сенсори можуть мати невелику пам’ять, даючи можливість записувати кілька результатів вимірювань. Сенсор може вимірювати фізичні параметри контрольованого об’єкта / явища і перетворювати їх в сигнал, який може бути прийнятий відповідним пристроєм. Сенсори класифікуються відповідно до їх призначення, наприклад, сенсори навколишнього середовища, сенсори для тіла, сенсори для побутової техніки, сенсори для транспортних засобів і т.д.
Більшість сенсорів вимагає з’єднання з агрегатором сенсорів (шлюзом), які можуть бути реалізовані з використанням локальних обчислювальних мереж (LAN, Local Area Network), таких як Ethernet і Wi-Fi або персональних мереж (PAN, Personal Area Network), таких як ZigBee, Bluetooth і ультраширокополосного бездротового зв’язку на малих відстанях (UWB, Ultra-Wide Band). Для сенсорів, які не вимагають підключення до агрегатору, їх зв’язок з серверами / додатками може надаватися з використанням глобальних бездротових мереж WAN, таких як GSM, GPRS і LTE.
Сенсори, які характеризуються низьким енергоспоживанням і низькою швидкістю передачі даних, утворюють широко відомі бездротові сенсорні мережі (WSN, Wireless Sensor Network). WSN набирають все більшої популярності, оскільки вони можуть містити набагато більше сенсорів з підтримкою роботи від батарей і охоплюють великі площі.

2. Рівень шлюзів і мереж.

Великий обсяг даних, що створюються на першому рівні IoT численними мініатюрними сенсорами, вимагає надійної та високопродуктивної провідної або бездротової мережевої інфраструктури в якості транспортного середовища. існуючі мережі зв’язку, що використовують різні протоколи, можуть бути використані для підтримки міжмашинних комунікацій M2M і їх додатків. Для реалізації широкого спектру послуг і додатків в IoT необхідно забезпечити спільну роботу безлічі мереж різних технологій і протоколів доступу в гетерогенній конфігурації. Ці мережі повинні забезпечувати необхідні показники якості передачі інформації, і перш за все по затримці, пропускній спроможності і безпеці. Даний рівень складається з конвергентної мережевої інфраструктури, яка створюється шляхом інтеграції різнорідних мереж в єдину мережеву платформу. Конвергентний абстрактний мережевий рівень в IoT дозволяє через відповідні шлюзи декільком користувачам використовувати ресурси в однієї мережі незалежно і спільно без шкоди для конфіденційності, безпеки і продуктивності.

3. Сервісний рівень.

Сервісний рівень містить набір інформаційних послуг, покликаних автоматизувати технологічні і бізнес операції в IoT: підтримки операційної і бізнес діяльності (OSS / BSS, Operation Support System / Business Support System), різної аналітичної обробки інформації (статистичної, інтелектуального аналізу даних і текстів, прогностична аналітика і ін.), зберігання даних, забезпечення інформаційної безпеки, управління бізнес-правилами (BRM, Business Rule Management), управління бізнес-процесами (BPM, Business Process Management) і ін.

4. Рівень додатків.
На четвертому рівні архітектури IoT існують різні типи додатків для відповідних промислових секторів і сфер діяльності (енергетика, транспорт, торгівля, медицина, освіта та ін.). Додатки можуть бути «вертикальними», коли вони є специфічними для конкретної галузі промисловості, а також «Горизонтальними», (наприклад, управління автопарком, відстеження активів і ін.), які можуть використовуватися в різних секторах економіки.

5. Веб речей WoT

Складовою частиною Інтернету речей є Веб речей (WEB of Things, WoT), який забезпечує взаємодію різних інтелектуальних об’єктів ( «речей») з використанням стандартів і механізмів Інтернет, таких як уніфікований ідентифікатор ресурсу URI (Uniform Resource Identifier), протокол передачі гіпертексту HTTP (HyperText Transfer Protocol), стиль побудови архітектури розподіленого додатка REST (Representational State Transfer) та ін. Фактично WoT передбачає реалізацію концепції IoT на прикладному рівні з використанням вже існуючих архітектурних рішень, орієнтованих на розробку web-додатків.
Іншими словами дані з розумних речей або управління ними повинно бути доступно через WWW-сторінки.

Основні властивості WoT:
1. Використовує протокол HTTP в якості додатку, а не в якості транспортного механізму передачі даних, як він застосовується для традиційних WWW-послуг.

2. Забезпечує синхронну роботу інтелектуальних (смарт) об’єктів через прикладний програмний інтерфейс REST (також відомий як RESTful API) і в цілому відповідає ресурсно-орієнтованій архітектурі ROA (Resource-Oriented Architecture).

3. Надає асинхронний режим роботи інтелектуальних об’єктів з використанням в значній мірі стандартних Web-технологій, таких як Atom, містить формат для опису ресурсів на веб-сайтах і протокол для їх публікації, або Web-механізмів передачі даних, таких як модель роботи веб-додатку Comet, при якій постійне HTTP-з’єднання дозволяє веб-серверу відправляти дані браузеру без додаткового запиту з боку браузера.

6. Інтернет нано-речей

Нано-технології привели до розробки мініатюрних пристроїв, розміри яких варіюються від одного до декількох сотень нано-метрів. На цьому рівні нано-машини складаються з нано-компонентів і представляють собою окремі функціональні блоки, здатні виконувати прості вимірювальні, регулюючі або керуючі операції.
Координація та обмін інформацією між нано-пристроями дозволяють утворювати так звані нано-мережі. У разі з’єднання нано-пристроїв з існуючими мережами і Інтернетом виникає нова мережева парадигма, звана Інтернетом нано-речей.

Незалежно від сфери застосування, основними компонентами архітектури мережі Інтернету нано-речей є:
1. Нано-вузли – мініатюрні і найпростіші нано-пристрої. Дозволяють виконувати найпростіші розрахунки, мають обмежену пам’ять і обмежену дальність передачі сигналів. Прикладами нано-вузлів можуть бути біологічні нано-сенсори на людському тілі або всередині нього або нано-пристрої, вбудовані в повсякденні оточуючі нас речі – книги, годинник, ключі і т.д.

2. Нано-шлюзи – дані нано-пристрої мають відносно високу продуктивність в порівнянні з нано-вузлами і виконують функцію збору інформації від нано-вузлів. Крім того, нано-шлюзи можуть контролювати поведінку нано-вузлів шляхом виконання простих команд (вкл. / викл., режим сну, передати дані і т.д.).

3. Нано-мікро інтерфейси – пристрої, які збирають інформацію від нано-шлюзів, і передають її в зовнішні мережі. Дані пристрої включають в себе як нано-технології комунікацій, так і традиційні технології для передачі інформації в існуючі мережі.

4. Шлюз – пристрій, що здійснює контроль всієї нано-мережі через мережу Інтернет. Наприклад, у випадку мережі з сенсорами на тілі людини цю функцію може виконувати мобільний телефон, який транслює інформацію про необхідні показники в медичну установу.

7. Когнітивний інтернет речей CIoT

Інтернет речей є відкритою парадигмою, яка надзвичайно сприйнятлива і адаптивна для нових принципів і архітектур, що відносяться до різних напрямів розвитку науки і техніки. У зв’язку з цим надзвичайно плідним може бути використання в IoT принципів і методів когнітивностф (лат. cognitio, «пізнання, вивчення, усвідомлення») шляхом створення когнітивного Інтернету речей CIoT (Cognitive Internet of Things).

Когнітивність означає наявність у об’єкта IoT наступних загальних властивостей:

    • здатність до самоаналізу і реконфігурації з урахуванням наявного оточення, а також маючи на меті досягнення цілей, обумовлених виконуваними завданнями;
    • здатність адаптувати свій стан згідно з наявними умовами або подіями, на основі певних критеріїв і знань про попередні стани;
    • можливість динамічно змінювати свою топологію і / або експлуатаційні параметри відповідно до вимог конкретного користувача, коли це необхідно в рамках поточної політики обслуговування, оптимізації пропускної здатності мережі або інших показників;
    • самоконфігурація з наявністю розподіленого управління на основі правил;
    • можливість самостійного визначення свого поточного стану і, з урахуванням цього стану – планування своєї роботи, приймаючи певні рішення у відповідь на ситуацію, що склалася.
    Припускається, що на практиці когнітивні інтернет-речі зможуть:
    • використовувати технології отримання знань про своє операційне і географічне середовище, місцезнаходження, наприклад за допомогою стандартних технологій позиціонування GPS / ГЛОНАСС;
    • встановлювати самостійно або використовувати готові правила взаємодії між об’єктами (інтернет-речами);
    • динамічно і автономно коригувати свої операційні (робочі) параметри і протоколи відповідно до отриманих знань для досягнення заздалегідь визначених цілей, зокрема вибирати найбільш підходящу технологію передачі радіосигналу;
    • навчатися на основі досягнутих результатів з використанням кращих практик і найбільш ефективних політик для досягнення цілей створення IoT.

8. Способи взаємодії з інтернет-речами


Використовують 3 способи взаємодії з інтернет-речами:

1) прямий доступ;
2) доступ через шлюз;
3) доступ через сервер.
У разі прямого доступу інтернет-речі повинні мати власну IP-адресу або мережевий псевдонім, за яким до них можна звернутися з будь-якого клієнтського додатку і вони повинні виконувати функції веб-сервера. Інтерфейс з такими речами зазвичай виконаний у вигляді web-ресурсу з графічним інтерфейсом для управління за допомогою веб-браузера.
Якщо інтерент-речі не мають вбудованої підтримки протоколів IP і НТТР, а підтримують приватні протоколи, наприклад Bluetooth або ZigBee, то для взаємодії з ними можна використовувати спеціальний Інтернет-шлюз.
Третя форма взаємодії пристроїв в IoT через сервер має на увазі наявність посередника між інтернет-речами і користувачем і може бути реалізована за допомогою посередницької платформи даних. Даний підхід передбачає наявність централізованого сервера або групи серверів, в основні функції яких входить:

    • прийом повідомлень від інтернет-речей і передача їх користувачам;
    • зберігання прийнятої інформації і її обробка;
    • забезпечення призначеного для користувача інтерфейсу з можливістю двостороннього обміну між користувачем і інтернет-річчю.

Основною метою використання посередницьких платформ даних є спрощення пошуку, контролю, візуалізації і обміну даними з різними «речами». В основі даного підходу лежить централізоване сховище даних. Кожен пристрій, що має доступ в мережу Інтернет (прямий або через інтернет-шлюз), має бути зареєстрований в системі, перш ніж він зможе почати передачу даних. При цьому істотно знижуються вимоги до продуктивності пристроїв, так як від них не вимагається виконання функцій web-сервера. Набір інструментів, що надаються платформами, істотно спрощує розробку нових додатків для взаємодії і управління об’єктами WoT.

9. Напрямки практичного застосування IoT

На основі Інтернету речей можуть бути реалізовані всілякі «розумні» (smart) додатки в різних сферах діяльності і життя людини:
«Розумна планета» – людина зможе буквально «тримати руку на пульсі» планети: своєчасно реагувати на упущення в плануванні господарств, забруднення та інші екологічні проблеми, а значить, ефективно розпоряджатися невідновлюваними ресурсами.
«Розумне місто» – міська інфраструктура і супутні муніципальні послуги, такі як освіта, охорона здоров’я, громадська безпека, ЖКГ, стануть більше пов’язаними і ефективними.
«Розумний будинок» – система буде розпізнавати конкретні ситуації, що відбуваються в будинку, і реагувати на них відповідним чином, що забезпечить мешканцям безпеку, комфорт і ресурсозбереження.
«Розумна енергетика» – буде забезпечена надійна і якісна передача електричної енергії від джерела до приймача в потрібний час і в необхідній кількості.
«Розумний транспорт» – переміщення пасажирів з однієї точки простору в іншу стане зручнішим, швидшим і безпечнішим.
«Розумна медицина» – лікарі і пацієнти зможуть отримати віддалений доступ до дорогому медичного обладнання або до електронної історії хвороби в будь-якому місці, буде реалізована система віддаленого моніторингу здоров’я, автоматизована видача лікарських препаратів хворим і багато іншого.

10. Проблеми впровадження ІоТ


Проблеми інтеграції інтернету речей

Широкому впровадженню Інтернету речей перешкоджають складні технічні та організаційні проблеми, зокрема, пов’язані зі стандартизацією. Єдиних стандартів для інтернету речей поки немає, що ускладнює можливість інтеграції пропонованих на ринку рішень і багато в чому стримує появу нових. Найсильніше глобальному впровадженню перешкоджає розпливчастість формулювань концепції інтернету речей і велике число регуляторів і їх нормативних актів.

Презентація до лекційного матеріалу

Оставить ответ

Обязательные поля помечены*

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.