Сетевые технологии Интернета вещей / Блог компании Ericsson / Хабр

Сетевые технологии Интернета вещей / Блог компании Ericsson / Хабр Гаджет

Что такое i-iot

После появления парового двигателя в 1760 году пар использовался для снабжения энергией всего: от сельского хозяйства до текстильного производства. Это вызвало Первую промышленную революцию и эпоху механического производства. В конце 19-го века пришли электричество, новые способы организации труда и массовое производство, что положило начало Второй промышленной революции.

Во второй половине 20-го века разработка полупроводников и внедрение электронных контроллеров дали начало эпохе автоматизации и Третьей промышленной революции. На Ганноверской выставке 2021 года Хеннинг Кагерманн, Вольф-Дитер Лукас и Вольфганг Вальстер ввели термин Industry 4.0 для проекта обновления немецкой производственной системы с использованием возможностей новейших цифровых технологий.

Ожидается, что Industry 4.0 сможет воплотить следующее:

Основатель и президент Всемирного экономического форума Клаус Шваб считает, что самостоятельность четвёртой промышленной революции можно обосновать тремя факторами.

  • Темпы развития. В отличие от предыдущих, эта промышленная революция развивается не линейными, а скорее экспоненциальными темпами. Это является порождением многогранного, глубоко взаимозависимого мира, в котором мы живем, а также того факта, что новая технология сама синтезирует все более передовые и эффективные технологии.
  • Широта и глубина. Она основана на цифровой революции и сочетает разнообразные технологии, обусловливающие возникновение беспрецедентных изменений парадигм в экономике, бизнесе, социуме в каждой отдельной личности. Изменяется не только то, «что» и «как» мы делаем, но и то, «кем» мы являемся.
  • Системное воздействие. Эта революция предусматривает целостные внешние и внутренние преобразования всех систем во всех странах, компаниях, отраслях и обществе в целом.

По определению, IoT — это ключ к дальнейшему развитию промышленности, включая такие технологии, как анализ больших данных, облачные технологии, робототехника и, что наиболее важно, интеграция и конвергенция между IT и производством.

Термин I-IoT (Industrial internet of Things) относится к промышленному подмножеству IoT, представляющему собой цифровую трансформацию естественного бизнеса. I-IoT делает бизнес более гибким, более выгодным, понятным и создает новые цифровые цепочки ценности.

Традиционные производственные цепочки — это понятные последовательные этапы, например: разработка продукции, получение и поставка источников сырья, производство и обслуживание продукции. Суть новой цифровой трансформации в том, что вокруг некого цифрового ядра создается сервисная экосистема и новые бизнес-модели, придающие новые качества производству.

Ими могут быть снижение издержек между различными этапами подготовки производства, наладки и эксплуатации. Кроме того, связи между разными департаментами и этапами становятся быстрее, что дает возможность работать эффективнее и конкурентнее на рынке.

Ожидается, что I-IoT создаст большую ценность для бизнеса и окажет такое глубокое влияние на человеческое общество, что введет Четвертую промышленную революцию. Согласно Forbes:

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.

Edge реализации

Поставщики облачных решений и OEM(original equipment manufacturer) -производители разрабатывают различные решения на основе собственной операционной системы или предлагают независимые от облака комплекты разработки программного обеспечения (SDK).

Azure IoT Edge — это Edge решение, предложенное Microsoft для Azure IoT. Платформа поддерживает хранение и пересылку, Edge Analytics и несколько адаптеров для преобразования собственных или стандартных протоколов в интернет-протоколы. Azure IoT Edge также поддерживает OPC-сервер в своих реализациях: OPC Classic и OPC-UA. Обзор продукта:

Greengrass — это новое поколение IoT Edge от AWS. AWS предоставляет SDK для создания Edge AWS и расширяет облачные возможности для граничных устройств с Greengrass. Это позволяет устройствам выполнять действия локально, при этом все еще используя облако для управления, аналитики и постоянного хранения. Greengrass поддерживает OPC UA, и не поддерживает OPC Classic. Преимущества:

Google предоставляет SDK для Edge разработки. Он спонсирует Android как следующее поколение Edge устройств. Особенности платформы:

Это инструмент визуального программирования для интернета вещей, позволяющий подключать друг к другу устройства, API и онлайн-сервисы. Среда выполнения Node-RED разработана на базе Node.js и благодаря этому максимально использует его событийно-ориентированную, неблокирующую модель.

Особенности:

Особенности:

Project Flogo — это легковесная экосистема с открытым исходным кодом на основе Go для создания приложений, управляемых событиями. Триггеры и действия используются для обработки входящих событий. Интерфейс взаимодействия предоставляет ключевые возможности, такие как интеграция приложений, обработка потоков и т.д.

Eclipse Kura — это расширяемый IoT Edge Framework с открытым исходным кодом, основанный на Java / OSGi. Kura предлагает доступ API к аппаратным интерфейсам шлюзов IoT (последовательные порты, GPS, сторожевой таймер, GPIO, I2C и т. д.). Он включает в себя готовые к использованию полевые протоколы (включая Modbus, OPC-UA, S7), контейнер приложений и визуальное программирование на основе веб-интерфейса для получения данных, их обработки и публикации в облачные платформы.

EdgeX FoundryTM — это независимый от поставщика проект с открытым исходным кодом, поддерживаемый Linux Foundation, который создает общую открытую среду для граничных вычислений IoT. В основе проекта лежит инфраструктура взаимодействия, размещенная на полной аппаратно-ОС-независимой платформе эталонного программного обеспечения, позволяющей создать экосистему компонентов plug-and-play, которая объединяет рынок и ускоряет развертывание решений IoT.

Iot и i-iot – сходства и различия

  • Кибербезопасность является критически важной темой для любого цифрового решения, но его внедрение в промышленном мире требует особого внимания. Это связано с тем, что системы и устройства в промышленности имеют гораздо более длительный жизненный цикл и часто основаны на устаревших технологиях, которые не предназначены для подключения через Интернет. Часто они содержатся в изолированной локальной сети, защищенной от внешнего мира.
  • Очень важно, чтобы промышленные цифровые устройства продолжали работать, несмотря на кратковременные сбои в питании или сети; любое временное отключение может привести к большим экономическим потерям.
  • Решения I-IoT должны сосуществовать в среде со значительным количеством устройств и систем, выступающих в качестве источников данных.
  • Промышленные сети — это специализированные и детерминированные сети, поддерживающие десятки тысяч контроллеров, роботов и машин. Поэтому решения I-IoT, развернутые в этих сетях, должны беспрепятственно масштабировать десятки тысяч датчиков и устройств.
  • Физические объекты в индустриальном мире являются более сложными и имеют более широкий спектр типов по сравнению с бытовым потреблением.
  • В промышленном мире надежность, устойчивость и доступность являются ключевыми факторы. Юзабилити и пользовательский опыт, однако, не так актуальны, как в мире потребителей.
  • Промышленные системы часто перепрограммируются и реконфигурируются для поддержки новых процессов. Решения I-IoT должны поддерживать и обеспечивать одинаковую гибкость и адаптивность в условиях эксплуатации.
  • Интеллектуальная собственность является важной темой в индустриальном мире, часто является коммерческой тайной и защищена патентом.

Mqtt протокол

Издание-подписка (pub/sub), является способом отделить клиента, передающего сообщение от другого клиента, получающего сообщение. В отличие от модели клиент-сервер, клиенты не осведомлены о каких-либо физических идентификаторах, наподобие IP-адреса или порта.

Клиент, передающий сообщение, называется издателем; клиент, получающий сообщение, называется подписчиком. В центре находится брокер MQTT, который несет ответственность за соединение клиентов и фильтрацию данных. Такие фильтры обеспечивают:

  • фильтрацию по темам – по задумке, клиенты подписываются на темы и определенные ветви тем и не получают данных больше, чем хотят. Каждое опубликованное сообщение должно содержать тему, и брокер несет ответственность за повторную передачу этого сообщения подписчикам или игнорирование его;
  • фильтрацию по содержимому – брокеры имеют возможность проверять и фильтровать опубликованные данные. Таким образом, любые данные, которые не зашифрованы, могут управляться брокером до того, как сохранить их или передать другим клиентам;
  • фильтрацию по типу – клиент, прослушивающий поток данных, на которые он подписан, может также применять свои собственные фильтры. Входящие данные могут анализироваться, и в зависимости от этого поток данных обрабатывается далее или игнорируется.


В MQTT есть три уровня качества обслуживания:

На данный момент существует

Подробнее описание протокола можно

или в моей презентации:

В следующей статье я постараюсь на примере показать реализацию кастомной Edge I-IoT платформы используя Node-red в качестве Edge Gateway, Apache Kafka как диспетчер данных и временное хранилище, Kafka Streams – как Rule Engine, Mosquitto(возможна другая реализация) — как MQTT коннектор. Для хранения данных временных рядов будет использоваться технологии InfluxData.

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:

Гаджет:  Почему перестали работать гаджеты рабочего стола? | Обзор интернет провайдеров

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.

Opc classic (data access da)


В 1995 году различные компании решили создать рабочую группу для определения стандарта взаимодействия. Этими компаниями были: Fisher Rosemount, Intellution, Intuitive Technology, Opto22, Rockwell, Siemens AG.

Члены Microsoft также были приглашены для оказания необходимой поддержки. Задача рабочей группы состояла в том, чтобы определить стандарт доступа к информации в среде Windows на основе современных технологий того времени. Разработанная технология была названа Object Linking and Embedding (OLE) for Process Control (OPC). В августе 1996 года была определена первая версия OPC.

COM — это программная архитектура, разработанная Microsoft для создания компонентных приложений. В то время это позволяло программистам инкапсулировать повторно используемые фрагменты кода таким образом, чтобы другие приложения могли использовать их, не беспокоясь о деталях своей реализации.

COM-объекты могут быть заменены более новыми версиями, без необходимости переписывать приложения, которые их используют. DCOM — это сетевые версии COM. DCOM пытается скрыть от разработчиков программного обеспечения различия между COM-объектами, работающими на одном компьютере, и COM-объектами, работающими удаленно на другом компьютере.

Для этого все параметры должны быть переданы по значению. Это означает, что при вызове функции, предоставляемой объектом COM, вызывающая сторона должна передать связанные параметры по значению. С другой стороны, COM-объект будет отвечать вызывающей стороне, передавая результаты также по значению.

DCOM используют механизм RPC для прозрачной передачи и получения информации между COM-компонентами в одной сети. Механизм RPC был разработан Microsoft, чтобы позволить разработчикам системы запрашивать выполнение удаленных программ без необходимости разработки специальных процедур для сервера.

OPC Classic содержит ряд ограничений:

Opc ua

Первым ответом OPC Foundation на растущие ограничения, связанные с принятием архитектуры COM и DCOM, стала разработка OPC XML-DA. Это сохранило характеристики OPC, но приняло коммуникационную инфраструктуру, которая не связана ни с производителем, ни с конкретной программной платформой.

Поэтому был разработан протокол OPC UA с целью заменить все существующие версии на основе COM и преодолеть проблемы безопасности и производительности. Стандарт удовлетворяет потребность в независимых от платформы интерфейсах и позволяет создавать расширяемые модели данных для описания сложных систем без потери функциональности.

С технической точки зрения OPC UA работает следующим образом:

image

Opc ua с simatic s7-1500

Предварительные требования – должен быть установлен программный пакет Simatic TIA Portal V13 — 16.

Для выполнения симуляции контроллера с OPC сервером необходимо установить и настроить SIMATIC S7-PLCSIM Advanced версии 2 или 3. Я выполнял установку симулятора версии 3 на систему с имеющимся пакетом Simatic TIA Portal V14 SP1. Перед установкой инсталлятор уведомил о том, что PLCSIM V14 не совместим с SIMATIC S7-PLCSIM V3, и его необходимо удалить.

Я выполнил эти действия, после чего установка прошла успешно. В TIA Portal был создан тестовый проект с CPU 1512C-1 PN. Особенностью стало то, что выполнить имуляцию с помощью кнопки «Start simulation» стало невозможно, однако работает кнопка «Download to device» при работающем PLCSIM Advanced.

Для доступа по сети к симулятору необходим включить PLCSIM Virtual Eth. Adapter, для чего предварительно необходимо установить софт WinPcap. Далее идут стандартные настройки Ethernet сети.

Далее процесс заливки софта в PLCSIM Advanced аналогичен загрузке в стандартный симулятор за исключением описанного ранее.

В тестовом проекте TIA Portal были созданы блок данных DB1 с одним тегом “pressure”, а также назначен цифровой выход “Q0.1 Tag_2”.

Opc сервер

Ни один другой стандарт промышленных коммуникаций не получил такого широкого признания среди многих отраслей и производителей оборудования, как OPC. Он используется для объединения большого разнообразия промышленных и бизнес-систем. SCADA, системы обеспечения безопасности (SIS), программируемые логические контроллеры (PLC) и распределенные системы управления (DCS)

используют OPC для обмена данными друг с другом, а также с базами данных Historian, MES и ERP-системами. Причина успеха OPC очень проста — это единственный действительно универсальный интерфейс, который можно использовать для связи с различными промышленными устройствами и приложениями, независимо от производителя, программного обеспечения или протоколов, используемых в системе управления.

После появления стандарта ОРС практически все SCADA были перепроектированы как ОРС-клиенты, а каждый производитель аппаратного обеспечения стал снабжать свои контроллеры, модули ввода-вывода, интеллектуальные датчики и исполнительные устройства стандартным ОРС сервером.

Веб-клиент и связь с панелью

У модуля счетчика электроэнергии была единственная задача: несколько раз в минуту считывать показания с датчика тока и слать их на панель-базу. Изначально клиент подключался к жестко записанной Wi-Fi сети нашего дома, которая также была прописана у сервера.

После подключения к одной сети, клиент искал в сети ip сервера и устанавливал с ним связь. В ответ на это сервер пересылал клиенту свой список сохраненных Wi-Fi сетей. При последующем включении веб-клиента он сначала искал сервер в полученных от него Wi-Fi сетях, а уже затем, если у него не получилось найти его, пытался подключиться к нашей домашней сети.

После этапа инициализации начинался процесс передачи данных с датчика от клиента серверу.Я думаю, что к этому моменту многие читатели задались вопросом «а на кой черт тебе вообще возможность подключаться к другим сетям?». Ответ прост: с этим проектом я участвовал в конкурсе, и для демонстрации работы «ОПЭДИ» нужно было подключить и его, и модуль электроэнергии к Wi-Fi сети моего телефона.

Почему я просто не переписал захардкоженную Wi-Fi сеть на точку доступа телефона? Ну…

Главные проблемы и перспективы

Любые технологии как дают новые возможности, так и порождают различные проблемы. Если говорить про интернет вещей, то здесь есть несколько потенциальных угроз.

Слежка. Уже сейчас браузер буквально записывает каждый ваш шаг в сети и «грузит» контекстной рекламой. А теперь представьте, что крупные компании будут знать практически весь ваш распорядок дня: что вы едите, как много спите и даже во сколько завариваете кофе утром. Многих такая перспектива не радует.

Взлом устройств. В рамках одного умного дома это не так страшно, едва ли умный пылесос сможет вам навредить. Но если говорить о взломе коммунальных систем или автономных роботов на предприятии, то все может обернуться глобальной катастрофой.

Взаимодействие умных вещей. Искусственного интеллекта пока не существует, поэтому все устройства работают по ранее запрограммированному алгоритму. Да, есть определенная адаптивность, но сбой чаще всего приводит к отказу устройства или что еще хуже, неправильной работе. Последнее особенно опасно, когда имеется целая система из умных устройств.

Рост безработицы. Каждая автономная машина — это потенциально потерянные рабочие места. Уже сейчас существуют полностью автономные склады, где десятки погрузчиков перевозят целые стеллажи и заменяют большую часть персонала.  

*{padding:0;margin:0;overflow:hidden}html,body{height:100%}img,svg{position:absolute;width:100%;top:0;bottom:0;margin:auto}svg{left:calc(50% — 34px)}Сетевые технологии Интернета вещей / Блог компании Ericsson / Хабр» frameborder=»0″ allow=»accelerometer; autoplay; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture» allowfullscreen>

Несмотря на эти минусы, польза от интернета вещей будет колоссальной, как на уровне каждого отдельного пользователя, так и для государства в целом. Некоторые эксперты предсказывают, что переход к интернету вещей неизбежен,  разработка алгоритмов взаимодействия и стандартизация этой области — только вопрос времени.

Число носимой электроники активно растет, а нанотехнологии, гибкие экраны и новейшие процессоры позволят внедрить электронику буквально во что угодно, включая самого человека.

Датчик тока и мощности

В первоначальный состав модуля входила еще одна esp8266 на плате node-mcu и счетчик электроэнергии PZEM-004T.

image

Датчик тока PZEM-004T и катушка трансформатора

В катушку просовывается один провод с нагрузкой, который создает ток в трансформаторе, а уже этот ток измеряется датчиком. К силовой части платы подается 220В, а к другой половине платы подается 5В.

Просовывать провод нужно один, потому что если просунуть два, то разные фазы в проводах будут создавать противонаправленные магнитные поля, которые будут компенсировать друг друга, не позволяя таким образом возникнуть току в катушке.

Также большим плюсом данного датчика является возможность сразу считывать с него мощность, напряжение и суммарное энергопотребление (последним я не стал пользоваться, предпочтя самим реализовать расчет всей потребленной энергии).

Сообщение с esp8266 происходило через интерфейс UART по протоколу Modbus, и для получения данных я воспользовался библиотекой ModbusRtu.

Для первоначальных проверок мы просто обмотали изолентой 220В-ые контакты и склеили скотчем датчик вместе с esp8266. Через кольцо был просунут удлинитель, чтобы можно было удобно подключать и тестировать энергопотребление разных бытовых приборов. Так, к примеру, мы подключили к датчику тока воздушную печку, и сравнили номинальные показания мощности и полученные с датчика. Убедившись, что они сходятся, я начал писать код для веб-клиента.

Интернет вещей сегодня

Сфера применения практически неограниченная. Машины, даже самые простые, при должном уровне организации могут приносить огромную пользу. Давайте рассмотрим несколько уже реализованных примеров.

В нескольких крупных городах США компания BigBelly организовала систему из умных мусорных баков. Внутри каждого несколько датчиков, которые анализируют наполненность бака и передают информацию на «облако». На основе этой информации составляется оптимальный маршрут мусоровозов.

В итоге работники не тратят время и топливо на уборку тех точек, которые еще не наполнены, сохраняя ресурс техники. В будущем с развитием беспилотных машин разработчики хотят сделать полностью автономными даже мусороуборочные автомобили, исключив человека из процесса.

Самая популярная система и ярчайший пример концепции Интернета вещей — умный дом. О нем мы написали уже немало полезных материалов. В нем практически все устройства имеют доступ к сети и возможность удаленного управления. На рынке представлены несколько крупных компаний, которые «под ключ» готовы превратить ваше жилище в умный дом. В их числе Control4, FIBARO, Wulian Smart Home и другие.

Конечно, удовольствие это дорогое, поэтому можно превращать свой дом в «умный» поэтапно, например, покупкой различных вещей. Огромный выбор предлагает, например, Xiaomi: умный пылесос, очиститель воздуха, индукционная плита, умные лампочки и розетки.

*{padding:0;margin:0;overflow:hidden}html,body{height:100%}img,svg{position:absolute;width:100%;top:0;bottom:0;margin:auto}svg{left:calc(50% — 34px)}Сетевые технологии Интернета вещей / Блог компании Ericsson / Хабр» frameborder=»0″ allow=»accelerometer; autoplay; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture» allowfullscreen>

Совсем недавно компания «Мегафон» предложила мониторинг состояния здоровья пациентов на базе интернета вещей. В медицинскую технику будет встраиваться SIM-карта, через которую врачи смогут удаленно получать информацию о состоянии здоровья человека. Пациентам с гипертонией такая технология может спасти жизнь.

Гаджет:  Что такое сигвей: описание с фото, назначение, технические характеристики и эксплуатация -

Более того, интернет вещей позволит удаленно проводить операции. Например, в Калифорнийском университете уже разработали систему под названием Raven II, с помощью которой врач может удаленно проводить самые разнообразные операции.

Как появился iot?

Интернет — вещей (IoT), как технология, своему появлению обязана имплементации технологии радиочастотного обмена между устройствами,  способными коммуницировать в общей сети.

Впервые презентация этой инновационной технологии была произведена в 1999 году в Массачусетском университете для фармацевтической компании «Проктер энд Гэмбл». Основная цель такой презентации была доказать эффективность использования радиочастотных меток в системах складской и торговой логистики.

Для такого крупнейшего производителя потребительской косметики подобная схема управления логистикой была одним из способов получения конкурентного преимущества на рынке. В качестве радиочастотного спектра предусматривалось использование не только диапазона частот ВЧ и СВЧ, но и излучений инфракрасно спектра.

Позднее для IoT была разработана унифицированная технология RFID.Базовой платформой коммуникации стал высокоскоростной интернет (3G и 4G), с помощью которого можно комбинировать сети любой сложности, где участвуют устройства различной конфигурации и назначения.

Как работает интернет вещей?

О том, что IoT прочно входит в нашу повседневную жизнь можно признать состоявшимся фактом. Как показывает статистика, на текущий момент объем рынка услуг IoT составляет 600 млрд. долларов. Количество подключенных к  сети Интернета  различных устройств, сопряженных с ИВ составляет 8.4 млрд. единиц, превысив население Земли.

Но эти цифры хоть и дают представление о рынке IoT, все же не объясняют как работает IoT.В качестве наглядного примера того, как в действительности работает ИВ, в чем смысл его существования, можно привести несложную сеть. Например, в рамках концепции проекта «Умный дом».

Холодильник собирает, агрегирует и обрабатывает всю информацию, относящуюся к продуктам питания обитателей  дома. Сюда относится отслеживание времени пополнения запасов, вплоть до производства соответствующих заказов в интернет магазинах или супермаркетах. Смарт –холодильник выполняет последовательно функции:

  • сканирование информации по поступающим продуктам – вес, качество, сроки годности, цены, которые есть на маркированных упаковках.
  • следит за расходованием продуктов, исходя из количества членов семьи, объема, периодичности потребления тех ли иных продуктов. Он может принимать в расчет физиологические нормы – жирность, калорийность, наличие белков, сахара и т.п.
  • по мере снижения уровня запасов продуктов, сигнализирует через приложение на смартфон владельцу о том, что необходимо закупить продукты, в каком количестве и где это лучше всего сделать.
  • вполне возможна опция, что холодильник сам через интернет осуществляет заказы в супермаркете по выгодным ценам, Например, он отслеживает конъектуру цен по специальным приложениям или сайтам — агрегаторам типа «Агро 24», где происходит мониторинг цен по всем торговым сетям страны.
  • получая от кофеварки и микроволновой печи данные о том, как часто варится кофе, какого сорта, что разогревается в микроволновке на завтраки, холодильник производит обработку этой информации. Затем он включает в свой пакет заказов и продукты, которые готовятся на этих двух домашних приборах.

Это самый простой алгоритм работы IoT в домашних условиях. Если его расширить дальше, то сформированная смарт —  холодильником информация в виде заказа продуктов, может быть передана в службу курьерской доставки. Продукты будут доставлены по адресу, либо дроном, либо беспилотным автомобилем.

И еще один немаловажный момент. Для того чтобы вся эта система полноценно работала, кроме датчиков, сенсоров, соответствующих приложений и ПО, необходима система оплаты услуг, которые предоставляются через IoT. Это может быть обычный формат электронных денег, списываемых с банковских карточек.

Как это работает

Для связи электроники используются разные протоколы и технологии:

  • Сетевое подключение. Классический способ для ПК, серверов, принтеров и некоторых других устройств. Обеспечивает самую высокую скорость передачи данных, но не позволяет технике быть мобильной.
  • 3G/4G/5G. Зона покрытия мобильными сетями охватывает все крупные города планеты и большую часть других населенных пунктов. Например, 5G способна обеспечить скорость до 1-2 Гбит/с, что практически не уступает проводному соединению.
  • Wi-Fi, Bluetooth, Wi-Max и аналоги. Передача данных на небольшом расстоянии — в квартире, доме, офисе. Позволяют мелкой технике беспроводным путем подключаться к сети.
  • NFC, RFID и тому подобное. Radio Frequency Identification — автоматическая идентификация объектов. Данные, хранящиеся в RFID-метках, считываются или записываются посредством радиосигналов. Визуально метки выглядят как небольшие ярлычки, прикрепляемые к вещам.
  • Спутниковый Интернет. С запуском сети Starlink и ее аналогов этот способ коммуникации вещей может стать одним из главных, особенно в удаленных регионах, где нет покрытия мобильной сети.

Благодаря всем вышеописанным  технологиям «умные вещи» могут взаимодействовать как на уровне отдельной комнаты, так и в масштабах целого города или даже планеты.

Интернет-вещи генерируют информацию, используя всевозможные сенсоры или датчики. Данные передаются во встроенные контроллеры, микропроцессоры, которые их обрабатывают и посредством проводных или беспроводных сетей передают далее. В облачных хранилищах или других информационных центрах собранная информация обрабатывается и выполняется удаленный контроль.

На самом деле все достаточно просто. Представьте себе тот самый первый «интернет-тостер». С мобильного телефона прямо из транспорта вы даете команду на запуск. Она «по воздуху» передается на сервер, а оттуда поступает на управляющее устройство в доме.

А теперь вообразите все это в еще больших масштабах. С телефона или бортового компьютера авто можно управлять освещением дома, заставить микроволновку разогреть еду, включить воду для ванной, активировать кондиционер.

Дело не ограничивается комфортом для одного пользователя — интернет вещей позволяет вести мониторинг транспорта, всевозможных товаров, вести практически автономное строительство и другое. Многие проекты существуют не только на бумаге.

Концепция и история интернета вещей

Появление концепции предсказывал еще Никола Тесла в 1926 году. Он утверждал, что радио будет усовершенствовано и станет «большим мозгом», а другие мелкие инструменты смогут к нему подключаться и с легкостью поместятся в кармане пиджака.

Собственно, что и получилось: с помощью интернета миллионы компьютеров связаны в единую сеть, а «мелкими инструментами» стали обычные смартфоны или планшеты.

Объяснений термина «интернет вещей» достаточно много. Все они различаются трактовкой, но можно выделить общую часть.

Интернет вещей  (Internet of Thing, IoT) — это глобальная вычислительная сеть, объединяющая в себе различного рода физические объекты, способные взаимодействовать между собой и внешним миром. 

Ключевая особенность — в сети будут участвовать не только компьютеры, смартфоны и иные достаточно мощные вычислительные устройства, а практически любые вещи.

Первую «интернет-вещь» в 1990 году создал Джон Ромки, один из основателей и разработчиков протокола TCP/IP. Джон подключил к компьютеру обычный тостер, а также научил кухонный прибор запускаться и отключаться с помощью компьютерных команд Get и Set. Управление тостером выполнялась удаленно, а также можно было запрограммировать его автономную работу.

Сам термин впервые появился только в 1999 году, но вплоть до 2021-го каких-то инноваций относительно интернета вещей мир так и не увидел. Это не удивительно, вычислительной мощностью и соответствующими интерфейсами для подключения к интернету обладали только серверы, ПК, ноутбуки и смартфоны.

Однако с развитием беспроводных технологий, удешевлением производства микросхем и повсеместной глобализацией к концепции интернета вещей стали прибегать чаще. Все большую популярность стали набирать микропроцессоры ARM с повышенной энергоэффективностью по сравнению с десктопными моделями.

В 2009 году произошло еще одно важное событие — число устройств, подключенных к глобальной сети, превысило население планеты. И число таких «вещей» будет только расти, ведь электроника начинает встраиваться практически во все. К 2020 году число «умных вещей» приблизилось к  50 миллиардам, и в их числе светильники, микроволновки, холодильники, кондиционеры и не только.

И что самое главное, крупные компании начали реализовывать в жизнь уже конкретные проекты.

Модель получения данных в opc classic


Цели стандарта OPC Classic заключаются в следующем:

По сути, стандарт OPC Classic работает следующим образом.

Сервер управляет всеми доступными данными:

отправляет запросы на данные, поступающие от устройств по требованию, и регулярно обновляет внутренний кэш. Сервер инициализирует и управляет кэшем для каждой группы переменных, запрошенных клиентом OPC. Частота сканирования на стороне клиента OPC не может быть меньше частоты сканирования OPC сервера для сбора данных с устройств и обновления своего внутреннего кэша.

Рекомендуется настроить клиент OPC для чтения из кэша и его на обновление с удвоенной скоростью, по сравнению с которой сервер OPC сканирует устройства. Каждая часть обмениваемых данных имеет свое значение, обозначенное своей отметкой времени и качеством.

Обмен данными включает в себя чтение, запись и автоматическое обновление при изменении значений. Чтение или опрос выполняется OPC-клиентом, который регулярно отправляет запросы на данные группы. Этап записи может быть синхронным или асинхронным. Автоматические обновления использует частоту запросов, предоставленную клиентом OPC.

Сервер OPC для каждого обновления проверяет, больше ли абсолютное значение кэшированного значения минус текущее значение, чем мертвая зона, указанная клиентом, умноженная на диапазон, настроенный для этой переменной. Это можно записать следующим образом:

if (abs(last_cached_value – current_value) > (PERCENT_DEAD_BAND/100) * range) {
//cache is updated, and the client is notified through a callback mechanism 
}


Информация с сервера OPC организована в группы связанных элементов для повышения эффективности. Есть два разных типа групп:

Наглядное объяснение

Ниже представлен схематический рисунок, иллюстрирующий принцип работы панели.

Сетевые технологии Интернета вещей / Блог компании Ericsson / Хабр
Принципиальная схема устройства

Таким образом внутри расположено 4х7х5 (=140) 3 = 143 светодиода. 140 из них используются для отображения полезной информации и ещё 3 используются для индикация текущего отображаемого параметра: электроэнергии, температуры или уровня CO2.

Красная кнопка слева снизу переключает отображаемые параметры, а две кнопки снизу используются для перехода на следующий или предыдущий месяцы. Памяти у устройства хватает на хранение данных в течении 1 года, после чего старые данные начинают перезаписываться новыми.

Данные энергопотребления сообщаются с помощью модуля — веб-клиента в виде отдельной node-mcu, к которой подключен датчик тока PZEM-004T. Он вмонтирован в электрощиток нашей квартиры.

image

Смонтированный модуль счетчика электроэнергии

Обмен данными opc ua

Самый простой способ обмена данными между клиентом OPC UA и сервером — использовать службы чтения и записи. Сервисы чтения и записи оптимизированы для передачи группы данных, а не одного фрагмента или нескольких значений. Они позволяют читать и записывать либо значения, либо атрибуты узлов. Сервис чтения имеет следующие параметры:

  • maxAge: это максимальное время, необходимое для получения значений. Это указывается клиентом. Этот параметр заставляет сервер обращаться к устройству (например, к датчику), если копия в его кэше старше, чем maxAge, настроенный клиентом. Если maxAge ноль, то сервер должен предоставить текущее значение, всегда считывая его непосредственно с устройства;
  • тип отметок времени — в OPC UA их два: отметка времени источника и отметка времени сервера. Исходная временная метка — поступает от устройства, а серверная временная метка — поступает из операционной системы, на которой работает сервер OPC UA.
Гаджет:  EMZ Brawl Stars: как выглядит, история, как получить, выбить бесплатно, играть бравлером против всех, когда выпадает, скины, пассивки, фото из игры, выпадение видео, гаджет, красивые арты

Список узлов и атрибутов выглядит следующим образом:

Подключение датчика

image

Датчик воздуха HDC-1080Для получениях данных с этого датчика я воспользовался этой библиотекой от Adafruit.

И хотя на самом деле этот датчик не имеет сенсоров углекислого газа, он обладает встроенной формулой высчитывания примерного уровня CO2 на основе температуры и уровня TVOC. В конечном итоге я решил использовать функцию getTVOC() вместо geteCO2() и отображать уровень летучих органических веществ на панели и на сайте.

Данные с датчика считывались каждые 10 секунд и суммировались. По прошествию 6 часов рассчитывалось среднее арифметическое – оно и записывалось в память.

Проблемы и уязвимости интернета вещей

Интернет вещей — это общая концепция бесконтактной связи и взаимодействия различных технических систем. Эти инновационные схемы, начиная от форматов «Умный дом» и заканчивая беспилотными автомобилями, позволяют сформировать уникальное жизненное пространство, где человек освобождается от выполнения множества рутинных задач. Многие жизненно важные функции передаются фактически под контроль машин.

Однако есть ряд проблем информационной безопасности IoT. Эти проблемы были освещены в специальном докладе, сделанном Национальном разведывательным Советом США. В этом документе были обозначены критические точки уязвимости IoT и подобных ему интеллектуальных систем (Доклад по теме «Disruptive Civil Technologies» 2008 г.). В частности это такие риски как:

  • компрометация конфиденциальности систем коммуникаций используемых в IoT. Например, сенсорные датчики, используемые в схеме «Умный дом». Это приложения геолокации, вмонтированные в мобильные гаджеты. Устройства видеофиксации в автомобиле. Все они могут быть использованы третьей стороной. Это может быть несанкционированное считывание информации, получение данных о местонахождении пользователя или объекта.
  • системы защиты информационных каналов IoT предусматривают протокол авторизации. Это протокол сложен, из — за конфигурации используемых криптографических ключей. Кроме того, иногда авторизация может быть невозможна в принципе, так как сенсорные датчики ИВ имеют только одностороннюю связь.
  • уязвимость, связанная с использованием программного обеспечения (ПО), начиная с этапа его разработки и заканчивая дальнейшим распространением среди клиентов.
  • IoT предусматривает создание сетей, работающих по принципу М2М т.е. «машина –машина». Увеличение сложности таких сетей неизбежно увеличивает риски (в геометрической прогрессии) некорректного функционирования. Они напрямую не могут быть предотвращены человеком или оператором.

Насколько важна проблема информационной безопасности IoT, как системы, доказывает относительно недавний факт. IT — компания «Proofpoint» выявила факт несанкционированного доступа к своим информационным базам данных. Фишинговая атака была осуществлена не хакерами, а ботнетом.

Производственные сети

В интегрированной производственной системе требуются различные типы сетей связи, каждая из которых предназначена для определенных задач

Полевые сети были введены для сопряжения контроллеров, датчиков и исполнительных механизмов, уменьшая потребность в сложной проводке. В полевой шине датчики и исполнительные механизмы оснащены минимальным набором обработки, чтобы обеспечить передачу информации детерминированным способом.

Сеть котроллеров должна обеспечивать связь между узлами PLC. Передача данных должна происходить в определенные интервалы времени. Сети управления и полевые шины также часто называют сетями реального времени за счет определенных временных промежутков при передаче данных и информации.

Корпоративная сеть — это сеть, расположенная между системами управления и системами планирования и менеджмента. Этот уровень сети должен гарантировать обработку сложной информации, но в меньших промежутках времени. Поэтому нет необходимости в жестких временных рамках для этого уровня сети.

Развитие беспроводных сенсорных сетей

Интернет вещей – строится на базе разветвленной сети различных устройств, сенсорных датчиков и других приборов, считывающих, фиксирующих определенные физические параметры. Изначально вся концепция IoT строилась на использовании технологии радиочастотной идентификации (англ. Radio Frequency Identification; RFID) и беспроводной сенсорной сети (БСС),

Эта распределенная сеть предусматривает использование одного или нескольких радиочастотных каналов. Через каналы связи, объединенные в сеть устройства, взаимодействуют друг с другом. Площадь покрытия таких локальных сетей может составлять от нескольких десятков метров до нескольких квадратных километров.

Основным радиочастотным каналом, которой будет использован в IoT, является диапазон частот от 3 до 3.9 ГГц. Этот диапазон частот выбран не случайно. Он сопрягается с частотами, на которых, как предполагается, будет работать спутниковый сегмент широкополосного Интернета (проекты One Web или Sky Link).

Все устройства IoT используют технологию RFID, работая по принципу обнаружения и идентификации специальных электронных меток или маркеров (транспондеров). Т.е. система в чем — то аналогична той, что используется в военной авиации — «свой — чужой».

Опознанные как свои устройства объединяются в единую информационную сеть и выполняют те или иные задачи. Например, электронные метки на продуктах, устанавливаемые в магазинах, помогают в дальнейшем смарт – холодильникам реализовать программу управления запасами продовольствия в конкретном доме.

Сборка модуля счетчика электроэнергии

Предпоследним этапом была сборка модуля электроэнергии. Так как для питания node-mcu и мозговой части датчика тока требовалось 5В, а в щитке было только 220В, в схему был добавлен блок питания на 5В от зарядного устройства телефона.

Я заказал на этом сайте несколько пластиковых корпусов, закрепляемых на DIN-рейке. Выбрав подходящий по размерам, я спаял схему на плате самого корпуса. Получилось следующим образом:

image

Где:1 — Блок питания на 5В от зарядного устройства2 — PZEM-004T3 — node-mcu (находится под PZEM-004T)

Для проверки состояния датчика тока, решил просто передать свет от светодиода наружу, для этого просверлил отверстие в корпусе, к которому с внутренней стороны крепился кусок оргстекла. Другой конец оргстекла находился над светодиодом датчика.

С установкой этого модуля в электрощиток мне помогал папа. Мы обесточили нашу квартиру, отключили фазный провод, и пропустили его через кольцо. Затем подключили два провода, питающие непосредственно сам модуль, к открытым разъемам 220В, подключенным после счетчика.

Включив питание, мы убедились, что модуль успешно посылает показания с датчика на панель.

Сборка панели

Было принято решение собирать корпус панели из ПВХ, на которую будут клеиться все остальные детали и части электросхемы. После разметки корпуса я начал клеить полоски светодиодной ленты, параллельно очищая у них контакты.

image

Процесс размещения светодиодных полосЗатем я занялся пайкой всех компонентов. Справа сверху был установлен датчик качества воздуха и температуры HDC1080, там же снизу были расположены мозги: микроконтроллер esp8266 на плате node-mcu.

image

Вместо синей изоленты и скотча море термоклея

Управление светодиодной лентой

Из-за того что светодиодные полосы были соединены друг с другом зигзагообразным образом, перво-наперво требовалось придумать алгоритм заполнения значений для светодиода по координатам x и y.

image

Я написал функцию, реализующую придуманный мной алгоритм.

Код получился следующим:

GetPosition(int x, int y) {
   int n;
   if (x % 2 == 0) {               //Здесь происходит проверка
      n = weekSize - y;            //направления столбика:
   } else {                        //снизу-вверх или наоборот.
      n = y   1;                   //Если направление снизу-вверх
   }                               //то позиция равна высоте столбика
                                   //минус y, иначе просто y   1

                                   //Затем прибавляются все дни
   return n   weekSize * x;        //из предыдущих столбиков
}

Где weekSize является количеством дней в неделе и равно 7.Для проверки я заполнял все 143 светодиода случайной яркостью.На этом настройка светодиодной панели по большей части подошла к концу. Оставалось только получить данные с датчиков и обработать их.

Но прежде я решил поднять веб-сервер, так как это казалось проще.

Уровень 2 — rtu, микроконтроллеры, cnc, plc и dcs

  • Удаленный терминал (Remote terminal unit RTU) — это электронное устройство, управляемое микропроцессором. Он служит интерфейсом для датчиков, исполнительных механизмов и интеллектуальных устройств, передавая данные и получая командные сообщения от главной системы. Удаленный терминал в основном используется для централизации ввода и вывода от датчиков и исполнительных механизмов, уменьшая сложность кабельной проводки.
  • Микроконтроллер (Embedded controller), как правило, представляет собой один чип или плату, которая включает в себя все необходимые компоненты для выполнения необходимых задач управления. Они обычно предназначены для конкретного применения и построены на основе определенной архитектуре выбранного производителя.
  • Контроллеры с числовым программным управлением ЧПУ (CNC) – электронное устройство, предназначенное для управления станками. Движения и функции станков с ЧПУ предопределены и устанавливаются с помощью специального программного обеспечения. Они используются для выполнения высокоточной обработки, которая требует длительного времени без какого-либо взаимодействия с внешней средой.
  • PLC — это промышленный контроллер, предназначенный для управления производственными процессами. PLC выполняет программу циклически, обрабатывая сигналы, поступающие в качестве входных сигналов от датчиков и переключателей, и отправляя выходные значения в исполнительные механизмы для управления физическим процессом. Чтение входных данных, их обработка, а также запись выходных данных происходит в течение предварительно определенного максимального времени, называемого циклом сканирования. Обычно он занимает от 10 до 100 миллисекунд.
  • DCS обычно используются в непрерывных процессах, таких как нефтеперерабатывающие, энергетические или химические заводы. Они объединяют как функцию управления, реализованную в PLC, так и функцию системы диспетчерского контроля (SCADA). В то время как PLC и SCADA являются двумя отдельными системами, каждая из которых имеет свои собственные адресные пространства, в DCS эти системы используют одни и те же переменные и структуры данных

Файловая система

Устройству предстояло хранить множество выборок значений с датчиков за определенное время. Поэтому я решил создать следующую структуру как ключевую единицу полезной информации:

typedef struct TLogData {
  uint32_t TimeStamp = 0;
  uint32_t Power = 0;
  uint16_t CarbonDioxide = 0;
  uint16_t Temperature = 0;
}

Она хранит в себе значения уровня энергопотребления, CO2 (который затем стал TVOC), температуры и времени выборки, для которой было рассчитано среднее арифметическое показаний с датчиков за 6 часов.

Одна выборка данных весила 12 байт, и для хранения данных за 1 год потребуется 17.1 Кб. Когда же память будет заполнена, то очередная выборка данных перезапишет самый первый день, затем следующая перезапишет 2 и т. д. Таким образом в файловой системе реализован кольцевой буфер.

Сквозь кровь и пот и целое море «Исключений №28» была налажена работа файловой системы и реализованы загрузка и сохранение данных.

Когда основные функции главного устройства были доделаны, началась работа над его клиентом – модулем счетчика электроэнергии.

Оцените статью
GadgetManiac
Добавить комментарий