Что такое iot устройства
Что такое интернет вещей?
Как устроен интернет вещей?
Интернет вещей (IoT) объединяет устройства в компьютерную сеть и позволяет им собирать, анализировать, обрабатывать и передавать данные другим объектам через программное обеспечение, приложения или технические устройства
IoT-устройства функционируют самостоятельно, хотя люди могут настраивать их или предоставлять доступ к данным. IoT-системы работают в режиме реального времени и обычно состоят из сети умных устройств и облачной платформы, к которой они подключены с помощью WiFi, Bluetooth или других видов связи.
Что происходит, когда температура оказывается слишком высокой или в доме появился грабитель? Система оповещает об этом пользователя или сама выполняет дальнейшие действия — например, включает кондиционер или звонит в полицию.
Сначала устройства собирают данные — например, о температуре в квартире или частоте сердцебиения пользователя, затем эти данные отправляются в облако. Там программное обеспечение обрабатывает их, причем интернет вещей неразрывно связан с Big Data, отмечает в подкасте РБК Трендов Александр Сурков, менеджер по развитию IoT «Яндекс.Облака».
Из чего состоит интернет вещей?
Помимо Big Data для работы интернета вещей также важны аналитика, соединения, устройства и опыт. Для простоты этот принцип представляют как ABCDE: Analytics, BigData, Connection, Devices, Experience.
Где используют интернет вещей?
IoT позволяет компаниям автоматизировать процессы и снижать трудозатраты. Это сокращает объем отходов, улучшает качество предоставляемых услуг, удешевляет процесс производства и логистику.
«С IoT можно столкнуться практически во всех сферах: начиная от контекстной рекламы, которая подсказывает пользователю, где можно пообедать или заправиться в зависимости от текущей геолокации, и заканчивая доставкой еды или покупкой автомобиля», — рассказал РБК Трендам технический директор IoT-системы прогностики ПРАНА Максим Липатов.
По данным исследования IoT Analytics [1], в 2020 году самый высокий уровень проникновения технологии IoT наблюдался в транспорте, энергетике, ретейле, управлении жизнью города, здравоохранении и промышленности.
Чем IoT полезен человеку?
Интернет вещей у многих ассоциируется с «умным» домом. Благодаря технологиям и устройствам, разработанным компаниями Google, «Яндекс», Amazon, Apple и другими, пользователи могут совершать онлайн-покупки, регулировать температуру в комнате, включать свет и музыку, отдавая голосовые команды виртуальным помощникам.
Вам больше не надо опасаться, что вы забыли выключить утюг или кран — достаточно нажать кнопку в смартфоне, и «умный» дом все исправит. А можно и не нажимать, ведь дом настолько умный, что сам приведет все в порядок, а владельцу отправит уведомление по итогу. Система наблюдения с помощью компьютерного зрения распознает всех, кто проходит мимо вашей квартиры, и сравнит изображения с базой полиции.
Сегодня «умный» дом в России — это в основном интеллектуальный помощник «Яндекса» «Алиса», которая включает музыку, ищет информацию в интернете, советует фильмы, регулирует освещение и температуру в доме, включает чайник.
Американская компания Qualcomm также предлагает систему, которая сделает любой дом «умнее». Она позволяет удаленно следить за обстановкой в доме, сообщает о появлении шума, с ее помощью можно раздавать указания роботу-пылесосу и другим подключенным устройствам, а также открывать двери по системе распознавания лиц.
Есть ли недостатки у интернета вещей?
Основная проблема, с которой связано развитие IoT, — безопасность. Киберпреступники постоянно пытаются взламывать устройства удаленного наблюдения за пациентами, базы данных с информацией о здоровье людей, интеллектуальные системы управления автомобилем, совершают фишинговые атаки, подгружают вирусы на взломанные устройства и даже совершают целые диверсии на производствах. Поэтому участникам рынка IoT-рынка надо учиться защищать свои системы.
Еще одна сложность интернета вещей — возможная несовместимость программного обеспечения разных устройств разных производителей, объединенных в единую систему. Такая ситуация может возникнуть, когда разработчики выпускают обновление ПО для своего устройства и не проверяют его совместимость со старыми версиями ПО других связанных устройств. Для устранения неполадок придется связываться с другими компаниями-разработчиками и просить их вносить изменения в свое ПО для корректной работы всей системы IoT.
Подключение все большего количества устройств к интернету неизбежно приведет к потере рабочих мест. Например, IoT-системы заменят часть специалистов по техобслуживанию, ремонту и установке оборудования. Кроме того, сегодня правовые аспекты внедрения интернета вещей достаточно расплывчаты.
Проблемы внедрения IoT
Максим Липатов разделяет проблемы при внедрении интернета вещей на технологические и кадровые:
«Мнение о том, что внедрение хайповых технологий вроде Big Data или Data Science станет панацеей от всех бед, ошибочно, — добавляет Липатов. — Организации нужно начать с переосмысления бизнес-процессов и определения инструментов цифровизации, а для этого нужна экспертиза. Возможно, подходящим решением станет именно прогностика на основе IoT. Она способна предотвратить чрезмерный расход ресурсов и отклонения в техническом состоянии оборудования, а также продлить его жизненный цикл. Все это снижает риски внезапной остановки производства из-за неисправностей, а значит, исключает прямые финансовые потери».
Прогностика — последний на сегодняшний день этап эволюции промышленного интернета вещей. Она подразумевает не просто сбор данных с единиц оборудования, а локальную систему с распределенной сетью, в которой информация из разных источников поступает в одно хранилище, где обрабатывается и отправляется обслуживающему устройства персоналу.
Будущее интернета вещей
По прогнозам IDC, к 2025 году в мире будет насчитываться 55,7 млрд подключенных устройств. Киберпреступники будут продолжать атаковать их, потому что IoT-система — это достаточно быстрый способ распространить вредоносное ПО. Рядовые пользователи, компании и целые города будут все чаще применять интеллектуальные технологии, чтобы сэкономить время и деньги. Например, холодильники смогут предупреждать о скорой порче продуктов, светофоры со встроенными видеодатчиками будут регулировать дорожное движение в зависимости от трафика.
Сейчас, однако, ключевая проблема внедрения IoT — отсутствие единых стандартов. Поэтому имеющиеся решения сложно интегрируются между собой, а новые появляются медленнее, чем могли бы.
Еще один нюанс — «вещи» в интернете вещей должны быть автономны, то есть иметь возможность получать энергию из окружающей среды, без участия человека.
Что нужно знать об интернете вещей: фундаментальный ликбез
Об IoT говорят сегодня чуть ли не из каждого («умного») утюга. При этом в таких разговорах обычно пропускают базовые вещи: что такое интернет вещей, из чего он состоит, и кто может отвечать на эти вопросы на правах «уполномоченного органа». А между тем, вопросы эти весьма актуальны. Вот, скажем, ваш (говорящий об IoT) «умный» утюг — он относится к интернету вещей? В этом посте мы расскажем об архитектуре интернета вещей: из каких компонентов он состоит, какие технологии имеют особое значение, какие решения позволяют упростить массовое внедрение, а также кто в мире главный по IoT.
Что такое интернет вещей?
Исследовательская компания Gartner определяет IoT как сеть физических объектов, содержащих средства для взаимодействия с внешней средой и между собой, а также для передачи сведений о своём состоянии и приёма команд.
Менее абстрактное определение предлагает McKinsey: IoT — это датчики и приводы, встроенные в физические устройства и подключенные к интернету через проводные или беспроводные сети.
Развитием IoT занимаются не только производители устройств, но и специализированные организации, в числе которых Международный союз электросвязи (ITU), Industrial Internet Consortium и IETF.
В рекомендациях Y.2060 Международного союза электросвязи, получивших название Overview of the Internet of Things, интернет вещей предстаёт как «глобальная инфраструктура, предоставляющая сложные услуги благодаря соединению физических и виртуальных вещей на основе существующих и развивающихся функционально совместимых информационно-коммуникационных технологий». Под вещью в этом определении понимается предмет физического или виртуального мира, который может быть идентифицирован и подключён к сетям связи. Устройством в контексте IoT называется элемент оборудования, который обладает обязательными возможностями связи и может производить измерения, срабатывать при определённых условиях, вводить, хранить и обрабатывать данные. 
Типы устройств IoT и их взаимодействие. Источник: ITU-T Y.4000/Y2060
В соответствии с рекомендациями Сектор стандартизации электросвязи Международного союза электросвязи (ITU-T) IoT представляет собой сеть устройств, тесно связанных с вещами. Сенсорные и исполнительные устройства взаимодействуют с физическими вещами в окружающей среде. Устройства сбора данных считывают информацию из физических вещей или записывают её на физические вещи, взаимодействуя с устройствами переноса данных или носителями данных, подключенными или связанными с физическим объектом.
Другими словами, IoT — это:
Физические/Виртуальные объекты
+
контроллеры/сенсоры/исполнительные механизмы
+
интернет
Таким образом, физический экземпляр элемента IoT представляет собой объект, который
Эталонная модель IoT. Источник: ITU-T Y.4000/Y2060
Разработками архитектуры IoT также занимается Всемирный форум IoT (IoT World Forum, IWF). Это ежегодное событие, в котором участвуют представители бизнеса, государств и научных кругов. Комитет по архитектуре IWF в 2014 году опубликовал свою версию эталонной модели IoT. Она хорошо дополняет вариант, предложенный ITU-T, поскольку IWF уделяет внимание не только уровням устройств и шлюза, но и верхними уровнями, более важным для разработки приложений, промежуточного софта и поддержки промышленного интернета вещей.
Эталонная модель IoT по версии IWF. Источник: Cisco
Каковы ключевые элементы IoT?
Во-первых, это протоколы. Стандартные для интернета протоколы либо оказываются избыточными для IoT, либо не обеспечивают необходимых характеристик для случаев, когда требуется малое время отклика и высокая надёжность сети. Кроме того, процессоры устройств IoT, как правило, имеют невысокую производительность, чтобы сохранять энергопотребление на низком уровне. Это требует разработки сетевых протоколов, специально заточенных под использование в интернете вещей.
Этим занимаются несколько рабочих групп в составе IETF и W3C. Например, адаптацией IPv6 для сетей узлов с ограниченными ресурсами занимается рабочая группа 6lo. Эта группа унаследовала разработки группы 6LoWPAN, которая разрабатывала методы сжатия заголовков пакетов и оптимизации обнаружения соседей. Группа 6lo ориентирована на более широкий спектр протоколов: Bluetooth Low Energy, ITU-T G.9959, DECT Ultra Low Energy, а также протокол MS/TP для сетей RS-485.
Список других рабочих группы IETF, связанных с IoT, и того, чем они занимаются, выглядит так:
Датчики находятся на нижнем уровне стека технологий, составляющих эталонную модель IoT. Они обеспечивают взаимодействие физического и виртуального мира, собирая аналоговые данные и преобразуя их в цифровую форму. Чтобы передать собранную информацию, датчики подключаются к сети и взаимодействуют с серверами и шлюзами, используя протоколы Bluetooth, NFC, RF, Wi-Fi, LoRaWAN и NB-IoT.
Различные типы датчиков. Источник: CircuitDigest
Сами по себе датчики лишь регистрируют физическую величину и преобразуют измеренное значение в цифровой формат для отправки на микроконтроллер, составляющий «умную» часть датчика.
Инфракрасный датчик Toshiba 32C100U2 IR Sensor Board
Развитие технологий позволяет делать датчики очень компактными. Например, 14-разрядный датчик ускорения BHA250, выпускаемый Bosch Sensortec имеет размеры 2,2 × 2,1 × 0,95 мм, но при этом содержит 32-битный микроконтроллер.
Наконец, важнейшую роль играют IoT-платформы. По данным отчёта McKinsey около 40% экономической ценности IoT связано с совместимостью, то есть с тем, как устройства могут взаимодействовать друг с другом. Для раскрытия всех преимуществ интернета вещей нужны не только быстрые каналы связи и экономичные протоколы, но и стандартизация всех уровней функционирования IoT в соответствии с эталонными моделями.
IoT-платформы частично снимают остроту этой проблемы, однако и среди них не наблюдается единства. По состоянию на середину 2017 года агентство IoT Analytics насчитало 450 компаний, предлагающих свои IoT-платформы. Это число меньше, чем список производимых в мире IoT-устройств, но более чем достаточно для того, чтобы создать проблемы совместимости.
Что такое IoT-платформы и зачем они нужны?
Коротко говоря, это решения, обеспечивающие унифицированное взаимодействие между конечными устройствами IoT и сервисами, обрабатывающими данные. А объяснять, почему они важны, начнём издалека.
Исследование Cisco выявило, что 75% проектов, связанных с IoT, терпят неудачу. В опросе приняли участие более 1800 руководителей компаний и ИТ-лидеров, целью опроса было выявление основных барьеров, ограничивающих внедрение интернета вещей на предприятиях. Согласно выводам исследования, основными препятствиями для организаций, желающих внедрить IoT, становятся затраты и сроки реализации проектов. Ещё одним стоп-фактором стала ограниченность экспертных знаний штатных сотрудников.
Устранить эти проблемы позволяет использование решений, обеспечивающих унифицированное взаимодействие между конечными устройствами IoT и сервисами, обрабатывающими данные, — тех самых IoT-платформ.
Поясним: если в компании уже есть парк оборудования, при внедрении IoT потребуется подключить его к новой инфраструктуре. При этом какая-то часть «старых» устройств может вполне успешно выполнять свои производственные функции, но не иметь возможности подключения к интернету. Замена такого оборудования на IoT-совместимое повлечёт большие затраты. Это увеличит срок окупаемости, поскольку придётся списать вполне работоспособные станки и агрегаты.
Но даже если оборудование совместимо с IoT, остаётся открытым вопрос с тем, какие данные необходимо собирать и использовать, как проводить углублённый анализ собранной информации и обеспечить оперативную обратную связь. IoT-платформы как раз и обеспечивают бесшовную интеграцию аппаратных средств с использованием различных типов подключения, передачу данных на подключенные устройства или между ними.
IoT-платформы предлагают многие высокотехнологичные и ИТ-компании. Разработка компании Toshiba для интеграции IoT-устройств и сервисов получила название SPINEX. При разработке IoT-платформы SPINEX использовался обширный опыт Toshiba в энергетике, производстве полупроводниковых компонентов, а также в области интернета вещей, искусственного интеллекта, распознавания голоса и видео (то есть во всём том, о чём мы регулярно рассказываем на «Хабре»).
Платформа SPINEX. Источник: Toshiba
SPINEX обеспечивает единое пространство для сбора данных с подключённого оборудования, устройств и продуктов, хранение, визуализацию и анализ собранных данных. Благодаря использованию открытой архитектуры SPINEX может взаимодействовать с различными облачными провайдерами и устройствами. Платформа даёт пользователям три ключевые технологии:
Насколько всё это актуально и куда движется рынок IoT?
Иногда кажется, что дивный мир интернета вещей — не более чем фантастическая картинка. Это не так. В докладе Fortune Business Insights указывается, что мировой рынок Интернета вещей, стоимость которого в 2018 году оценивалась в 190 миллиардов долларов, достигнет к 2026 году 1,11 триллиона долларов, продемонстрировав совокупный темп роста 24,7% в год.
Прогноз объёма рынка IoT в 2018-2026. Источник: Fortune Business Insights
Ожидается, что крупнейшим сегментом рынка будет банковский сектор и сектор финансовых услуг.
Аналитики Gartner сообщают, что в 2019 году количество устройств IoT достигло 14,2 млрд. Компания также прогнозирует, что к 2025 году количество подключённых устройств достигнет уровня в 25 миллиардов.
Прогноз IDC о росте количества подключений IoT
IDC дают ещё более оптимистичный прогноз: к 2025 году к сети интернета вещей будет каждую минуту подключаться 152 200 устройств. Умножив 152 200 на 525 600 (количество минут в году), получим, что в 2025 году интернет вещей будет содержать около 80 миллиардов устройств.
По данным исследования IoT — The Internet of Transformation 2018, опубликованного Juniper Research, ключевыми рынками IoT остаются Северная Америка, Западная Европа, Дальний Восток и Китай. Именно эти регионы обеспечат более 60% всех доходов, связанных с интернетом вещей.
Из чего состоит IoT
Интернет вещей (англ. Internet of Things, IoT) — концепция вычислительной сети физических предметов («вещей»), оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой, рассматривающая организацию таких сетей как явление, способное перестроить экономические и общественные процессы, исключающее из части действий и операций необходимость участия человека.
В данной статье мне хотелось бы рассмотреть то, посредством каких именно “вещей” может быть реализована в нашем мире эта идея и то, какими способами они могут взаимодействовать друг с другом или со внешней средой.
Базовые элементы делятся на несколько типов: сенсоры, актуаторы и гейты.
Сенсоры
Пожалуй нет смысла объяснять смысл и назначение этого типа элементов. Оно ничем не отличается от стандартных: разнообразные термометры, микрофоны, камеры и десятки прочих, менее распространённых устройств. Некоторые из них можно увидеть на изображении Sensors Starter Kit для Arduino:
Актуаторы
Данный тип элементов предназначается для того, чтобы воздействовать на окружающую среду, или на определённый объект в ней. Эту роль могут выполнять самые разнообразные устройства: от сервоприводов и динамиков до замков (конечно, электронных) с осветительными приборами.
Гейты
Это устройства, на которые обычно возлагают логику поверхностного анализа информации, поступающей от подключенных к ним сенсоров. В определённых ситуациях, анализ данных может требовать малого количества вычислительных ресурсов, так что гейты вполне способны принимать некоторые решения самостоятельно. Принимая такие решения, они отправляют определённые команды управления на актуаторы, которые, в свою очередь, выполняют уже свои функции.
Если же обработка иформации требует больших затрат, или эта информация подлежит сбору, гейты отправляют её на сервера, где с ней и производится дальнейшая работа. Вполне себе вероятно использование в роли гейтов микрокомпьютеров (вверху) или микропроцессоров (внизу):
Для того, чтобы построить мониторинговую систему, достаточно будет использования лишь сенсоров и некоторого сервера, который будет выступать в роли гейта. Например, благодаря сенсору движения и условной “малине”, можно без особых усилий организовать учёт количества людей, проходящих через какую-нибудь проходную.
Добавив в ранее сконструированную модель актуатор в лице динамика, можно добиться того, чтобы проход каждого n-ного проходящего был подзвучен величественными фанфарами.
Так, усложнять конструкцию подобной ячейки можно довольно долго. Однако в определённый момент неизбежно появится необходимость в долгосрочном хранении собранной статистики, её анализе, визуализации и прочем. Здесь понадобятся уже полноценные сервера, которым можно будет делегировать данные обязанности. Такие сервера в совокупности образуют облака, к которым и подключаются гейты.
Транспорт
Теперь, когда уже более или менее ясно, какие устройства используются для создания инфраструктуры, можно посмотреть на то, какими средствами эти устройства друг с другом взаимодействуют. Как видно на первом изображении, есть 2 условные группы — облако и периферия.
Ячейки, состоящие из вышеперечисленных типов устройств, как можно заметить, находятся в периферии и для коммуникации используют специальные протоколы взаимодействия. Более всего распространены LoRa и ZigBee. Обе эти сети являются очень медленными в сравнении, например, с 4G или даже с 3G, однако имеют и свои преимущества.
Одним из главных является их энергоэффективность. Дело в том, что идея интернета вещей заключается в создании среды устройств, коммуницирующих между собой без участия человека. Стоит заметить, что в некоторых случаях полностью избежать вмешательства человека избежать не удастся. Например, в системе подсчёта количества прошедших человек есть сенсор движения. Ему, как и любому другому электрическому устройству, необходимо питание. Проводить провода с питанием к каждому такому сенсору (если их больше 5 и они сильно разбросаны в пространстве) кажется не лучшей идеей. Соответственно, работать они будут от батареек или аккумуляторов. Если потребление заряда будет чрезмерным, элементы питания им нужно будет менять довольно часто. А это приведёт к тому, от чего стремится уйти интернет вещей — нужно же будет кому-то заменять эти батарейки. А вот если сенсоры будут энергоэффективны, то достаточно будет просто вставить батарейку и забыть об этом на год, два, пять и т. д.
Ещё одним преимуществом этих сетей является высокая помехоустойчивость. Каждый бит информации в этих сетях отправляется отдельным радиосигналом, поэтому его довольно просто выделить на фоне эфирного шума.
Небольшое сравнение LoRa и ZigBee
500 м (зависит от мощности передатчика)
А вот между периферией и облаком, а так же и внутри облака, используются, обычно, знакомые и привычные всем wi-fi с ethernet, сотовые и спутниковые сети и т. д.
Сравнение разных видов сетей на основе скорости и дальности
Заключение
Теперь, рассмотрев устройство сетей интернета вещей, можно точно сказать, что в плане аппаратной части нет ничего загадочного и сложного. Сделать простенькую IoT-сеть может любой желающий, способный купить довольно дешёвые на сегодняшний день компоненты и написать код из пары строк. Однако для того, чтобы разработать и притворить в жизнь серьёзные проекты как, например, реализацию концепции умного дома или даже умного города, нужно приложить огромное количество усилий. Ведь для того, чтобы все эти устройства работали между собой нужна платформа, способная контролировать все протекающие процессы.
Так же не стоит забывать, что в облаках интернета вещей могут использоваться и другие технологии, помогающие раскрыть его потенциал в большей степени. Такими могут выступать и BigData, и BlockChain, и нейросети с машинным обучением. А ведь каждая из последних перечисленных технологий являет собой отдельную обширную область компьютерных (и не очень) наук.