Краткий путеводитель по беспроводным технологиям «Интернета вещей».
Часть 1. Сети, шлюзы, облака и протоколы

«Интернет вещей» (Internet of Things, IoT) — уже не техническая экзотика, не мода, а окружающая нас реальность. Все больше «умной» электроники входит в нашу жизнь, и мы начинаем жить не просто в окружении «умных» подключенных вещей и устройств, а непосредственно в общей экосистеме — «умных» домах и городах с «умными» транспортными средствами и «умными» заводами и фабриками. Мы и «умные» вещи становимся некой общностью, и от этого уже никуда не уйти, разве что отказавшись от благ цивилизации.

Без IoT невозможны:

• Носимая электроника (рис. 1) — от персональных нательных гаджетов (Smart Wearables, буквально «умная одежда»), мониторов биометрического контроля до ошейников/трекеров, которые помогают животноводам и владельцам домашних животных находить своих питомцев.
  
  

  Рис. 1. Носимая электроника

• «Умный» дом (рис. 2), где, наряду с компьютерами, мультимедийными центрами и интеллектуальными телевизорами, используются устройства, которые осуществляют контроль климата в помещении, управление освещением и системой безопасности.
  
  

  Рис. 2. «Умный дом»

• «Умный» город (рис. 3). IoT предоставляет возможность оперативного и точного учета коммунальных услуг и удобство их оплаты, обеспечивает функционирование систем безопасности зданий, сбора отходов, уличного освещения, позволяет экономить энергию и увеличивает трафик через адаптивные ограничения скорости и управление светофорами.
  
  

  Рис. 3. «Умный» город

• «Умное» сельское хозяйство (рис. 4). Прежде всего, это «точное земледелие» — «умное» орошение, с анализом влажности почвы и погодных условий, мониторинг состояния посевов, получение метеоданных в реальном времени, а также контроль здоровья, увеличения поголовья и определение местонахождения скота.
  
  

  Рис. 4. «Умное» сельское хозяйство

• Подключенный автомобиль (рис. 5). Это новые информационно-развлекательные возможности, обработка и передача данных от систем автомобиля. Технология беспроводной связи между автомобилем (V2V) и автомобильной инфраструктурой (V2I), известная как V2X, позволяет повысить безопасность вождения, уменьшить пробки на дорогах и увеличить пассажиропоток.
  
  

  Рис. 5. Подключенный автомобиль

• Медицина (рис. 6). IoT позволяет значительно улучшить качество и эффективность медицинских услуг, позволяя работникам системы здравоохранения дистанционно контролировать состояние пациента и получать в реальном времени более точную информацию для диагностики, и в некоторых случаях отказаться от постоянного пребывания пациента в больнице.
  
  

  Рис. 6. Медицина

• «Умное» предприятие (рис. 7). Наряду с увеличением автоматизации IoT дает возможность создать подключенное роботизированное производство, способное обучаться и обмениваться информацией, организовываясь в высокоэффективные производственные системы, осуществлять предаварийное техосблуживание и производить продукты с гораздо меньшими затратами ресурсов.
  
  

  Рис. 7. «Умное» предприятие

• «Умная» энергетика (рис. 8). IoT предоставляет инструменты для мониторинга потребления энергии и снижения ее потребления, открывает возможности для более широкого использования преимуществ альтернативных технологий: солнечной, ветровой, волновой, геотермальной и др.
  
  

  Рис. 8. «Умная» энергетика

В этой реальности уже есть и так называемые «подключенные» устройства, и нейросети, и искусственный интеллект со всеми его достоинствами и рисками, и даже информационные облака, как называют «облачные» серверы с мультидоступом для хранения и обработки данных. Многое в этой экосистеме уже становится для нас привычным, но что заставляет все это работать? Причем функционировать так, чтобы мы могли не просто доверять этой новой реальности, а часто доверять ей и свою жизнь. Ответ на этот вопрос — технологии связи IoT, которые обеспечивают обмен информацией и управляющими командами. Типовые примеры построения таких сетей приведены на рис. 9 и 10 [2]. Они помогут понять всю глубину внедрения технологии IoT в нашу повседневную жизнь и оценить то, что ждет нас уже в самом ближайшем будущем.

Рис. 9. Пути и шлюзы для доступа к облаку

В настоящее время имеются весьма различные оценки рынка IoT. Тем не менее известная аналитическая компания IHS прогнозирует ускоренный рост применения этих устройств в течение следующих нескольких лет. Так, в результате установленная база подключенных к Интернету устройств к 2025 г. составит более 50 млрд таких устройств, а это, с учетом поставки нового оборудования, охватит, по прогнозам компании, объем рынка, превышающий более чем 12 млрд долл. в год. Значительная часть этой установленной базы, как ожидается, будет иметь место в промышленных областях применения и составит, примерно 20 млрд подключенных устройств, развернутых в целом ряде индустриальных рынков [4].

Рис. 10. Технологии IoT, сгруппированные по рабочему диапазону покрытия

IoT — это технология, революционизирующая производственные процессы. Как уже говорилось, ее внедрение позволяет собирать данные и в режиме реального времени сообщать о текущем состоянии оборудования, более эффективно контролировать функционирование производства. Применительно к предприятиям IoT трансформировался в «Индустриальный Интернет вещей» (Industrial Internet of Things, IIoT), то есть относящийся к индустрии, а также в «Корпоративный Интернет вещей» (Enterprise IoT, EIoT). Все это относится к концепции «Индустрия 4.0» (Industry 4.0, четвертая промышленная революция). Но реализовать все это не просто как набор датчиков и «умного» оборудования, а получить весомые экономические преимущества можно только при правильной организации путей передачи потоков данных для их последующей обработки, анализа и использования.

Наиболее наглядным примером этого является прогнозирование технического обслуживания оборудования. То есть речь идет не о календарном плановом обслуживании, привязанном к фактическому его использованию и графику производственной нагрузки, и, тем более, не о ремонте пост-фактум, когда, например, лопнул подшипник муфты двигателя транспортера и дорогостоящее оборудование вышло из строя, что привело к простоям производства и сопутствующим потерям. Предсказать вероятность такого события можно по показаниям датчиков и переданным ими данным о нагреве и вибрации муфты двигателя. Эти данные передаются для сверки с т. н. «историческими» данными, накопленными ранее в процессе эксплуатации этого двигателя. Таким образом, можно не только достаточно точно предсказать критическое время для ремонта, но и, к примеру, загодя заказать необходимый ремонтный комплект. Сам же превентивный ремонт может быть проведен не в авральном порядке, с вынужденной остановкой производственной линии, а, скажем, во время ее плановой переналадки.

Для тех, кто хочет пополнить ряды разработчиков устройств IoT, доступен весьма широкий выбор стандартов беспроводного подключения. Каждый из этих стандартов (протоколов) имеет свои сильные и слабые стороны, но, при должном подходе к их применению, многие из них могут быть, с учетом тех или иных компромиссов, успешно адаптированы для работы в проектируемом конкретном приложении. Некоторые беспроводные стандарты оказались весьма удобными и много лет используются в IoT-устройствах, и разработчики продолжают применять их во многих своих текущих проектах. Однако стандарты для IoT продолжают развиваться, предлагая новые способы и расширенные возможности для беспроводных коммуникаций, простирающиеся далеко за рамки первоначальной концепции использования беспроводного протокола, который, как правило, был единственным инструментом организации беспроводной связи для компьютера или смартфона.

В настоящее время одной из важных тенденций является развитие не просто возможностей организации некоего канала связи. Она заключается в организации интернет-соединения, хранения данных на удаленном сервере и прикладного программного обеспечения физических слоев для интеграции беспроводных датчиков и исполнительных механизмов на нижних физических уровнях или слоях, как говорится, «в поле» (in the field). Сохраненная информация в виде т. н. «больших данных» (Big Data) обрабатывается и анализируется с использованием интеллектуального программного обеспечения в облаке, то есть на удаленном сервере с мультидоступом. Это дает возможность для подключенной системы представлять/получать данные в режиме реального времени и даже в условиях виртуальной реальности. Использование таких облачных технологий и предлагаемых сервисов упрощает не только программную, но и аппаратную реализацию IoT, решает вопросы минимизации отдельных устройств и повышения их энергоффективности. В ряде случае узлы беспроводной сенсорной сети могут вообще обходиться без встроенных источников энергии и использовать ее сбор из окружающего пространства (energy harvesting). Причем это могут быть не только уже достаточно привычные нам фотоэлектрические преобразователи (солнечные элементы или батареи), но и использование энергии внешнего тепла, вибрации механизмов, внешнего электромагнитного излучения (в том числе и специально наведенного от мобильной гибридной точки доступа [3]). Для этого может, например, использоваться даже преобразование в электрическую энергию силы потока жидкости в трубах, на которых непосредственно установлен такой беспроводной датчик учета ее расхода.

Поскольку соединение IoT с облаком является не только ожидаемым, а уже вполне реальным фактором, то для реализуемых проектов можно эффективно использовать эти, недоступные ранее и недавно добавленные, новые варианты решений для предложений беспроводной связи. Итак, с чего начать?

Если мы вспомним, что «вначале было слово», так это справедливо и в рассматриваемом контексте. Вначале был протокол или стандарт, а беспроводная связь выполняется уже на их основе. Остается вопрос выбора. Для ответа на него возможные варианты организации IoT-коммуникации сгруппируем по нескольким критериям. Все решения, в том числе и основанные на ряде новых протоколов, для удобства читателей рассмотрены в хронологическом порядке их появления и разделены по радиусу действия, т. е. по зоне покрытия, доступной отдельному устройству, а не сети в целом.

В предлагаемой серии из четырех статей будут рассмотрены решения для беспроводной связи технологии IoT ближнего радиуса действия (Short range wireless), Wi-Fi и системы связи дальнего радиуса действия (Longer range wireless), которые составят три основных раздела данной публикации. Технологии Wi-Fi будут описаны отдельно, поскольку они используются в обоих вариантах зоны покрытия. Все технологии, кроме систем с использованием сотовой связи, для их общей оценки и удобства читателей сведены в одну общую таблицу [1]. Большинство из них будет рассмотрено далее. Однако при принятии решения в части использования конкретных стандартов организации беспроводной связи в обязательном порядке необходимо учитывать требования национальных стандартов и тех или иных ограничений, связанных с конкретной областью их применения.

Примечание. Белый диапазон телевещания — 54–698 МГц.
Зеленым цветом отмечено семейство протоколов субгигагерцового диапазона. Фиолетовым цветом отмечено семейство IEEE 802.15.4.
Красные кресты указывают на соответствие полосы частот технологии IoT.

Учитывая сложность и обширность темы, в предлагаемой серии статей будет представлена только необходимая для принятия решения общая информация по доступным решениям беспроводной связи IoT. Для получения детальной информации необходимо обратиться к официальным, действующим на текущий момент международным версиям соответствующих стандартов и протоколов с учетом национальных ограничений.

Продолжение в Control Engineering Россия №1’2018.