7 основных компонентов экосистемы IoT

Интернет вещей (Internet of Thigs, IoT) - это совокупность взаимосвязанных вещей, которые способны чувствовать, действовать и общаться в широкой сети с непосредственным вмешательством человека или без него. Они также способны действовать в соответствии с изменениями в окружающей среде автономно, запуская процессы и обмениваясь этой информацией в сети, чтобы обрабатывать и генерировать ценную информацию о своем окружении. В настоящее время это уже устоявшаяся быстро развивающаяся технология, и к 2025 году более 20 миллиардов устройств будут отнесены к категории IoT-устройств.

Основными концепциями IoT являются "умные объекты" и "умные среды". Умный объект - это физический объект, оснащенный процессором, системой хранения данных, системой датчиков и сетевой технологией для связи. Некоторые из этих объектов могут воздействовать на окружающую среду с помощью исполнительных механизмов. В соответствии с тем же определением, "умная среда" - это физическое пространство, в котором развернуты и взаимодействуют "умные" объекты. Теперь, получив краткое представление о структуре IoT, давайте рассмотрим основные компоненты IoT.

Вещь или устройство

Вещи и устройства в IoT называются компонентами, такими как датчики, исполнительные механизмы, а иногда могут включать носимые устройства, в которые встроены датчики и исполнительные механизмы. Они размещаются на физическом уровне архитектуры IoT, который выступает в качестве основы системы IoT. Основные функции этих вещей и устройств - чувствовать и собирать данные из окружающей среды и реализовывать любой необходимый механизм управления для контроля требуемых переменных в окружающей среде.

1. Датчики

Это компоненты, которые отвечают за обнаружение и восприятие любых изменений в окружающей среде. Сегодня датчики могут определять практически все - от температуры до кровяного давления человека, а продвинутые сенсоры способны измерять и другие сложные параметры. При этом все их функции занимают очень мало места благодаря современным технологиям, таким как Very Large-Scale Integration (VLSI). VLSI породила новый набор передовых датчиков, известных как микроэлектромеханические системы (MEMS), которые сегодня очень распространены в большинстве IoT-приложений. Ниже перечислены некоторые из широко используемых категорий датчиков:

• Датчики температуры: Эти датчики измеряют колебания температуры в измеряемой среде. Существуют различные типы датчиков температуры в зависимости от технологии измерения температуры, такие как термопары, термисторы, ИК-датчики и резисторные датчики температуры (RTD).
• Датчики приближения: Эти датчики определяют наличие или отсутствие близлежащего объекта или его свойств. Существуют различные типы датчиков приближения, такие как индуктивные датчики, емкостные датчики, ультразвуковые датчики и фотоэлектрические датчики.
• Датчики обнаружения движения: Эти датчики обнаруживают любое физическое движение в заданной области. Ультразвуковые датчики, пассивные инфракрасные датчики (PIR) и микроволновые датчики - вот некоторые из часто используемых датчиков.
• Оптические датчики: Эти датчики способны улавливать фотоны света и преобразовывать их в сигналы для интерпретации важной информации об окружающей среде.
• Датчики давления: Эти датчики обнаруживают любое изменение давления в измеряемой среде.
• Гироскопы и акселерометры: Эти датчики способны измерять любое вращательное движение и ускорение.
• Химические и газовые датчики: Эти датчики определяют наличие определенных химических веществ и газов в окружающей среде. Существуют различные типы и семейства этих датчиков в зависимости от требований.
• Датчики влажности: Они измеряют влажность окружающей среды.

2. Приводы

Они противоположны сенсорам. Они воздействуют на окружающую среду в зависимости от определенных инструкций или сенсорных данных. Давайте рассмотрим это на примере. Рассмотрим развернутое IoT-приложение в сельском хозяйстве для управления подачей воды на растительность. Для этого мы можем использовать датчики уровня воды и датчики влажности почвы, чтобы определить уровень воды в почве. Теперь мы можем подавать воду с помощью насосов, управляя клапаном. В данном случае клапан выступает в роли исполнительного механизма. Когда датчики обнаруживают избыток воды, они посылают сигнал на клапаны, которые являются исполнительными механизмами, чтобы закрыть насос.

Тип используемого привода зависит от вертикали и случая использования. Они могут быть нужны для включения или выключения выключателя, управления клапаном, как в нашем предыдущем примере, или могут требовать более сложных действий, таких как захват, поворот и вращение.

Связь и сетевое взаимодействие

IoT-приложения включают в себя устройства, датчики, исполнительные механизмы и облако, взаимодействующие друг с другом для принятия решений и обработки собранных данных. Для этого необходимо создать средства соединения этих компонентов в экосистеме IoT. Таким образом, связь является еще одним важным компонентом для реализации приложений IoT. В целом существует два типа коммуникационных методологий для обеспечения связи: беспроводная связь и проводная связь. Выбор между ними полностью зависит от конкретного случая использования и вертикали.

Протоколы связи

Теперь, когда данные собраны и необходимые управляющие данные получены, требуется передать их на облачную платформу или на границу, в зависимости от необходимости. Для реализации этой задачи IoT-приложения используют различные типы коммуникационных протоколов.

Когда пограничные узлы (включая датчики и исполнительные устройства) расположены на близком расстоянии друг от друга, они называются персональными сетями (Personal Area Networks, PAN). Для связи в PAN обычно используются протоколы, не связанные с Интернетом. Однако существуют и протоколы на основе IP. Эти протоколы для PAN определены в стандарте IEEE 802.15 Wireless personal area network definitions. Некоторые из этих протоколов - Bluetooth 5, ZigBee и протоколы Z-Wave. Кроме того, такие протоколы, как 6LoWPAN В PAN также появились протоколы на основе IP.

В случае, когда пограничные узлы распределены на большой территории, их называют глобальными или локальными сетями (LAN). Эти два термина иногда используются как взаимозаменяемые. Для связи между узловыми устройствами и облаком в таких локальных сетях используются протоколы связи на базе IP. Поскольку они требуют протоколов связи на большие расстояния, на прохождение которых уходит значительное количество энергии. Некоторые из известных протоколов LoRaWAN, MQTT, HTTP, сотовая связь (4G/3G) и Wi-Fi - одни из самых распространенных протоколов связи.

Облако

Облако IoT можно рассматривать как место, где находится "ум". Облако будет собирать все данные, полученные по соответствующему протоколу связи, и выполнять необходимую обработку. IoT-облако не только собирает и обрабатывает данные, но и хранит их и управляет ими в режиме реального времени. Таким образом, при выборе подходящего облачного сервиса необходимо учитывать задержку, связанную с облачными услугами. Облачные провайдеры поддерживают целый ряд продуктов "Все как услуга" (XaaS). Среди сервисов - "Сеть как сервис" (NaaS), "Программное обеспечение как сервис" (SaaS), "Платформа как сервис" (PaaS) и "Инфраструктура как сервис" (IaaS). Пользователь может выбрать, какой сервис использовать, в зависимости от сферы применения IoT и вертикали.

Говоря простым языком, облако IoT состоит из сети сервисов, оптимизированных для предоставления вышеперечисленных услуг и управления огромным количеством данных в режиме реального времени. В него также входит распределенная система баз данных управления.

Несмотря на простоту и меньшие эксплуатационные расходы, появилась новая тенденция - обрабатывать и управлять соответствующими данными на границе, что привело к появлению новых концепций, таких как Edge computing и Fog computing. Предпочтение между облачными и пограничными вычислениями зависит от области применения, где пограничные вычисления предпочтительнее, когда требуется обработка больших объемов данных в локальной сети.

IoT Analytics

Физические данные, получаемые датчиками, преобразуются в цифровые сигналы на границе, и эти цифровые сигналы могут иметь практические последствия. Например, нам может понадобиться классифицировать показатели пациентов как тяжелые или здоровые. Для этого мы можем собирать данные о пациенте с помощью датчиков, собирать их в виде временных рядов и обрабатывать с помощью системы, основанной на правилах, для составления прогноза. В случае чрезвычайной ситуации точность и скорость работы этого механизма, основанного на правилах, играет решающую роль. Кроме того, важно выполнить немедленное действие по предсказанию.

Для реализации этих функций мы можем использовать модели глубокого обучения для предиктивного анализа и различные методы машинного обучения, чтобы предсказывать тенденции, решать регрессионные задачи, разрабатывать прогнозы событий и даже принимать полезные решения.

Аналитика требует значительных объемов памяти и вычислительных мощностей для выполнения этих операций и принятия разумных решений. Поэтому в идеале они размещаются в облаке IoT. Однако новые концепции, такие как TinyML, открывают двери для принятия решений на границе.

Пользовательский интерфейс

Это компонент, в котором конечный пользователь будет активно взаимодействовать с нашей IoT-экосистемой. Пользователь может управлять всей системой и задавать ей любые изменения и предпочтения. Таким образом, пользовательский интерфейс будет выступать в качестве высокоуровневой абстракции всей системы.

Пользовательский интерфейс может быть встроен в само устройство или установлен в носимых устройствах, смартфонах, планшетах, а также может быть выполнен в виде веб-приложения. IoT-панели - еще одна популярная платформа, но иногда для работы с ней требуются определенные технические навыки. И наконец, если вам доведется разрабатывать пользовательский интерфейс, помните, что дизайн является одним из основных моментов. Добавьте несколько крутых шрифтов, голосовую поддержку и сенсорные интерфейсы, чтобы сделать продукт более конкурентоспособным на рынке.

Теперь давайте рассмотрим дополнительные компоненты экосистемы IoT.

Безопасность

Это компонент, который чаще всего упускается из виду дизайнерами и IoT-архитекторами при разработке IoT-приложений, что с каждым днем приводит к увеличению числа устройств, уязвимых для атак. Безопасная система должна включать в себя стратегию противодействия, стратегию восстановления и уметь распознавать любые вредоносные атаки на систему.

В идеале эти системы безопасности могут быть развернуты в облаке и встроены в сетевые компоненты.

IoT-шлюз

IoT-шлюзы стали популярным компонентом с ростом числа датчиков и узловых устройств, подключенных к данной системе IoT. Это облегчает управление трафиком данных, а также позволяет дополнительно обеспечить меры безопасности данных наряду с предварительной обработкой данных для удаления нежелательных или поврежденных данных. Кроме того, более продвинутые IoT-шлюзы оснащены возможностью анализировать данные и принимать разумные решения, что, в свою очередь, снижает нагрузку на облачный сервис.

Заключение 

Интернет вещей, уже ставший зрелой технологией, переживает бурный рост с появлением новых технологий и новых протоколов. С появлением новых технологий связи, таких как 5G, она, вероятно, приобретет новое измерение и будет иметь многообещающее будущее.