CC BY
115
УДК 004.716
ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИИ «ИНТЕРНЕТ ВЕЩЕЙ»
Сергей Викторович Алёшин, Инженер-программист,
e-mail: [email protected], Максим Олегович Балаев, Инженер - проектировщик, e-mail: balaev [email protected], Василий Викторович Власюк, Начальник конструкторского отдела, e-mail: [email protected], Акционерное общество ««Технократ», http://t-krat.ru
В работе представлено описание технологии Интернет вещей и основные задачи, стоящие перед её внедрением. Предложены современные технологии передачи данных 6LoWPAN и операционная система Contiki для беспроводных батарейных устройств. Дано описание и технические характеристики беспроводного маршрутизатора и интеллектуального модуля измерения электрических параметров собственного производства.
Ключевые слова: Интернет вещей, Contiki, 6LoWPAN, беспроводной маршрутизатор, измерение электрических параметров.
Работа выполняется при финансовой поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (договор №77ГРНТИС5/25959 от 22.12.2016).
Введение
В настоящее время существует несколько главных направлений, по которым будут развиваться технологии в области Интернета вещей (IoT) в ближайшие годы. Исходя из этого необходимо определить важнейшие из них как в плане технического оснащения, так и для выбора наиболее подходящей архитектуры и методов коммуникации.
Технологические факторы
Рассмотрим факторы, влияющие на выбор программно-аппаратных решений для реализации технологии «Интернет вещей» в промышленности.
Безопасность
С появлением новых устройств Интернета вещей появились и новые риски безопасности. Необходимы технологии для защиты IoT-устройств от атак, направленных на компрометацию собираемой информации и манипуляцию данными на физическом уровне. Необходимо развивать средства шифрования для защиты передаваемых данных и решения таких вопросов как подмена IoT-устройств на их фальшивые аналоги и проведение атак по выводу из спящего режима (denial-of-sleep) для ненужного расхода ресурсов питания.
Аналитика
При внедрении технологий Интернета вещей компании будут выбирать различные бизнес-модели. Однако вне зависимости от их выбора главной задачей будет организация сбора информации и ее анализ. Уже сегодня имеются примеры новых инструментов и алгоритмов, направленных на исследование собираемых данных. Объемы накапливаемой информации будут неуклонно расти, по мнению аналитиков [1, с. 21], вплоть до 2021 г., что потребует новых инструментов анализа данных и аналитических исследований.
Управление устройствами
Многие IoT-изделия имеют длительный период автономной работы. Это требует развития систем управления и мониторинга. Такие системы отслеживают нормальную работу устройств, поддерживают установку обновлений для прошивки и приложений, обеспечивают проведение диагностики, анализ сбоев, сбор отчетов, управление пара-
метрами физического состояния, например, местоположения. Также главной проблемой в развитии систем управления Интернета вещей станет масштаб решаемых задач -придется контролировать одновременно тысячи или даже миллионы 1оТ-устройств.
Энергоэффективные сети обмена данными
Многие 1оТ-устройства подключаются через беспроводные сети. При выборе оптимального варианта подключения необходимо искать баланс, учитывающий многочисленные требования, многие из которых противоречат друг другу: дальность действия устройства, время его автономной работы, полоса пропускания, плотность размещения устройств, удельные и эксплуатационные расходы.
Процессоры для 1оТ-устройств
Выбор процессора и архитектуры для Интернета вещей во многом задает перечень функций, которыми будет обладать законченное решение: доступные средства защиты и шифрования, энергоэффективность, совместимость с определенными ОС, возможность обновления прошивки, допустимость использования встраиваемых алгоритмов управления. Это основа беспрерывной работы всей системы.
Операционные системы для 1оТ-устройств
Широко распространенные ОС, такие как Windows и iOS, неприменимы для Интернета вещей в силу отсутствия у них ряда принципиальных свойств, которые не были заложены на стадии их проектирования. В частности, эти традиционные системы потребляют слишком много энергии, требуют применения быстродействующих процессоров, не обладают рядом существенных для Интернета вещей функций, таких как обработка в реальном времени с предоставлением гарантированной максимальной задержки отклика. Кроме того, популярные настольные системы требуют слишком много оперативной памяти, для которой невозможно найти место для размещения в миниатюрных IoT-изделиях.
Обработка потока событий
Задача большинства 1оТ-устройств состоит в том, чтобы собирать данные и отправлять их для последующего анализа в облако. При этом многие задачи требуют, чтобы анализ полученных данных был выполнен в реальном времени. Сложность заключается в том, что отдельные приложения Интернета вещей могут оказаться крайне интенсивным источником генерации данных. Даже при вполне обычных условиях работы количество генерируемых событий может исчисляться десятками тысяч в секунду. Если же 1оТ-устройства связаны с работой телекоммуникационных систем или обработкой телеметрии, то каждую секунду может генерироваться несколько миллионов событий.
Стандарты и технологии
Так как формирование стандартов в мире Интернета вещей находится в активной фазе развития, и нет общепринятой концепции разработки и внедрения данной технологии, мы имеем дело с многочисленными разнородным 1оТ-устройствами, не всегда имеющими возможность работать совместно и обмениваться потоками данных. Это приводит к появлению различных идеологий развития Интернета вещей и несовместимости стандартов, большинство из которых лицензированы.
Предлагаемые решения
Для реализации вышеописанных задач наша компания предлагает целый ряд программно-аппаратных решений для Интернета вещей и специализированные 1оТ-устройства собственной разработки. Разнообразие в сфере технологий автоматизации создает определенные трудности при построении глобальных информационно-измерительных комплексов. Для решения такого рода задач, были выбраны следующие решения:
Стек протоколов 6L0WPAN («IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks» - стандарт взаимодействия по протоколу IPv6 поверх маломощных беспроводных персональных сетей стандарта IEEE 802.15.4 [2, с. 54]. Версия протокола IPv6 для беспроводных сенсорных сетей с низким энергопотреблением. Ключевыми особенностями сетей 6LoWPAN являются:
• доступность любого узла сети по его адресу;
• отсутствие необходимости в шлюзе прикладного уровня для работы с узлами сети.
Так как 6LoWPAN является протоколом сетевого уровня, то может использоваться с любым физическим и канальным уровнем, аналогичная ситуация - и со стеком TCP/IP. Более того, не обязательно использовать беспроводную среду передачи. Для поддержки больших сетей узлы 6LoWPAN могут выполнять роль маршрутизаторов, есть возможность маршрутизации с ориентацией на уровень сигнала, что позволяет передавать данные на низкой мощности, экономя энергоресурс источника питания.
Операционная система Contiki - система с открытым кодом, предназначенная в основном для встроенных сетевых систем и, в частности, для устройств Smart Objects обеспечивает подключение устройств с использованием IPv4 и IPv6, также поддерживает различные компоненты сети и алгоритмы маршрутизации.
Ключевые особенности:
• Разработана для систем с низким энергопотреблением;
• Работает с ограниченным объем оперативной памяти (SRAM);
• Поддерживает протоколы маломощных сетей IPv6: 6LoWPAN, RPL, CoAP.
Большинство модулей операционной системы Contiki используется в промышленности различными компаниями в своей продукции начиная от автомобильных двигателей и самолетов по всему миру и заканчивая системами слежения грузовых контейнеров и спутниковыми системами [3, с. 1].
Используя данные технологии наша компания разработала следующие типы оборудования:
1. Беспроводной маршрутизатор для подключения устройств в сети IPv4 (Рисунок 1);
2. Интеллектуальный модуль для измерения электрических параметров (Рисунок 2).
Маршрутизатор предназначен для сбора и обработки данных от беспроводных датчиков, обеспечивает прозрачную передачу данных между различными средами, обеспечивая прямое подключение с возможностью связаться с каждым датчиком в глобальной IPv6 сети. Иными словами, выполняет роль своеобразного моста между беспроводной сетью и проводным подключением.
Интеллектуальный модуль для измерения электрических параметров предназначен для сбора данных с модулей ввода/вывода, выполнения вычислений электротехнических параметров, передачи данных по каналам Интернет связи в облачное хранилище, ведения архива измерений и события на сменном дисковом накопителе. К интерактивному модулю может подключаться до 6-ти различных модуля ввода/вывода включая модули измерения напряжения и тока 4-х канальные, модуль релей-
Рис. 1. Беспроводной маршрутизатор для подключения устройств 6LoWPAN к сетям ГРу4
Рисунок 2. Интеллектуальный
модуль для измерения электрических параметров и передачи данных в облачное хранилище
ИтаОУ^017'1
5
ного вывода 32-х канальный и модуль дискретного ввода 32-х канальный. Также система может быть оснащена резервируемыми блоками питания и имеет стандартный конструктив Евромеханика для установки в 19-и дюймовую стойку.
Заключение
Авторы считают, что в данной работе новыми являются следующие положения и результаты:
1. Современные промышленные системы повсеместно переходят на идеологию Интернет вещей, что в свою очередь сопровождается целым рядом задач решение которых имеет первостепенную роль для разработчиков и производителей оборудования;
2. Предложенная технология беспроводного сбора информации через распределённую IPv6 сеть с использованием стека протоколов 6LoWPAN имеет большой потенциал для внедрения в качестве основного стандарта для IoT-устройств;
3. Операционная система с открытым кодом Contiki, предназначенная для встроенных сетевых систем, одно из основных решений на рынке Интернета вещей для построения распределённой идеологии сбора данных и последующей их обработки с использованием облачного хранилища;
4. Разработанный беспроводной маршрутизатор для подключения устройств 6LoWPAN к сетям IPv4 имеет большой потенциал для внедрения в качестве базового элемента маршрутизации в беспроводных сенсорных сетях, системах мониторинга и распределённого сбора данных. Интеллектуальный модуль для измерения электрических параметров для регистрации электрических параметров и передачи в облачное хранилище потенциально может быть использован как в системах мониторинга состояния электросетей, так и для контроля качества электроэнергии у потребителей;
5. Технология Интернет вещей в настоящее время успешно развивается, и производители вынуждены идти в ногу со временем для модернизации своей продукции. Представленное нами оборудование отечественного производства, построенное с использованием передовых технологий, может успешно решать задачи промышленной автоматизации и удалённого сбора данных в рамках концепции Интернета вещей с облачным хранением и обработкой полученных данных.
Литература
1. Top 10 IoT Technologies for 2017 and 2018 / [Электронный ресурс] Режим доступа. URL: http://www.gartner.com/newsroom/id/3221818), (Дата обращения: 22.12.2016)
2. Zach Shelby, Carsten Bormann. 6LoWPAN: The Wireless Embedded Internet // Wiley. 2009. P.244.
3. ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА CONTIKI КАК СИСТЕМА С ОТКРЫТЫМ ИСХОДНЫМ КОДОМ ДЛЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ // Молодежный научный форум: Технические и математические науки: электр. сб. ст. по материалам VI студ. междунар. заочной науч.-практ. конф. М.: «МЦНО». 2013 № 6(6). [Электронный ресурс] Режим доступа. URL: http://nauchforum.ru/archive/MNF_tech/6(6).pdf
Hardware and software solutions for internet of things
Sergey Viktorovich Aleshin, Software engineer, Joint Stock Company «Technocrat»
Maksim Olegovich Balaev, Design engineer, Joint Stock Company «Technocrat»
Vasiliy Viktorovich Vlasiuk, Head of design engineering department, Joint Stock Company «Techno-crat»
This paper describes the technology of the Internet of Things and the main challenges facing to its implementation. The modern data transmission technology 6LoWPAN and Contiki operating system for wireless battery-powered devices are proposed. The description and specifications of the self-developed wireless router and the intelligence module for measuring electrical parameters are presented.
Keywords: Internet of Things, Contiki, 6LoWPAN, wireless router, electrical parameters measuring.
