10 важных составляющих IoT-решений

Внедрение IoT позволяет увеличивать производительность, снижая издержки и повышая прибыль. Только в России по итогам 2021-го количество подключенных к интернету вещей устройств увеличилось на 16%, достигнув 29,6 млн. И это количество будет только расти. В этой статье расскажем о самом необходимом для построения IoT-решения. 

Датчики и актуаторы

Умные города, умные фабрики и всё с приставкой «умное» начинается со сбора данных в режиме реального времени. Эту задачу выполняют датчики, которых на сегодня существуют уже десятки типов: ИК-сенсоры, световые и ультразвуковые датчики, датчики дыма и газа, температуры, атмосферного давления, влажности, уровня, прикосновения, движения, расстояния и др.

Типы датчиков. Фото: electricaltechnology.org

Датчики делятся на:

• активные - нуждаются во внешней поддержке;

• пассивные - не требуют стимуляции для работы;

• аналоговые - данные необходимо оцифровать до их отправления на микроконтроллер; 

• цифровые - для измерения входных сигналов есть два состояния (0 и 1), к примеру, наличие или отсутствие света.

Датчики наблюдают за одним или несколькими свойствами физического объекта и преобразует свойства в данные. Изменить же эти свойства в ответ на полученную информацию позволяют актуаторы, которые способны воздействовать и на окружающую среду, и на определенный объект в ней. Роль актуатора могут выполнять самые разнообразные устройства: от динамиков до электронных замков. А состоит актуатор из регулирующего органа и исполнительного устройства, передающего воздействие с управляющего устройства на объект управления.

Микрокомпьютеры

Обработать полученную с датчиков информацию помогут микрокомпьютеры, размер которых сравним с кредитной картой. Сегодня наиболее популярны Arduino и Raspberry Pi. Впрочем, первый не является полноценным компьютером, а представляет собой микроконтроллер, который идеален для аппаратных проектов и способен в реальном времени считывать аналоговые сигналы. Такая гибкость позволяет Arduino работать почти со всеми видами чипов и датчиков. Если хочется сэкономить и не нужны серьезные ресурсы, Arduino – то, что нужно.

Arduino Uno c подключенными фоторезистором и светодиодом. Фото: edurobots.ru

Для приличных же вычислительных мощностей и мультимедийных возможностей лучше выбрать микрокомпьютер Raspberry Pi, из которого можно сделать полноценный ПК на ОС Linux. Так, по тактовой частоте Raspberry Pi превосходит Arduino в 40 раз, а по оперативной памяти – во все 128 000 раз.

Raspberry Pi Model B. Фото: edurobots.ru

Arduino и Raspberry Pi можно использовать вместе, чтобы первый управлял датчиками, а второй выполнял сложные алгоритмы. 

Шлюзы

Эти похожие на домашние роутеры устройства способны собирать данные с устройств, а потом отправлять их в облако или дата-центр. В сфере сетевых возможностей шлюзам нет равных, ведь они объединяют интеллектуальные устройства или десятки датчиков и могут работать как в многоканальных Wi-Fi-сетях, так и в минимум двух локальных проводных сетях.

Архитектура системы IoT. Фото: sam-solutions.com

Сервер или облако

Эти два понятия неопытные пользователи зачастую считают одним и тем же и, конечно, ошибаются. Сервер – это компьютер, предоставляющий услуги пользователям других компьютеров и позволяющий проводить сложные вычислительные процессы 24/7. Используя сервер, клиент получает полноценный административный доступ и может контролировать и изменять ПО. Серверы незаменимы для проектов, требующих постоянной высокой производительности.

Облако же позволяет клиенту платить только за используемые услуги, не тратясь на дорогое серверное оборудование и его обслуживание. Этот вариант идеален, когда нагрузка непостоянная (например, в ивент-компании максимум ресурсов нужно в период проведения мероприятий, в другое же время в высокой производительности нет необходимости).

Платформы IoT и протоколы связи

Платформа IoT – программное обеспечение для подключения интернета вещей (датчиков, контроллеров и т. п. устройств) к облаку и удаленному доступу к ним. То есть платформы интернета вещей позволяют развертывать прикладные приложения IoT, создавать и тестировать на базе подключенных умных устройств свои приложения.

В числе наиболее популярных программных платформ интернета вещей – Microsoft Azure IoT, Amazon Web Services (AWS) IoT, Google Cloud, ThingWorx IoT, IBM Watson, Artik от Samsung Electronics и др. Между собой платформы отличаются масштабируемостью (количество конечных устройств), публичностью/частностью, гибкостью и т. д.

Для бесшовной интеграции аппаратных средств платформы IoT используют различные протоколы связи (правила, определяющие способы обмена данными между объектами сети IoT). Самые популярные из них – DDS (доставляет созданные шаблоны и позволяет управлять параметрами качества обслуживания), CoAP (для пользователя похож на HTTP, но благодаря малому размеру заголовков подходит для сетей с ограниченными возможностями), XMPP (для передачи сообщений в режиме реального времени и адресации устройств в небольших сетях), MQTT (собирает данные от множества узлов и передает на сервер).

Видеокамеры и технологии беспроводной связи

С появлением облачных сервисов началась новая эра видеонаблюдения. Грамотная установка камер обеспечивает не только наблюдение, но и позволяет собирать и анализировать информацию. В экстренных же ситуациях видеокамеры вместе со специализированным ПО дают возможность вызвать спецслужбы и даже автоматически оповестить жильцов. Видеокамеры могут подключаться к сети как с помощью проводных, так и беспроводных технологий – Bluetooth, Wi-Fi, LTE, NB-IoT, GoodWAN.

Широко знакомая пользователям технология Bluetooth позволяет мобильным и стационарным устройствам обмениваться данными на коротких расстояниях (к примеру, смартфоны с Bluetooth-гарнитурами).

Wi-Fi базируется на локальных сетях и использовании радиоволн для обмена информацией на высоких скоростях. Повсеместное распространение Wi-Fi позволяет подключать к интернету вещей системы и датчики умных домов.

LTE – стандарт беспроводной связи для сетей четвертого поколения (4G), отличающийся от предшественников значительным увеличением пиковых скоростей передачи данных и масштабируемой пропускной способностью.

NB-IoT разработана специально для приложений IoT и обмена данными между машинами (М2М) на больших расстояниях.

GoodWAN – технология с энергоэффективным эфирным протоколом, обеспечивающим время автономной работы конечных устройств до 10 лет. Работает с движущихся объектов и гарантирует высокую дальность связи.

В целом для интернета вещей выбирают беспроводные технологии связи с разным радиусом действия, но от них требуют низкое энергопотребление. 

Модули геопозиционирования

Одной из важных составляющих ряда IoT-решений является спутниковая система мониторинга – российская ГЛОНАСС или американская GPS. Основная функция каждой из этих систем – отслеживание местоположения подвижных объектов (координаты, направление, скорость движения, расход топлива и т. п.). При этом ГЛОНАСС/GPS-маячки обеспечивают безопасность, подавая сигнал бедствия в случае аварии.

ГЛОНАСС, состоящий из 27 космических аппаратов, покрывает 100% территории РФ и около 70% площади всего земного шара. GPS благодаря 32 спутникам работает в любом месте Земли, кроме приполярных областей.