Разработка системы умный дом. Вариант. Технологии с каждым годом развиваются все стремительнее и стремительнее
 Скачать 477.57 Kb.
|
 Основная причина таких потерь для компаний – это то, что за показаниями счетчиков следят исключительно пользователи. Компании не выделяют от себя людей, которые бы делали это самостоятельно, а люди, как известно, не всегда готовы платить из своего кармана, если есть возможность этого не делать. А сколько людей видели, что их счета оказываются значительно больше, чем они потребляли? Где-то компания не корректно сделала расчеты, где-то «добрые соседи», подключающиеся к чужим счетчикам, где-то еще какие-либо причины. Все это показывает, что вмешательство технологий в сферу оказания жилищно-коммунальных услуг не просто желательно, а необходимо. И именно тут на помощь приходит проект Интернета вещей. На сегодняшний момент попыток для создания удобного сервиса для мониторинга и оплаты ресурсов ЖКХ было немного, но в скором времени и эта сфера не останется без внимания прогресса [5]. В рамках данного проекта будет рассмотрен тот частный случай, когда технология IoT необходима для оплаты услуг ЖКХ. В эту область входит и снятие показателей с датчиков, отслеживание их в любой момент времени, получение информации с них и непосредственная оплата с мобильного устройства или персонального компьютера. Для реализации такой задачи необходимо рассмотреть все существующие концепции решений и технологий и на их основе определить, по какому пути развития пойдет будущая разработка. 4. Протоколы связи Протоколы связи – набор соглашений интерфейса на логическом уровне, определяющий обмен данными между различными программами и технологиями. Данные соглашения создают единый способ передачи информации и обрабатывают ошибки при взаимодействии программного обеспечения. Сейчас существует множество протоколов для передачи данных, каждый из которых удобен в разных областях, разных сферах и даже отдельно для каждого устройства, количества этих устройств. Стоит рассмотреть подробнее основные протоколы для определения того, какой из них наиболее подходит для решения нашей задачи. CoAP. CoAP (Contrained Application Protocol) – это протокол сервисного уровня. Он предназначен для использования в различных интернет-устройствах, содержащих ограниченные ресурсы. Например, узлы беспроводной сенсорной сети. Если говорить простыми словами, то CoAP предназначен для использования на очень простом и на ограниченном оборудовании, например, на 8-битном микроконтроллере или на датчиках низкой мощности и так далее, которые не могут работать на HTTP или TLS. Данный протокол основан на протоколе HTTP, но в отличие от последнего, который использует TCP и является текстовым протоколом, CoAP – бинарный протокол, который работает поверх UDP. Это отличие позволяет уменьшить объем передаваемой информации. Сервер предоставляет свои ресурсы адресам URL, после чего пользователи обращаются к ним посредством стандартных методов: GET, PUT, POST и DELETE. Рисунок 5. Схема работы протокола CoAP  К преимуществам данного протокола можно отнести поддержку URI и content-type, что дает более простое использование для клиентов и работы на стандартных методах [6]. Также стоит упомянуть небольшие объемы передаваемых сообщений. Достаточно сравнить количество объемов для информации еще десять лет назад и сейчас, и все увидят, как сильно увеличилась цифра. Не удивительно, что сейчас много ресурсов отдано на то, чтобы ужать объем сообщений без уменьшения его качества. При помощи данного протокола такая задача несколько упрощается. Так же положительной стороной является простота в разработке, а значит уменьшение сроков реализации проекта, нормализация поддержки и отсутствие критичных ошибок, появляющихся именно на стороне разработки. Плюсами CoAP в том числе являются простота подписки, поддержка push-уведомлений и простое кэширование. Также, как уже говорилось выше, этот прокол использует UDP и поддерживает IPv6 и 6LoWPAN. Если устройство не имеет возможности запустить HTTP или TLS, то тут как раз выручает CoAP. Этот протокол делает практически тоже, что и должен был бы делать HTTP. Миграция не является сложным процессом, если до этого человек хоть немного был знаком с HTTP API. Безопасность протокола работает на DTLS. Также хорошо этот протокол будет использоваться на устройствах, требующих батарею. CoAP улучшает производительность данного элемента, протокол UDP сохраняет пропускную способность и делает наш протокол наиболее эффективным. Еще одним примером, при котором незаменим CoAP – это невозможность запуска MQTT и HTTP, как говорилось выше. Несомненно, такой протокол, был бы полезен для использования разработки концепции интернет-вещей в сфере жилищно-коммунального хозяйства [7]. XMPP. XMPP – это открытый протокол, основанный на XML. Он свободен для использования мгновенного обмена информацией в режиме максимально приближенном к реальному времени. Данный протокол с изначальной разработки легко расширяемый и передает не только текстовую информацию, но и воспринимает передачу голосу, видео и файлы по сети. XMPP можно назвать открытой федеративной системой. Абсолютно любой человек может открыть сервер для мгновенного обмена сообщениями, регистрации пользователей и взаимодействия с другими серверами XMPP [8]. Рисунок 6. Схема работы протокола XMPP  Основными преимуществами такого протокола являются: Децентрализация. То есть любой человек может без особых трудностей запустить собственный сервер без необходимости дополнительного центрального сервера. Такая возможность упрощает работу и уменьшает потребляемые ресурсы. Открытый стандарт. На данный момент существует множество реализаций серверов и пользователей. Сюда же можно включить уже существующие библиотеки с открытым исходным кодом. Это означает, что такой протокол прост в использовании и не требует дополнительных навыков. Бесконечная расширяемость. Абсолютно любой человек может свободно написать свое собственное расширение XEP, а после добавить его в протокол без дополнительных настроек и каких-то трудностей. Безопасность. Серверы данного протокола могут быть изолированы от публичных сетей XMPP, а также хорошо защищены встроенными в ядро спецификациями. Гибкость. Любая настраиваемая функциональность может быть надстроена поверх протокола. Однако, любая система, любой протокол, имеет как свои плюсы, так и минусы. Поговорим более подробно о недостатках XMPP: Неэффективность передачи бинарных данных. XMPP является, по сути, XML-документом, через который невозможно передавать не модифицированную двоичную информацию, что усложняет процесс работы с ним. Избыточность передаваемой информации. Протокол создает избыточный трафик для передачи сообщений о присутствии нескольким пользователям, что увеличивает объем передаваемой информации [9]. Modbus. Modbus – набор протоколов, которые используют различные способы физической связи устройств. Для примера можно привести интерфейс RS-485. В основе данных реализаций стоит последовательный протокол, использующий модель «ведущий – ведомый». «Ведущий» отправляет «ведомому» запрос, а второй уже ему отвечает. В стандартной сети присутствует один главный узел и до 247 дополнительных, подчиненных, которые отвечают на запрос основного. Но двухбайтовая система адресации способна ослабить данное ограничение [10]. Рисунок 7. Схема работы протокола Modbus  Интерфейс RS-485 осуществляет связь основного и подчиненных устройств при помощи пакетов, содержащих в себе код функции и различные данные. Данный код указывает, какое следующее действие необходимо будет предпринять. Для примера, команда на прочтение дискретных входных данных, данных из FIFO-очереди, выполнение диагностической операции. А уже дополнительные, ведомые устройства, получив задание, исполняют ее, отвечают, после отправляют пакет с простой структурой данных. За счет низкой вычислительной нагрузки, передача данных может быть для любых устройств – от элементарных датчиков до интеллектуальных контроллеров. На основании данной информации можно сказать, что Modbus довольно прост в использовании, что позволяет упрощенно работать с ним. Любой пользователь на основе данного протокола может создать сервер для обмена информацией между устройствами без дополнительных навыков и затрат. Но открытость Modbus делает его стандартном де-факто для индустриальных и SCADA-систем [11]. MQTT. MQTT — упрощённый сетевой протокол, работающий поверх TCP/IP. Он ориентирован для обмена информацией между устройствами, используя принцип «издатель - подписчик». MQTT прост в использовании, что является несомненным преимуществом использования данного протокола. Также к положительным сторонам данного протокола стоит отнести невысокую нагрузку на каналы связи, что не затруднит работу передачи данных, и работа в условиях постоянной потери связи, что позволит устройствам беспрерывно обмениваться сообщениями, несмотря на какие-то форс-мажорные факторы, связанные именно с потерей сети. В том числе, стоит упомянуть легкую встраиваемость в любую систему[12]. Основным предназначением MQTT является работа с телеметрией от различных устройств. Использование шаблона подписчика позволяет устройствам выходить на связь и выставлять сообщения, информация о которых не была предопределена заранее. Также протокол не вводит ограничений на формат передаваемых данных. Протокол разработан для маломощных встроенных устройств, а потому вычислительные требования, необходимые для реализации, минимальны. В том числе, в дополнение к низкой нагрузке системы, MQTT имеет высокую эффективность связи в любых сетях, в том числе с низкой пропускной способностью. При всем при этом в структуре передаваемых данных содержится мало служебность информации. Если сравнивать, например, с HTTP, то MQTT почти не нагружает сети передачей информации, которая необходима исключительно для функционирования протокола. По измерениям, сделанным в 3G-сетях, пропускная способность MQTT в 93 раза выше, чем протокола REST (Representational State Transfer), работающего поверх HTTP [13]. Рисунок 8. Схема работы протокола MQTT  Этот протокол использует минимальное количество методов, которые служат для указания действий, необходимых для выполнения. Данные действия сводятся к какому-либо взаимодействию с брокерами и к работе с такими сообщениями. Агенты подключаются и публикуют темы с сообщениями или подписываются на них, получая информацию из сообщения. При окончательном завершении работы, агент отключается от брокера [14]. 5. Технологии передачи данных Компьютерные сети – совокупность различных устройств, например, персонального компьютера и так далее, объединенных между собой для возможности передачи данных между ними. Работу сетей обеспечивают такие составляющие как компьютеры, средства передачи (например, сетевые кабели) и совокупность процедур (например, протоколы) [15]. Сейчас идет активное использование интернет сетей для передачи информации на большое расстояние и за короткий промежуток времени. Но даже таких сетей существует несколько с различными преимуществами и недостатками. Рассмотрим основные из них. Wi-Fi. Wi-Fi – это технология беспроводной передачи данных, основанная на стандарте IEEE 802.11. Эта технология берет свое начало с 1998 года из лаборатории CSIRO. Принцип работы таков: существует точка доступа, которая передает свой идентификатор сети SSID при помощи сигнальных пакетов со скоростью 0,1 Мбит/с. На основе SSID приемник определяет существование возможности подключения в этой сети. Если происходит попадание в зону покрытия двух точек доступа с идентичными SSID, то приемник самостоятельно определяем, к какой из этих двух точек доступа он будет взаимодействовать, основываясь на уровне сигнала [16][17]. У данной технологии передачи данных имеется множество преимуществ. Основные из них – это то, что Wi-Fi не требует прокладки сетевого кабеля для подключения пользователей к сети. Таким образом, человек может подключиться в любой точке, не погружаясь в «атмосферу» нескончаемых проводов. В том числе, за счет этого подключение может осуществлять не один пользователь, а несколько, так как такие ограничения, как кабель, отсутствуют. Сюда же относим и то, что у Wi-Fi гарантированная стоимость и большое распространение аппаратуры, поддерживающей данный стандарт. Почти любое устройство сейчас содержит возможность подключения к этой сети без дополнительных затрат средств [18]. И Wi-Fi имеет низкий уровень излучения устройств, что благоприятно влияет на экологию и здравоохранение. Рисунок 9. Топология сети Wi-Fi  Но стоит и посмотреть на недостатки такой сети. В диапазоне 2,4 Гц работает огромное количество устройств, из-за чего увеличиваются помехи и ухудшается сигнал, прерывая передаваемую информацию, а иногда и вовсе теряя ее. Также Wi-Fi использует большое количество служебного трафика, а точки доступа с эквивалентной изотропно-излучаемой мощностью выше 100 мВт подлежат регистрации, что затрудняет свободное использование такой сети в масштабах крупных проектов и большого количества устройств. Еще одним недостатком служит то, что радиус действия такой сети сильно ограничен. Можно использовать несколько модемов для переключения между друг другом, но такая реализация хороша для простых устройств, например, смартфонов, но может быть критична в крупных проектах [19]. ZigBee. ZigBee — спецификация сетевых протоколов верхнего уровня, то есть уровня приложений APS и сетевого уровня NWK. ZigBee использует сервисы нижних уровней (то есть уровней управления доступом к среде MAC и физического уровня PHY, которые регламентированы стандартом IEEE 802.15.4. ZigBee и IEEE 802.15.4 и описывают беспроводные персональные вычислительные сети).[20] Спецификация ZigBee основывается на приложения, которые требуют гарантированную безопасность передачи информации при небольшой скорости и длительной работы устройств от автономного источника питания, то есть батареи [21]. Особенностью такой технологии является то, что при малом энергопотреблении ZigBee поддерживает не только простые топологии сети (например, дерево, звезда и так далее), но также и самоорганизующиеся и самовосстанавливающиеся ячеистые топологии с маршрутизацией сообщений [22]. Рисунок 10. Топология сети ZigBee  Также данная спецификация содержит в себе возможность выбора алгоритма маршрутизации, основываясь на требования устройств, на состояние сети и механизм стандартизации устройств, то есть профили приложений, библиотеки, конечные точки, механизмы безопасности. ZigBee в том числе обеспечивает простоту развертывания, обслуживания и модернизации [23]. 6LoWPAN. 6LoWPAN – открытый стандарт, изначально разработанный для поддержки маломощных беспроводных сетей. Хотя сейчас этот стандарт адаптирован и под другие средства сетевой передачи [24]. 6LoWPAN подключается большое количество устройств к облачному хранилищу, откуда уже поступает информация на сервера и обратно. У описываемого стандарта есть ряд преимуществ, которые делают его прекрасным для технологии Интернет Вещей, а именно - 6LoWPAN поддерживает большие ячеистые сети, имеет малую мощность и IP-адресуемые узлы. Стандарт напрямую связывается с IP, не изменяя формат и коннектится с другими сетями через стандартные маршрутизаторы [25]. Рисунок 11. Топология сети 6LoWPAN  В стандартной конфигурации к точке доступа коннектится сразу несколько устройств, например, персональные компьютеры, серверы. Смартфоны и так далее. Сеть нашего стандарта за счет использования граничного маршрутизатора связывается и IPv6-сетью. Маршрутизатор же служит для того, чтобы осуществить обменять данными между устройствами, подключенными к 6LoWPAN и Интернетом, позволяет локально обмениваться данными между самими устройствами, а также формирует и обслуживает различные радио подсети [26]. 6LoWLAN часто используют для проектов IoT как один из самых удобных протоколов, хотя последнее время Thread (стандарт, созданный на основе этого) отодвигает его. LoRa. LoRa — это технология связи на большие (Long Range) расстояния, запатентованная компанией Semtech. LoRa использует LoRaWAN - MAC протокол канального уровня для сетей с множеством узлов с большим радиусом действия и низким энергопотреблением [27]. Рисунок 12. Топология сети LoRa  Так как LoRa определяет нижний физический уровень, верхние сетевые слои отсутствуют [28]. LoRaWAN был разработан для определения верхних слоев сети. LoRaWAN — это протокол уровня управления доступом к MAC, но действует в основном как протокол сетевого уровня для управления связью между шлюзами LPWAN и устройствами конечного узла как протокол маршрутизации [29]. XNB. Существует множество протоколов и стандартов сетей иностранных компаний, которые используются для создания приложений Интернета Вещей. Но стоит поговорить и о протоколе отечественного производства, который уверенно выходит на рынок и активно конкурирует со своими заграничными товарищами [30]. LPWAN протокол компании Стриж – это энергоэффективный беспроводной протокол, в основе которого лежит передача данных с применением узкополосного метода в полосе частот 868 МГц. Протокол действует на большие расстояния, но передает лишь небольшие пакеты данных, что окупается за счет возможности передачи большого количества этих самых пакетов. В первую очередь протокол компании «стриж» создан для подключения к Интернету Вещей, а также для дистанционного обмена информацией в M2M сетях [31]. Рисунок 13. Топология сети Стриж |