Интернет вещей

1. Интернет вещей

ИНТЕРНЕТ
ВЕЩЕЙ
Ответы к вопросам

2. Вопрос 1. Определение понятия “интернет вещей”

ВОПРОС 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ
“ИНТЕРНЕТ ВЕЩЕЙ”
➤
Intemet of Things (IoT, Интернет вещей) - это концепция
“умного дома”, где все (или многие) бытовые приборы и
системы управляются через Интернет.
➤
понятие интернета вещей предполагает взаимодействие
по схеме «машина – машина» с минимальным участием
человека.

3. Вопрос 2. Примеры применения “интернета вещей”

ВОПРОС 2. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ
“ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ”
➤
Пример 1. «Умные» счетчики
➤
В жилищно-коммунальном хозяйстве IoT-технологии нашли
применение в системах интеллектуальной
диспетчеризации — «умных» приборов учета ресурсов.
Подключенные к Интернету счетчики передают показания
в «облако», а диспетчер видит расход воды,
электричества или газа в отдельном доме,
квартале или в целом городе. Это дает возможность,
не заглядывая в квартиры собственников, в режиме
реального времени, иметь полную картину потребления
ресурсов, удаленно управлять приборами учета, оперативно
выставлять счета жильцам. Без обходчиков,
без обработчиков и без временных потерь.

4. Вопрос 2. Примеры применения “интернета вещей”

ВОПРОС 2. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ
“ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ”
➤
Пример 2. Сельское хозяйство
➤
Система для мониторинга влажности, температуры грунта
и других характеристик почвы. Датчик, «закрепленный»
за отдельным растением или участком с посевами,
отправляет информацию на облачный сервер, откуда
данные поступают оператору, выводя на экран состояние
саженца и рекомендации по улучшению его
плодоносных свойств.

5. Вопрос 3. Основные области применения “интернета вещей”

ВОПРОС 3. ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ
ПРИМЕНЕНИЯ “ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ”
➤
Быт. Телевизор, холодильник, принтер и вся система
«умный дом» могут быть доведены до полной
автоматизации.
➤
Безопасность. Внедрение IoT-технологии в охранную
систему позволит сканировать и отправлять фото- и
видеоданные, а искусственный интеллект будет способен
запоминать и распознавать людей.
➤
Промышленность. Производство станет
автоматизированным: системы мониторинга оповестят о
возможных проблемах и сбоях в работе оборудования, а
клиент сможет выполнить заказ удаленно.

6. Вопрос 3. Основные области применения “интернета вещей”

ВОПРОС 3. ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ
ПРИМЕНЕНИЯ “ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ”
➤
Медицина. Интернет вещей нужен для того, чтобы
персонализировать устройства, помогающие изучать и
контролировать жизненные показатели человека, а при
необходимости вызвать врача.
➤
Транспорт. В мире интернета вещей не будет пробок –
сеть датчиков и сенсоров распознает загруженность и
оптимизирует работу транспортных каналов.
➤
Ритейл. Обычные магазины снова станут конкурировать с
онлайн-бутиками – будут налажены автоматическая
передача и анализ информации о клиенте через POSтерминал.

7. Вопрос 4. История появления и развития “интернета вещей”

ВОПРОС 4. ИСТОРИЯ ПОЯВЛЕНИЯ И
РАЗВИТИЯ “ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ”
➤
Идея Интернета вещей впервые возникла еще в 1999 году
у Кевина Эштона - исследователя из Массачусетского
технологического института (МIТ), предложившего тогда
концепцию системы управления через Интернет
промышленными объектами. Интернет вещей
предполагает оснащение каждого устройства, будь то
пылесос, холодильник или стиральная машина, модулем
подключения к Интернету с возможностью
взаимодействия его с домашним компьютером или
смартфоном домовладельца.

8. Вопрос 5. Основные факторы повлиявшие на развитие “интернета вещей”

ВОПРОС 5. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ ПОВЛИЯВШИЕ НА
РАЗВИТИЕ “ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ”
➤
Первым событием, повлиявшим на зарождение Интернета вещей, стал взрывной
рост мобильных устройств, приложений и широкой доступности беспроводной связи.
➤
Другой вектор развития идет еще дальше, чем мобильные технологии, и затрагивает
датчики. Высокая стоимость датчиков на протяжение XX века ограничивала их
использование, за исключением передовых продуктов. Пятнадцать лет назад
использование одного, а тем более девяти датчиков, привело бы к повышению
стоимости продукта и его недоступности для среднего потребителя. Сегодня цена
всех этих датчиков составляет до 5 USD за штуку, а наиболее дешевые из них стоят
всего 0,07 USD. Именно датчики способствовали возникновению феномена, которое
сегодня мы называем термином «большие массивы данных».
➤
Другие факторы, которые внесли свой вклад в развитие Интернета вещей, особенно
в бизнесе и промышленных условиях, включают в себя экономически эффективное
облачное хранилище данных и более совершенные аналитические программы,
которые позволяют организациям управлять и извлекать информацию из огромного
количества данных. Датчик фиксирует их, а мобильная связь передает информацию
на другое устройство или в облако.

9. Вопрос 6. Определение понятия датчик

ВОПРОС 6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ
ДАТЧИК
➤
Датчик - это устройство, с помощью которого мы измеряем
значение какого-либо технологического параметра.
Датчики позволяют определять, что про исходит во
внешней среде, и действовать на основе этой
информации, - их, можно назвать органами чувств
системы. Любой датчик состоит из чувствительного
элемента и преобразовательного устройства,
выполняющего преобразование входного воздействия на
датчик любой физической величины в сигнал, удобный
для дальнейшего использования.

10. Вопрос 7. Примеры и Основные области применения датчиков

ВОПРОС 7. ПРИМЕРЫ И ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ
ПРИМЕНЕНИЯ ДАТЧИКОВ
➤
акселерометры- для обнаружения наклона (используются в смартфонах и планшетах);
➤
магнитометры - для обнаружения магнитных полей (используются при создании цифровых
компасов);
➤
инфракрасные датчики - для определения расстояния до объекта. В датчиках Sharp установлен
инфракрасный светодиод, излучающий через фокусирующую линзу узкий световой луч в
инфракрасном диапазоне. Отраженный от объекта луч направляется через другую линзу на
позиционно чувствительный фотоэлемент (Position-Sensitive Detector, PSD). Угол отражения луча
от объекта, а соответственно, и место на элементе PSD, куда попадает отраженный луч, зависят от
расстояния до объекта. А проводимость элемента PSD зависит от того, в какое место на нем
попадает отраженный луч. Проводимость эта преобразуется в напряжение, оцифровывая которое
аналого-цифровым преобразователем микроонтроллера, можно вычислить расстояние до объекта.
➤
датчики температуры-для определения температуры. По принципу действия датчик LM335
представляет собой; стабилитрон, у которого напряжение стабилизации зависит от температуры, при повышении температуры на один градус Кельвина напряжение стабилизации увеличивается на
1О милливольт.
➤
фоторезисторы-для измерения освещенности. В темноте сопротивление фоторезистора весьма
велико, но когда на него попадает свет, это сопротивление падает пропорционально освещенности.
При уменьшении освещенности фоторезистора сопротивление его будет возрастать, что приведет
к уменьшению напряжения на аналоговом входе.

11. Вопрос 8. Описание микропроцессоров Arduino

ВОПРОС 8. ОПИСАНИЕ
МИКРОПРОЦЕССОРОВ
ARDUINO
➤ Arduino – это инструмент для проектирования электронных устройств
(электронный конструктор) более плотно взаимодействующих с
окружающей физической средой, чем стандартные персональные
компьютеры, которые фактически не выходят за рамки виртуальности.
Это платформа, предназначенная для «physical computing» с открытым
программным кодом, построенная на простой печатной плате с
современной средой для написания программного обеспечения.
➤
Arduino применяется для создания электронных устройств с
возможностью приема сигналов от различных цифровых и аналоговых
датчиков, которые могут быть подключены к нему, и управления
различными исполнительными устройствами. Проекты устройств,
основанные на Arduino, могут работать самостоятельно или
взаимодействовать с программным обеспечением на компьютере
(напр.: Flash, Processing, MaxMSP).

12. Вопрос 9. Описание микрокомпьютеров Raspberry Pi.

ВОПРОС 9. ОПИСАНИЕ
МИКРОКОМПЬЮТЕРОВ RASPBERRY PI.
➤
Raspberry Pi - это миниатюрный, размером с кредитную
карту, компьютер. Одним из основных преимуществ
Raspberry Pi является соотношение качества продукта и
его стоимости.
➤
Одна из главных и привлекательных особенностей
Raspberry Pi - наличие на плате аппаратных портов
ввода/вывода GPIO (General Purpose lnput/Output,
интерфейс ввода/вывода Qбщего назначения), что
открывает перспективы использования его в
робототехнических проектах и устройствах «умного дома».

13. Вопрос 10. Протоколы IPv4 и IPv6.

ВОПРОС 10. ПРОТОКОЛЫ IPV4 И IPV6.
➤
Internet Protocol (IP) – это набор правил, определяющих
формат данных, отправляемых через Интернет или
другую сеть. Проще говоря, это способ, с помощью
которого информация перемещается по Интернету.

14. Вопрос 11. Сетевые топологии

ВОПРОС 11. СЕТЕВЫЕ ТОПОЛОГИИ
➤
Сетевая топология шина (bus), при которой все
компьютеры параллельно подключаются к одной линии
связи и информация от каждого компьютера
одновременно передается всем другим компьютерам.

15. Вопрос 11. Сетевые топологии

ВОПРОС 11. СЕТЕВЫЕ ТОПОЛОГИИ
➤
Cетевая топология звезда (star), при которой к одному
центральному компьютеру присоединяются другие
периферийные компьютеры, причем каждый из них
использует свою отдельную линию связи

16. Вопрос 11. Сетевые топологии

ВОПРОС 11. СЕТЕВЫЕ ТОПОЛОГИИ
➤
Cетевая топология кольцо(ring), при которой каждый
компьютер передает информацию всегда только одному
компьютеру, следующему в цепочке, а получает
информацию только от предыдущего компьютера в
цепочке, и эта цепочка замкнута в «кольцо»

17. Вопрос 12. Беспроводные сети Wi-Fi

ВОПРОС 12. БЕСПРОВОДНЫЕ СЕТИ WI-FI
➤
Под термином Wi-Fi обычно подразумевают не столько
технологии и протоколы, сколько беспроводную локальную
сеть (Wireless LAN, или WLAN). Это связано с тем, что
наиболее распространенное применение данной
технологии — обеспечение устройствам доступа к
локальной сети и Интернету без прямого подключения
через Ethernet-кабель.
➤
IEEE 802.11b Wi-Fi
➤
Это первый протокол из семейства 802.11. Он был
разработан в 1999 г., действует в ISM-диапазоне с
частотой 2,4 ГГц и использует широкополосную
модуляцию с прямым расширением спектра, называемую
также кодированием с применением дополнительных
кодов.

18. Вопрос 12. Беспроводные сети Wi-Fi

ВОПРОС 12. БЕСПРОВОДНЫЕ СЕТИ WI-FI
➤
IEEE 802.11a Wi-Fi
➤
Данный протокол работает в диапазоне частот 5 ГГц. Он способен передавать потоки
данных со скоростью до 54 Мбит/с
➤
Особенностью протокола IEEE 802.11a является то, что для достижения
работоспособной модуляции и, следовательно, скорости приемо-передатчики на
каждом конце линии связи соединяются, основываясь на локальной радиочастотной
среде. Это может быть большим преимуществом для устройств, которым требуется
высокая скорость передачи данных в условиях внешних помех, или для системы с
множеством устройств. Высокая скорость в IoT означает более короткое время
передачи и, соответственно, меньшую загруженность выделенной полосы частот.
Кроме того, поскольку протокол IEEE 802.11a использует диапазон с частотой в 5
ГГц, это обеспечивает большую ширину полосы пропускания.
➤
Проблемы, которые касаются области частот 5 ГГц. Дело в том, что в некоторых
странах этот диапазон применяется для трансляции спутникового телевидения, в
целях радиолокации и т. д. Сигналы от такой техники могут вносить помехи в работу
Wi-Fi-устройств, использующих спецификацию IEEE 802.11a, поэтому некоторые
каналы в этой полосе могут быть им недоступны.
➤
Еще одна проблема касательно IEEE 802.11a заключается в том, что многие
беспроводные транзитные сети также работают в частотном диапазоне 5 ГГц,
поэтому из-за высокой мощности соседнего канала или диаграммы направленности
антенны вблизи таких сетей Wi-Fi-устройства могут сталкиваться со значительными
помехами.

19. Вопрос 12. Беспроводные сети Wi-Fi

ВОПРОС 12. БЕСПРОВОДНЫЕ СЕТИ WI-FI
➤
Wi-Fi HaLow
➤
Одна из новых технологий Wi-Fi, HaLow, основана на
стандарте IEEE 802.11ah, который был ратифицирован в
октябре 2016 г. Это первый стандарт Wi-Fi, специально
разработанный для приложений IoT. Он был введен для
решения проблем диапазона и мощности «Интернета
вещей». Протокол 802.11ah использует лицензионную
полосу частот в субгигагерцовом ISM-диапазоне 900 МГц
(конкретная частота будет зависеть от страны и региона).
Это позволяет увечить радиус покрытия и одновременно
выполнить требования по снижению потребляемой
мощности. Использование предопределенных периодов
пробуждения и активности оптимизирует
энергопотребление и обеспечивает дальность действия
в радиусе до мили (около 1609 м).

20. Вопрос 13. Технологии ZigBee и ее особенности.

ВОПРОС 13. ТЕХНОЛОГИИ ZIGBEE И ЕЕ ОСОБЕННОСТИ.
➤
Спецификация ZigBee разработана для создания дешевых
беспроводных сетей с низким энергопотреблением используемых
для передачи небольших объемов данных. Областями применения
таких сетей являются:
➤
1. Автоматизация коммерческих зданий, где технология ZigBee
используется для связи датчиков температуры, влажности,
освещения, вентиляции и т.д.
➤
2. Системы промышленного контроля, автоматизация
производственных процессов.
➤
3. Домашняя автоматизация и системы "Умный Дом".
➤
Как и Wi-Fi, Zigbee использует частотный диапазон 2,4 ГГц, который
не требует разрешений для передачи данных этим беспроводным
каналом. Благодаря этому упрощается процесс развертывания и
настройки «Умного дома», а также снижаются эксплуатационные
затраты на связь.
➤
Система Zigbee владеет ячеистой топологией и использует
специальные алгоритмы маршрутизации, которые отличаются от
других алгоритмов беспроводной связи.

21. Вопрос 13. Технологии ZigBee и ее особенности

ВОПРОС 13. ТЕХНОЛОГИИ ZIGBEE И ЕЕ ОСОБЕННОСТИ
➤
Пример. Датчик протечки воды, подключаемый через WiFi, находится на большом расстоянии от Wi-Fi роутера и
между ними стоят 2 бетонные стены. В момент аварии
датчик может попросту не передать сигнал о протечке изза слабого Wi-Fi сигнала. Роутер не получит сигнал о
срабатывании датчика, не передаст этот сигнал в центр
управления, центр управления не перекроет вентиль, и
произойдёт затопление. Но если умный дом работает на
зигби, то при слабой прямой связи между датчиком и
центром управления сигнал передается не напрямую, а
через другие устройства: лампочку в коридоре,
выключатель в комнате или умную розетку. То есть другие
приборы выступают как промежуточные станцит при
передаче сигнала о протечке в контроллер умного дома и
обратного сигнала о перекрытии вентиля.

22. Вопрос 13. Технологии ZigBee и ее особенности

ВОПРОС 13. ТЕХНОЛОГИИ ZIGBEE И ЕЕ ОСОБЕННОСТИ
➤
Энергопотребление. Очень низкое энергопотребление
Zigbee-модулей достигается за счёт специального режима
“сна”, когда устройство не используется, и низкой
пропускной способности передачи данных (250 Кбит/с
против 300-1000 Мбит/с у Wi-Fi). Высокая пропускная
способность не нужна зигби, ведь нужно передавать
совсем небольшие объёмы данных от датчиков и
электроприборов, а вот Wi-Fi должен обеспечивать
просмотр видео в реальном времени и т.п. В результате
Zigbee-модуль может работать несколько месяцев на
простой батарейке.

23. Вопрос 14. Технология Bluetooth Low Energy и ее особенности

ВОПРОС 14. ТЕХНОЛОГИЯ BLUETOOTH
LOW ENERGY И ЕЕ ОСОБЕННОСТИ
➤
Bluetooth Low Energy – это интеллектуальная и экономичная версия
беспроводной технологии Bluetooth.
➤
Как только люди научились передавать информацию без помощи
проводов, встала задача передачи данных, используя устройство с
батарейным питанием. Проблема в том, что ему должно помогать
другое устройство, которое будет постоянно либо прослушивать
эфир, либо передавать данные. Проблема возникает в том случае,
если и приемник и передатчик имеют батарейное питание. В этом
случае приходит на помощь BlueTooth Low Energy (BLE).
➤
Для передачи и приема данных необходима энергия, поэтому
поднимают скорость передачи данных, что бы в единицу времени
успеть передать больше информации. Для этого в BLE принята
скорость передачи информации в 1 Mbit/c. Однако не только скорость
передачи данных важна. Самым важным в BLE является то, что
устройства связи умеют переходить в синхронный режим работы.
Другими словами, устройства спят 99% времени, потом просыпаются
на очень короткое время, обмениваются информацией и опять
засыпают.

24. Вопрос 15. Технология LPWAN и ее особенности.

ВОПРОС 15. ТЕХНОЛОГИЯ LPWAN И ЕЕ ОСОБЕННОСТИ.
➤
Технология модуляции LoRa™ (от англ. Long
Range) представляет собой метод модуляции, который
обеспечивает значительно большую дальность связи
(зону покрытия), чем другие конкурирующие с ним
способы. Этот тип модуляция основывается на технологии
модуляции с расширенным спектром и вариации линейной
частотной модуляции с интегрированной прямой
коррекцией ошибок FEC. Технология LoRa значительно
повышает чувствительность приемника и, аналогично
другим методам модуляции с расширенным спектром,
использует всю ширину полосы пропускания канала для
передачи сигнала, что делает его устойчивым к канальным
шумам и нечувствительным к смещениям, вызванным
неточностями в настройке частот при использовании
недорогих опорных кварцевых резонаторов.

25. Вопрос 15. Технология LPWAN и ее особенности.

ВОПРОС 15. ТЕХНОЛОГИЯ LPWAN И ЕЕ ОСОБЕННОСТИ.
➤
Модуляция LoRa является, физическим уровнем, а LoRaWAN (Long Range
Wide-Area Networks) – это MAC протокол для высокоёмких сетей с
большим радиусом действия и низким собственным потреблением
мощности, который организация под названием LoRa Alliance
стандартизировала для маломощных глобальных радиальных сетей
LPWAN (Low Power Wide Area Networks) типа звезда. Протокол LoRaWAN
оптимизирован для малобюджетных сенсоров с работой от батарей и
включает в себя различные классы узлов, обеспечивая компромисс между
скоростью доставки информации и временем работы устройств при
использовании питания от батарей (аккумуляторов.) Протокол
обеспечивает полную двухстороннюю связь, а архитектура посредством
специальных методов шифрования, обеспечивает общую надежность и
безопасность всей системы.
Архитектура LoRaWAN была разработана для облегчения обнаружения
мобильных объектов, что является одним из наиболее быстро растущих
приложений на уровне Интернета вещей IoT (Internet Of Things). Протокол
LoRaWAN разрабатывается для использования в общенациональных
сетях крупных операторов связи. С этой целью организация LoRa Alliance
стандартизирует свой протокол LoRaWAN с учетом совместимости и
взаимодействия со всеми основными глобальными операторами.

26. Вопрос 15. Технология LPWAN и ее особенности.

ВОПРОС 15. ТЕХНОЛОГИЯ LPWAN И ЕЕ
ОСОБЕННОСТИ.
➤
Скорость передачи данных по протоколу LoRaWAN в
системе LoRa лежит в диапазоне от 0,3 до 11 кбит/с. Для
Европы доступен один GFSK канал передачи информации
с подтоком данных в 50 кбит/с. В Северной Америке, из-за
ограничений, накладываемых FCC, минимальная скорость
передачи данных составляет 0,9 кбит/с.

27. Вопрос 16. Перспективы развития интернета вещей

ВОПРОС 16. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ
➤
Влияние интернета вещей или любой другой технологии проявляется
в виде:
➤
новых источников дохода (получение электроэнергии экологически
чистым методом);
➤
сокращения расходов (уход за пациентами на дому);

➤
сокращения срока вывода продукта на рынок (автоматизация
производства);
➤
усовершенствования структуры цепочки поставок (учет
материальных активов);
➤
сокращения производственных потерь (кража, порча товаров
с коротким сроком годности);
➤
овышения производительности (машинное обучение и анализ
п
данных);
➤
вытеснения (умный термостат Nest вытесняет с рынка обычные
термостаты).