Прежде чем перейти к статье, хочу вам представить, экономическую онлайн игру Brave Knights, в которой вы можете играть и зарабатывать. Регистируйтесь, играйте и зарабатывайте!
Цель статьи
Целью написания данного материала является попытка систематизировать и упорядочить разрозненную информацию об IoT кратким и понятным техническим языком, познакомить читателя с технологиями на которых IoT базируется в историческом контексте промышленной эволюции, перечислить основные бизнес сектора применения IoT.
Также узнаем основные компоненты типового IoT решения, познакомимся с основными технологиями и протоколами передачи данных. Отдельная глава будет посвящена участникам рынка IoT, задающими направления и правила развития технологий — профессиональным ассоциациям компаний производящих IoT устройства, регуляторам ЕС и США, органам стандартизации. Для финансистов и владельцев бизнесов представим основных участников на рынке венчурного инвестирования в IoT стартапы США и ЕС.
Internet of Things - новая технологическая реальность
Internet of Things, несомненно, отражает новую реальность человечества, при которой все больше устройств соединены между собой, способны к обмену и анализу данных и имеют доступ к глобальным сетям. Потенциал для развития сетевой интеграции и инноваций не поддается оценке.
Internet of Things в промышленности и потребительском рынке, Industrial IoT и Consumer IoT, взаимно дополняют друг друга и создают многоуровневую экосистему современных технологических решений.
1. Исторический контекст
1.1 Промышленные революции
Мы переживаем четвертую глобальную промышленную революцию. Первая Промышленная революция представила миру паровой двигатель, уголь в качестве источника энергии, структурную модернизацию фабрик (производство текстиля) и продолжалась с конца 18-го века до середины 19-го.
Вторая отметилась использованием электричества, развитием сталелитейного производства, изобретением двигателя внутреннего сгорания, развитием сетей телеграфа и железных дорог, производством товаров народного потребления и продолжалась до начала 20-го века.
По результатам Третьей, «цифровой» революции компьютеры и автоматизация стали частью производственного процесса, уменьшилась потребность в ручном труде, интернет и международная торговля и обмен ресурсами переформатировали мировую экономику.
Современная четвертая революция примененяет на производстве, и в повседневной жизни технологий Artificial Intelligence (AI), Machine Learning (ML), Internet of Things (IoT), Big Data, CloudTechnologies, Advanced Robotics (AR).
1.1.1 Industry 4.0
Неологизм Industry 4.0, изначально появившийся в Германии термин, в рамках реализации частно-государственной программы создания автоматизированных и взаимодействующих с внешней средой производств. Связанная с ней Work 4.0 концепция задает ориентиры трудового рынка будущего. Термины «Четвертая промышленная революция» и «Industry 4.0» являются синонимами.
Характеристики Industry 4.0 производств:
Interconnectivity: Устройства, станки, машины и системы соединены между собой и способны обмениваться данными.
Smart Manufacturing: Устройства, станки, машины и системы оснащены сенсорами, отслеживающими процессы на производстве и способными вносить изменения для их оптимизации.
Cyber-Physical Systems: Процессы и средства производства сочетают в себе физические (машины, системы) и цифровые (software) компоненты.
1.2 Фундамент современного IoT в ретроспективе технологий
Современный IoT, особенно его промышленный сегмент, базируется на идеях и технологиях, которые были придуманы достаточно давно и присутствуют под капотом многих современных "инновационных" IoT решений. Рассмотрим основные:
1.2.1 Sensors и Actuators (датчики и приводы)
Сенсоры (датчики) измеряют физические характеристики объекта (температура, давление и др.) и конвертируют их в электрический сигнал. Это "пассивные" устройства используемые человеком для принятия решения и внесение изменений.
Приводные устройства (актуаторы) работают комплементарно с сенсорами. Конвертируют входящий управляющий электрический или радиосигнал в механическую или иную форму энергии, привод про-активно совершает заданные изменения в своем окружении.
1.2.2 Концепция М2М, machine to machine
M2M – прямая коммуникация между приборами или машинами без участия человека. Первые кейсы систем М2М можно смело отнести к началу 20-го века (удаленное наблюдение за погодой с применением радиозондов и воздушных шаров). До повсеместного применения компьютеров в производстве применялись механические, электрические, гидравлические, семафорные и радио способы передачи данных (внесения изменений).
1.2.3 Автоматизация производства (Industrial Automation, Industrial IoT)
Машинное производство, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам. Это позволяет значительно повысить производительность труда, обеспечить стабильное качество продукции, сократить долю ручного труда и ошибок человеческого фактора. Повысить качество продукции и снизить издержки все, о чем может мечтать владелец производства
Некоторые технические компоненты, обеспечивающие автоматизацию на производстве:
Микроконтроллер — это микросхема (Microcontroller Unit, MCU), используемая для управления и контролирования электронного устройства, MCU встраивается в прибор, на котором присутствуют датчики и приводы. Микроконтроллер объединяет на одном кристалле функции процессора, периферийных устройств и памяти. Это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Упомянем для общего развития самые распространенные бренды MCU в IoT - Arduino, Raspberry Pi, Nordic Semiconductor, TI MSP430, Particle Boards, Helium Atom и ESP8266. MCU в IoT имеют свою специализацию в зависимости от проекта, могут применяться разные типы разрядности, на 8, 16 и 32-bit в зависимости от необходимой памяти, размеров, мощности и энергопотребления устройств.
PLC, Programmable logic controller, программируемый контроллер, это индустриальный мини компьютер, используемый при автоматизации процессов производства. Выполняет функции сбора информации, логической обработки данных и управления объектами в соответствии с загруженной пользовательской программой. Промышленный PLC служит прежде всего для замены релейно-контактных схем и жесткой логической связи между датчиками, исполнительными механизмами, автоматикой. PLC работают без регулярного обслуживания и практически без вмешательства человека. PLC получает данные от датчиков, кнопок, выключателей, обрабатывает их с помощью логических операций и выдает сигналы управления на исполнительные механизмы. PLC это всегда внешние устройства и они выполняют более сложные и мультизадачные операции по сравнению с MCU.
DCS, Distributed Control System, компьютеризированная система управления технологическим процессом или установкой, обычно со множеством контуров управления, в которых автономные контроллеры (для простоты скажем что это PLC) распределены по всей системе.
SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) можно рассматривать как программное управление на более высоком уровне систем M2M. В системе SCADA связь M2M происходит между устройствами в полях и центральной системой управления.
Industrial IoT (IIoT), это эволюционное развитие принципов М2М и Industrial Automation с более обширной и развитой экосистемой подключенных устройств и более совершенными технологиями обмена данными.
2. Секторы коммерческого применения IoT и их перспективы
Условно можем разделить случаи применения технологий IoT на два основных сегмента – “ConsumerIoT” и “Industrial IoT”.
Причем именно потребительский рынок устройств благодаря своему взрывообразному росту и послужил причиной появления отдельного buzzword.
Наиболее значимые сектора применения IoT, по количеству активных устройств:
Секторы IoT, лидеры по обсолютному количеству активных устройств
Smart Home (Smart TV, Kitchen и Household appliances, HVAC системы контроля температуры и вентиляции в зданиях).
Industrial and Manufacturing IoT – все виды крупномасштабного и организованного производства товаров и услуг, выигрывающие от автоматизации и диджитализации своих процессов.
Connected Vehicles (Навигация (ADAS, V2V, V2X), Диагностика, Платежи, Телематика).
Smart Cities (Traffic control, Динамические сфетофоры, Smart parking и др.).
Сельское хозяйство (Livestock monitoring, Precision farming, Weather monitoring, и др.).
Healthcare and Medical Devices (мониторинг пациентов, смарт часы, инвентаризация).
На порядок обогнав остальные по количеству устройств, лидирует сектор «Smart Homes».
Тем не менее, группируя по динамике роста, порядок будет уже следующим:
Бизнес сектора IoT сгруппированные по динамике роста
Industrial and Manufacturing IoT.
Smart Cities.
Healthcare.
Smart Home.
Connected Vehicles.
Сельское хозяйство (Agriculture).
Некоторые сектора могут относиться как к потребительскому, так и к индустриальном сегменту IoT, например Healthcare может применять Industrial IoT технологии при производстве лекарств или медицинских устройств на заводе, или иметь среди своих продуктов Consumer IoT устройства - смарт часы или датчики мониторинга пациента.
3. Основные компоненты IoT системы
Схематически, типовое IoT решение содержит следующие базовые компоненты:
IoT Devices (конечные устройства или «things» и их SDK).
Connectivity (стандарты, технологии и протоколы передачи данных выбранные в данной архитектуре).
Gateway and/or Edge (применяется не всегда, но часто).
Platform (локально или в облаке, middleware обработки данных и управления IoT устройствами). Также UI.
Рассмотрим каждый компонент более подробно.
3.1 IoT devices
Конечные устройства, или “Things” это обособленные физические устройства или устройства с встроенным (embedded) функционалом, позволяющий этим устройствам быть:
Interconnected, обмениваться данными (с другими устройствами и сетями).
Smart, взаимодействовать с внешним, нецифровым миром посредством сенсоров, датчиков и приводов (actuators).
Cyber-Physical, сочетать в работе и управлении hardware и software компоненты (сенсоры, датчики, приводы, микроконтроллеры и программное обеспечение).
О Smart TV
Удивительно, но профессионалы из IoT не относят Smart ТВ к категории IoT устройств, в них нет сенсоров и способности оперировать и принимать решения самостоятельно без участия человека, а его способность быть подключенным к интернету еще не делает его частью мира IoT. А тот же холодильник или робот пылесос удовлетворяют перечисленным выше трем критериям IoT устройства.
3.1.1 Device SDK
Software Development, SDK устройств – это набор библиотек, инструментов, шаблонов исходного кода, позволяющие оптимизировать разработку ПО для устройства. Данное ПО позволяет обеспечить взаимодействие устройств между собой и платформой (облаком) т.е. быть interconnected и cyber-physical. SDK предоставляются как производителями устройств так и разработчиками платформ и часто применяются в совокупности.
3.2 Connectivity
Правильный выбор технологий, стандартов и протоколов передачи данных – жизненно важно для каждого IoT решения. В зависимости от специфики проекта и бизнес сегмента, способ обмена данными как на физическом, так и на прикладном уровне может кардинально отличаться. Чуть ниже приведен раздел, раскрывающий разнообразие существующих способов обмена данными в сфере IoT. Отметим два типа физической передачи данных, проводной и беспроводной, с явным преобладанием последнего в трендах современного IoT.
3.3 Gateway или Edge
Шлюз (IoT) является важным компонентами многих решений IoT, выступая в качестве посредника или моста между устройствами IoT и платформой, обеспечивая надежный обмен данными. Он централизованно агрегирует и управляет коммуникациями между устройствами и платформой.
Edge (IoT) в строгом понимании не являясь gateway, делает акцент на локальной обработке данных, что особенно может быть полезно в случае нестабильного интернета (например функционал Shadowing).
3.4 IoT Платформа
Ни одно IoT решение не существует без IoT платформы. IoT платформы не создаются обычно ради одной единственной цели, они решают несколько стратегических задач, перечислим основные:
Connectivity Platform (обеспечивают interconnectedness устройств и внешний сетей, облака).
Device Management Platform (позволяют централизованно управлять большим количеством устройств на основании их телеметрии (обычно устройства сгруппированы по типам, т.н. device fleetmanagement, могут достигать десятков и сотен тысяч активных устройств).
Application Enablement Platform, AEP (название говорит за себя, создание пользовательских бизнес приложений, industry-agnostic).
Analytics Platform (анализ и визуализация данных поступающих с IoT устройств).
Network Provider Platform является по сути Connectivity Platform, с единственной разницей что используется инфраструктура телеком провайдера, например AT&T, Orange, Verizon и на физическом уровне передачи данных применяются технологии мобильной связи.
Business Platform (aka Platform Enabled Solutions, PES) представляет случаи коробочных IoT решений, обычно решающие нишевые задачи следующих секторов - Building Management (Smart Homes), Oil & Gas and Mining (Industrial and Manufacturing), Logistics & Transportation (Connected Vehicles). Отличаются небольшими сроками внедрения и кастомизации.
10 популярных IoT платформ от интеграторов
Важно различать IoT платформу конкретного IoT решения, управляющего флотом IoT устройств и IoT платформу от крупного IT интегратора, решающие задачи автоматизации и цифровизации производств, это разные виды платфом.
Говоря об IoT платформе с точки зрения интегратора имеем в виду обычно производство, и владелец производства и менеджмент с помощью IoT платформы от интегратора решает упомянутые задачи Industry 4.0.
Interconnectivity: Устройства, станки, машины и системы соединены между собой и способны обмениваться данными.
Smart Manufacturing: Устройства, станки, машины и системы оснащены сенсорами, отслеживающими процессы на производстве и способными вносить изменения для их оптимизации.
Cyber-Physical Systems: Процессы и средства производства сочетают в себе физические (машины, системы) и цифровые (software) компоненты.
Amazon AWS IoT
AT&T IoT Platform
Oracle IoT
Cisco IoT Cloud Connect
Bosch IoT Suite
Ericsson Application Platform for IoT
IBM Watson IoT Platform
Microsoft Azure IoT
PTC ThingWorx Technology Platform
Arm Pelion IoT Platform
4. Выбираем Connectivity
Рассказывая о протоколах и технологиях применяемых в IoT, немного вспомним основы передачи данных в сетевых системах.
4.1 Сетевые модели OSI и TCP/IP
Модели OSI (Open Systems Interconnection) и TCP/IP — это две ключевые концептуальные модели, которые описывают процессы передачи данных в компьютерных сетях. OSI была разработана как теоретическая модель до создания большинства современных технологий и стандартов, лучше подходит для образовательных целей и менее популярна среди практических разработчиков протоколов и технологий. TCP/IP была разработана на основе уже существующих технологий и протоколов, поэтому она более прагматична, гибка и адаптивна к новым технологиям.
Обе эти модели определяют, как данные должны быть упакованы, адресованы, переданы, маршрутизированы и получены на конечном устройстве, структурируя и абстрагируя сложный процесс передачи данных по сети на более мелкие и управляемые части (уровни).
Именно разделение сетевой архитектуры на уровни позволяет иметь такое многообразие сетевых технологий, стандартов и протоколов. Можно доработать функциональность на любом из уровней в зависимости от специфики и задач твоего проекта или продукта, что, несомненно, очень удобно, особенно в случае т.н. "открытых протоколов".
Сетевая концептуальная модель OSI
Создана международной организацией по стандартизации (ISO) в начале 1980х годов. Состоит из семи уровней:
Физический (Physical Layer)
Канальный (Data Link Layer)
Сетевой (Network Layer)
Транспортный (Transport Layer)
Сеансовый (Session Layer)
Представления данных (Presentation Layer)
Приложений (Application Layer)
Сетевая модель TCP/IP или Internet Protocol Suite
Именно suite, пакет протоколов, чтобы подчеркнуть, что в модели учитывается не только два основных давших название TCP и IP, но и множество других. Изначально в модели было 4 уровня, но в результате технического развития трансформировалась до 5 уровней (канальный разделили на два и еще два переименовали). Стандарты технологий и протоколов поддерживается разными организациями в зависимости от уровня сетевой модели:
Internet Engineering Task Force, IETF (уровни 3-5)
Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE (уровни 1 и 2).
4 уровня оригинальной сетевой модели TCP/IP:
Канальный (Link Layer)
Сетевой (Internet Layer)
Транспортный (Transport Layer)
Приложений (Application Layer)<o:p></o:p>
Обновленная модель TCP/IP из 5 уровней:
Физический (Physical Layer)
Канальный (Data Link Layer)
Сетевой (Network Layer)
Транспортный (Transport Layer)
Приложений (Application Layer)
4.1.1 Последовательность передачи данных в разрезе уровней сетевой модели
Чтобы понять, как создаются и дорабатываются сетевые протоколы для целей IoT рассмотрим, что происходит с данными и в какой последовательности при передаче их по сети в разрезе сетевой модели OSI.
Порядок передачи данных по уровням сетевой модели
На уровне приложения (Application layer) данные находятся в конечном формате, понимаемом приложением, например HTML для браузера или SMTP для почтового клиента. На этом уровне (и двух последующих по OSI модели) работают такие протоколы как HTTP, MQTT, CoaP и др. На этом уровне происходит сериализация и де-сереализация данных с помощью XML, JSON и JSON-производных типа CBOR.
На уровне представления данных (Presentation layer) данные могут быть сжаты, зашифрованы, преобразованы в формат для передачи по сети. Но могут и не быть, как в случае «облегченных» протоколов типа MQTT, которые пересылают данные в текстовом формате для экономии вычислительных ресурсов устройств.
На уровне сеанса (Session layer) устанавливается и ликвидируется соединение между отправителем и получателем данных в формате сообщений).
На транспортном уровне (Transport layer) данные разбиваются на т. н. сегменты (для TCP) или датаграммы (для UDP). Добавляются заголовки (headers) содержащие номера портов и контрольные суммы проверки ошибок (для TCP). Отметим, что в случае IoT на этом уровне чаще применяется именно UDP.
На сетевом уровне (Network layer) добавляются заголовки IP протокола (headers) сетевого уровня с данными о маршрутизации (IP адресах отправителя и получателя). Данные на этом уровне формируются в т.н. пакеты.
На канальном уровне (Data Link layer) пакеты сетевого уровня пополняются заголовками с данными о MAC адресах отправителя и получателя и формируются т.н. фреймы (frames).
На последнем при отправлении и первом при получении данных, физическом уровне (Physical layer) данные представляют собой набор битов – последовательность электрических, радио сигналов или импульсов света).
Передача данных по уровням всегда последовательна, перескакивать уровни нельзя, данные инкапсулируются и заголовки, их размеры и сложность, варьируются на каждом уровне в зависимости от применяемого протокола.
4.2 Как IoT влияют на сетевые технологии и протоколы
IoT, предъявляются конкретные требования к устройствам, сетям и протоколам, перечислим некоторые :
Энергопотребление устройств и сетевых протоколов должно быть минимальным. Устройства должны уметь работать от батареек до нескольких лет. Сетевые протоколы максимально облегчаются, уюираются по возможности лишние операции (например компрессия данных).
Пропускная способность сетей должна быть более оптимальной (Bandwith, MTU пакета - Maximum Transmission Unit подстраиваются под конкретные требования).
Большее разнообразие беспроводных технологий, способность эксперементировать с частотой и модуляцией радиосигнала в зависимости от окружающей среды, дальности и окружающих помех.
Способность протоколов и сетевых технологий поддерживать обмен данными с большим количеством устройств (десятков и сотен тысяч). Т.н. scalability.
Технологии, стандарты и протоколы передачи данных (в чем разница)
Кратко поясним разницу между понятиями как способ передачи данных, технология, стандарт и протокол.
Способ (medium) | Технология | Стандарт | Протокол |
Определет как данные передаются физически - ток по проводам, свет по стеклянной трубке, радио сигнал или телепатия. | Обычно подразумевает физическое оборудование + правила формирования данных на физических уровнях сетевой модели. | Набор спецификаций для производителей железа для обеспечения совместимости устройств у разных производителей. | Набор правил как формировать и преобразовывать данные на одном или нескольких уровнях сетевой модели. |
Например технологии Ethernet и Wi-Fi это не только соответствующее железо но и одноименные протоколы, работающие на низких уровнях сетевой модели (физический и канальный). А Bluetooth технология это одновременно и уникальные собственные протоколы на всех уровнях включая транспортный и сетевой.
4.3 Специфика бизнеса при выборе технологии connectivity
Очевидны различия в применении и выборе connectivity в зависимости от сектора. В сельском хозяйстве или connected vehicles задействуется беспроводной обмен данными на большие расстояния, в то время как smart home устройства работают в помещении на небольшом удалении друг от друга. Smart City устройства должны уметь преодолевать препятствия в виде зданий и большого количества радиопомех.
Вот некоторые из критериев, которые надо принимать во внимание при планировании:
Питание (батарея или от сети).
Коммуникация (беспроводная или проводная).
Пространство (открытое или через стены комнат и здания, другие помехи).
Расстояние передачи (близкое или дальнее).
Скорость, пропускная способность, допустимая задержка, требования к безопасности.
4.4 Примеры сетевых технологий и протоколов применяемые в Consumer и Industrial IoT
Беспроводные технологии IoT ближнего радиуса действия
Беспроводные технологии IoT дальнего радиуса действия
Проводные технологии и протоколы применяемые в IoT
Некторые технологии в данном перечне могут также работать в беспроводном режиме, но изначально проектировались как проводные.
5. Регуляторы и профессиональные участники определяющие развитие рынка и технологий IoT
5.1 Ассоциации и консорциумы коммерческих компаний
https://www.iiconsortium.org/ или https://www.isa.org/ - крупнейшая мировая и американская ассоциация занимающаяся развитием, исследованиями, разработкой и поддержкой POC и валидацией решений IoT. В консорциум входят такие мастодонты промышленности как General Electric, Cisco, Intel, IBM, Microsoft и другие.
https://aioti.eu/ - европейский альянс (Брюссель), который делает примерно тоже самое но для рынка ЕС.
5.2 Международные некомерческие организации
https://www.ieee.org/ - крупнейшая некомерческая организация с более чем 400 000 членами в 160 странах, разработывает стандарты, ведет научные исследования, занимается образованием и развитием технологий. Именно это организация занимается развитием стандартов и протоколов на физическом и канальном уровнях сетевой модели (все что связано с железом это IEEE).
https://www.ietf.org - ключевая организация, занимающихся разработкой и стандартизацией протоколов Интернета. IETF — это открытое международное сообщество, заинтересованные в развитии архитектуры Интернета.
5.2 Регуляторы и правительственные органы
6. Инвесторы на рынке IoT проектов
WIP
7. Полезные ссылки и аналитика на тему IoT
https://iot-analytics.com/
https://www.i-scoop.eu/
Legal disclaimer
некторые термины приводятся намеренно на языке оригинала.
статья не научная - ссылки на источники не приводятся.
все материалы можно переиспользовать не спрашивая автора.
если вы считаете что обнаружили ошибку/неточность или у Вас есть дополнение которое сделает данный материал еще полезнее - пожалуйста свяжитесь со мной
