Интернет вещей: как устроена беспроводная жизнь физических объектов

Используете ли вы у себя дома технологию «Smart Home» для автоматизации и контроля систем быта? Носите ли вы фитнес-трекер для фиксирования и четкого контроля физической активности? Если да, то вы также являетесь частью IoT (Интернета вещей). Оно прочно вошло как в частную жизнь интернет пользователей, так и в методы работы организаций.

Что такое Интернет вещей?

IoT (Internet of Things) или Интернет вещей – коллективная сеть подключенных и связанных между собой устройств и технологии, которая позволяет осуществлять цифровой мониторинг и управление физическим миром.

История происхождения IoT

По мере развития возможностей Интернета, ученые начали изучать и улучшать технологи связи между людьми и машинами. Так в середине 1990-х годов известный британский технолог Кевин Эштон, исследовавший на то время радиочастотную идентификацию (RFID), позволяющую идентифицировать объекты посредством радиосигналов, и придумал фразу «Интернет вещей».

Интернет вещей использует различные технологии для соединения цифрового и физического миров. Вкратце работу IoT можно описать примерно так.

Физические объекты оснащены датчиками, которые фиксируют любые изменения этих объектов и посылают сигналы исполнительным механизмам, которые, в свою очередь, отвечают на эти изменения. Датчики и исполнительные механизмы обмениваются данными через проводные (Ethernet) или беспроводные (Wi-Fi, сотовая связь) сети с вычислительными системами, которые могут отслеживать или управлять состоянием и действиями подключенных объектов и машин.

А теперь подробнее про архитектуру и технологии IoT.

Архитектура и ключевые компоненты IoT

Архитектура IoT имеет определенный стек технологий, что разбивает ее на 4 основных технологических уровня:

• Устройства

Фактические предметы, сами «вещи» в Интернете вещей, оснащенные датчиками или и соответствующим ПО. В зависимости от задачи, которую они выполняют в рамках конкретного развертывания Интернета вещей, эти устройства имеют различные размеры, интерфейс, формы и уровни технологической сложности и выполняют функцию связи между реальным и цифровым мирами.

• Программное обеспечение

Программное обеспечение отвечает за сбор и анализ данных в режиме реального времени, интеграцию устройств и связь с облаком. Кроме того, он позволяет визуализировать данные и взаимодействовать с системами IoT.

• Технологии подключения

Технологии подключения это определенные решения для физического подключения. В роли таких коммуникаций могут выступать сотовая и спутниковая связь, LAN, порты и протоколы (ZigBee, Thread, Z-Wave, MQTT, LwM2M).

Основные технологии подключения IoT включают в себя: 2G, 3G, 4G, 5G, NB-IoT, LTE-M, LPWANs, Спутниковые (GNSS), Bluetooth.

Существуют некоторые особенности этих соединений, в зависимости от потребности и характера использования:

1. Традиционные сотовые технологии (4G, 5G) имеют высокую скорость передачи данных и широкий радиус действия.
2. Сложные конструкции оптимизированы для массового потребления услуг передачи голоса и данных.
3. Технологии малого радиуса действия (Bluetooth Low Energy (BLE) и ZigBee) сосредоточены на скорости передачи данных и времени автономной работы в ущерб дальности соединения.
4. Технологии LPWA (NB-IoT) обеспечивают превосходное время автономной работы и покрытие, но низкую скорость передачи данных.

• Платформа

Платформа – это место (установленная локально платформа/облако) сбора, анализа и передачи данных пользователю в удобной форме. Платформа выбирается в зависимости от пользовательских требований и следующих факторов: архитектура, технологии, используемые протоколы, аппаратная независимость, надежность, безопасность, эффективность, стоимость.

Преимущества и области применения Интернета вещей

Постоянное подключение, которое обеспечивает Интернет вещей, в сочетании с контролем и аналитикой данных предоставляет компаниям новые возможности для внедрения инновационных продуктов и услуг и повышает эффективность операций. Действительно, Интернет вещей стал одной из наиболее значимых тенденций цифровой трансформации бизнеса и экономики с 2010-х годов. В следующих разделах мы рассмотрим области применения IoT и сделаем выводы о преимуществах использования в них Интернета вещей.

Производство

Как мы упоминали ранее, возможность собирать и анализировать данные с подключенных IoT-устройств позволяет производителям получать уникальную информацию о своих производственных процессах. Интернет вещей способен произвести революцию в обрабатывающей промышленности, позволив предприятиям работать более эффективно, повысить качество продукции и сократить время простоя в производственных операциях.

Преимущества использования IoT:

• Удаленный мониторинг производственных операций.

Удаленный мониторинг позволяет производителям собирать данные о состоянии оборудования и, в случае выявления проблем, вносить коррективы и оптимизировать производственный процесс в режиме реального времени из любой точки мира.

• Контроль качества.

Датчики внутри IoT могут наблюдать за производственным процессом, вовремя обнаруживать и исправлять ошибки. IoT также может помочь контролировать качество товаров во время транспортировки и хранения.

• Прогнозируемое обслуживание.

Прогнозируемое обслуживание помогает сократить риски потенциальных проблем и времени простоев, избежать непредвиденных сбоев оборудования и снизить затраты на техническое обслуживание.

• Безопасность работников.

Используя датчики Интернета вещей для обеспечения соблюдения стандартов безопасности труда, предприятия могут минимизировать потенциальные риски для здоровья и ответственности.

• Управление автопарком.

IoT помогает оптимизировать транспортную логистику и предотвращать проблемы, позволяя заранее определять узкие места и получать данные о транспортных перемещениях. Управление автопарком является одним из наиболее важных вариантов использования IoT в общем производственном процессе, учитывая текущие проблемы с цепочкой поставок.

• Эффективность рабочей силы.

Поскольку сложные и повторяющиеся задачи автоматизированы, сотрудники предприятий могут сэкономить время и сконцентрироваться на деятельности, тем самым быстрее и эффективнее выполнять свои задачи. Также устройства IoT оповестят работников о возникших неполадках без перманентного контроля над процессами производства.

• Управление запасами.

Управления запасами в производстве – еще одно важное преимущество использования IoT. Это всегда гарантия наличия материалов и компонентов, необходимых для бесперебойной работы производства. Кроме того, датчики Интернета вещей могут отслеживать уровень запасов, что позволяет производителям использовать эти данные для повышения эффективности цепочки поставок, сокращения количества отходов и оптимизации уровня запасов.

• Управление жизненным циклом продукта.

Используя IoT для отслеживания всего жизненного цикла продукта помогает собрать данные о том, как он работает. Эта статистика поможет внести улучшения в продукт, создать его прототипы, что позволит повысить удовлетворенность клиентов.

• Отслеживание активов.

Трекинг и прозрачность местонахождения активов позволит снизить вероятность кражи и увеличит безопасность.

Здравоохранение

В режиме постоянного развития современные производственные системы требуют постоянного внедрения инновационных решений и разработок, и система здравоохранения здесь не исключение.

Новые технологии позволяют не только улучшить качество обслуживания пациентов, но и повысить эффективность работы медицинского персонала. Специальные внедренные в инфраструктуру медицинского учреждения датчики позволяют собрать и систематизировать как данные о расписании врачей, так и информацию об историях болезней пациентов, что позволяет экономить время и оперативно ориентироваться в этой инфраструктуре.

Важным моментом в здравоохранении является использование именно Интернета медицинских вещей (IoMT, The Internet of Medical Things) и различных технологий ношения. Во-первых, использование IoMT дает возможность быстрого сбора данных, мониторинга здоровья пациента, постановки точного диагноза и назначения релевантного лечения. А во-вторых, усиливает безопасность и помогает развитию новых стратегий борьбы с различными заболеваниями.

Умные дома

Под определением «умный дом» или «Smart Home» подразумевается такое понятие как автоматизация систем быта. По сути, это удаленное управление связанными между собой устройствами через Интернет с помощью мобильного или другого сетевого устройства. Таким образом можно управлять бытовой техникой, различными мультимедийными устройствами, освещением, системой безопасности дома и др. при помощи установленной системы на небольшом смартфоне. Такое внедрение IoT в человеческий быт и автоматизация устройств в доме создает удобство в использовании, дополнительный контроль и безусловную безопасность.

Вызовы и проблемы Интернета вещей

Возможность подключать физические объекты к устройствам их управления повышает эффективность и, в некоторых случаях экономит средства, а расширение точек этих подключений и сетей открывает новые возможности, хотя и не обходится без серьезных рисков и проблем.

• Конфиденциальность. Основным вызовом IoT является защита персональных данных и предотвращение несанкционированного доступа к информации. Как и в любом другом случае кибератаки, взлом и утечка данных могут привести к серьезным последствиям.

• Стандартизация. На данный момент единых стандартов для устройств IoT нет, что создает сложности в их комплексной и совместной работе. Стандартизация – залог успешной реализации IoT.
• Безопасность. Известный факт, что с увеличением числа подключенных устройств возрастает уязвимость перед кибератаками.
• Приватность. Использование IoT как увеличивает безопасность частной жизни, используя различные системы наблюдения и контроля, так и все глубже внедряется в нее и нарушает границы приватности.
• Энергопотребление. Использование устройств IoT ведет к энергозатратам, что негативного влияет на окружающую среду.

Новые тенденции в Интернете вещей

Помимо Интернета вещей, к дополнительным ключевым факторам относятся искусственный интеллект (AI) и машинное обучение, промышленный IoT и робототехника, большие данные и аналитика Интернета вещей, цифровые двойники и 5G.

Промышленный IoT и интеллектуальное производство

Интеллектуальное производство с использованием Интернета вещей, также известное как Индустрия 4.0 или промышленный IoT, обеспечивает полную видимость активов, процессов и продуктов на глобальных рынках с жесткой конкуренцией.

Умное производство помогает оптимизировать бизнес-процессы, повышать производительность и повышать рентабельность инвестиций, защищать и монетизировать корпоративные операции.

Основным моментом для предприятий является осознанный переход к интеллектуальному производству.

Ключами к успеху промышленного IoT являются:

• Подключение оборудования, интеграция разнообразных промышленных данных.
• Обеспечение безопасности промышленных систем.
• Защита (лицензирование) интеллектуальной собственности вашей компании.

Искусственный интеллект (AI) и машинное обучение (ML)

Благодаря Интернету вещей миллиарды устройств, промышленных машин, процессов и пользователей могут обмениваться данными друг с другом без конкретной централизованной координации. Тем не менее процессы хранения, обработки и обмена данными больших объемов крайне сложны. Здесь на помощь приходит искусственный интеллект (Artificial intelligence, AI). AI в комбинации с IoT играет важную роль, т.к. поможет повысить ценность различных типов данных, собираемых и распознаваемых устройствами Интернета вещей, и, в последствии, найти эффективное решение для разработки продуктов и услуг, способных удовлетворить ожидания потребителей из различных областей.

Несмотря на то, что интеграция AI с различными интеллектуальными системами для различных промышленных приложений предлагает ряд преимуществ, использование AI с IoT часто вызывает и ряд проблем, связанных с качеством и точностью выводов, сделанных на основе собранных данных.

Здесь на помощь уже приходит машинное обучение (ML).

В последние десятилетия в AI появились методы и технологии, основанные на машинном обучении (ML). Интернет вещей может содержать устройства, использующие машинное обучение и искусственный интеллект.

Если искусственный интеллект часто описывают как машинное приложение, имитирующее интеллектуальные характеристики, то машинное обучение – это подмножество искусственного интеллекта, которое позволяет машине обучаться на основе данных, к которым она имеет доступ.

В ML существует несколько различных дисциплин, которые позволяют машинам учиться методом проб и ошибок и учиться на основе результатов. Обучение включает распознавание образов, регрессионный анализ и прогнозирование.

Потому несмотря на то, что ML как аспект AI все еще находится на заре своего развития, это уже позволяет минимизации число ошибок и повысить эффективность работы Интернет вещей в комбинации с AI.

Периферийные вычисления и туманные вычисления

Основным препятствием развития IoT является централизация облачных сервисов. Централизованная систему управления подразумевает под собой передачу (и обработку) огромных массивов данных в центральное облако и обратно, что ведет к перегрузке транспортных сетей связи и задержки при управлении онлайн.

Так появились новые технологии – «периферийные вычисления» и «туманные вычисления» (Edge Computing & Fog Computing), которые устраняют указанные недостатки благодаря децентрализованному подходу.

Периферийные вычисления – это модель децентрализованных вычислений, которая приближает обработку данных к источнику данных. Эта модель основана на идее обработки данных на границе сети, а не в облаке или централизованном центре обработки данных. Идея периферийных вычислений заключается в уменьшении объема данных, которые необходимо отправлять в облако или на центральный сервер для обработки, тем самым уменьшая задержку в сети и улучшая общую производительность системы.

Туманные вычисления – это модель распределенных вычислений, которая расширяет возможности периферийных вычислений, обеспечивая уровень вычислительной инфраструктуры между периферийными устройствами и облаком. Эта инфраструктура называется туманным слоем и предоставляет дополнительные вычислительные ресурсы и услуги периферийным устройствам.

Основные преимущества периферийных и туманных вычислений:

• Снижают задержку за счет обработки данных ближе к источнику.
• Повышают безопасность за счет предоставления дополнительных мер безопасности для периферийных устройств, таких как шифрование и аутентификация.
• Масштабируются для удовлетворения потребностей больших и сложных систем.
• Экономически эффективные.
• Избыточны за счет распределения вычислительных ресурсов.

В связи с ростом качества использования периферийных и туманных вычислений и усложнением требований к данным, необходима высокоскоростная сеть для удовлетворения потребностей в режиме реального времени. 5G – это то поколение беспроводной связи, которое удовлетворяет растущую сложность и специализацию периферийных и туманных вычислений.

5G и энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия (LPWAN)

5G был разработан с учетом требований промышленного Интернета вещей и является катализатором новой промышленной трансформации.

Технология 5G – это пятое поколение беспроводной связи, которое обеспечивает большую гибкость, контроль затрат и качество и предполагает более высокую скорость, меньшую задержку и более высокую пропускную способность чем сети предыдущих поколений.

В связи с ростом технологий и Интернета вещей, растет и объем обрабатываемых данных. Благодаря своим возможностям 5G может помочь в поддержке и масштабировании некоторых приложений, т.к. современная мобильная инфраструктура не предназначалась для такой информационной нагрузки.

5G безусловно улучшит эффективность процессов на интеллектуальных предприятиях, технологии мобильной связи, виртуальной реальности и периферийных вычислений, станет неотъемлемой частью развития таких масштабных систем, как интеллектуальные города, здравоохранение, окружающая среда.

Еще одной беспроводной сетью будущего является технология LPWAN (Low-Power Wide-Area Network), энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия. Она так же как и 5G обеспечивает скоростную передачу данных на большие расстояния, но может похвастаться энергоэффективностью, что несвойственно для других скоростных беспроводных связей дальнего радиуса.

Blockchain для безопасных сделок IoT

Как показывается практика развития новых технологий IoT, децентрализация вычислений – необратимая тенденция развития IoT. Блокчейн также основан на принципе децентрализации, поэтому он очень отлично вписывается в архитектуру IoT.

Потому преимущества AI, IoT и технологий распределённого реестра Blockchain будут наиболее эффективно работать только при их взаимодействии друг с другом. Это приведёт к появлению «интеллектуальных сущностей» (Intelligent Entities), как аппаратных, так и программных, которые могут взаимодействовать между собой, где Блокчейн будет выполнять роль универсального цифрового реестра (universal digital ledger), для выполнения транзакций различных типов между устройствами.

В условиях значительного роста IoT, можно будет оперативно и без трудностей решить несколько критичных проблем, связанных с масштабированием и адаптацией к быстрому появлению подключённых вещей, а так же с безопасностью и защитой данных.

Будущее Интернета вещей

С каждым десятилетием, а уже и с каждым годом IoT изменяет почти все сферы человеческой деятельности, улучшая качество нашей жизни и повышая эффективность различных промышленных процессов. Интеграция Интернета вещей с искусственным интеллектом и машинным обучением, появление новых поколений беспроводных сетей, децентрализация в управлении передачи данных усовершенствуют работу IoT, делая ее еще более эффективной и безопасной.

Никто не может предсказать точный курс, по которому пойдут эти подключенные технологии. Также неизвестны все возможные риски и социальные проблемы, которые они могут вызвать, но очевидно одно: Интернет вещей продолжает оказывать глубокое влияние на жизнь, создавая умный и удобный мир для будущих поколений.