Элементы и коммуникационные технологии для построения Умного города

Данная статья посвящена основным элементам, которые сегодня являются неотъемлемой частью концепции «умного города». В нем также рассматриваются современные коммуникационные технологии для Интернета вещей (IoT).

Эта тема уже поднималась на нашем сайте в следующих статьях.

Интернет вещей (IoT)

Интернет вещей (IoT) — это система взаимосвязанных механических и цифровых устройств, предметов, животных или людей, которым присвоены уникальные идентификаторы и которые способны передавать данные по сети без участия человека.

Частью IoT может быть человек со встроенным кардиомонитором, скот с транспондером биочипа, автомобиль со встроенными датчиками, предупреждающими водителя о низком давлении в шинах, или любой природный или искусственный объект, которому может быть присвоен IP-адрес с возможностью передачи данных по сети.

Элементы и коммуникационные технологии для построения умного города

Интернет вещей возник в результате слияния беспроводных технологий, устройств радиочастотной идентификации, микроэлектромеханических систем (MEMS), интеллектуальных датчиков, интеллектуальных электронных устройств и Интернета.

Фактически, IoT является краеугольным камнем, необходимым для развития концепции умных городов.

Принцип работы IoT легко представить, например, в бытовой технике. Цель такого подключения — получать и затем оценивать данные от подключенных устройств, а затем автоматизировать простые задачи.

Умные устройства включаются и выключаются в ответ на сигналы от технической инфраструктуры.

На кондиционеры, обогреватели, холодильники, стиральные машины и сушилки приходится около 20% общего потребления электроэнергии в течение большей части дня и в течение всего года.

В сетевых устройствах используется простой компьютерный чип, который обнаруживает сбои в частоте сети и отключает устройство на несколько минут, чтобы сеть могла стабилизироваться в кризисной ситуации.

Подробнее читайте здесь.

Что такое Интернет вещей

10 вариантов использования Интернета вещей (IoT)

Зарождение Интернета вещей относится к концу 1990-х годов, поэтому он не является революционной инновацией в компьютерной науке. IoT состоит из двух основных компонентов: аппаратного и программного обеспечения.

Аппаратное обеспечение — это подключенные устройства (светильники, рабочие станции, датчики, смартфоны и сети передачи данных), а программное обеспечение — это фактически платформа, хранящая данные, которые затем анализируются и становятся доступными для других объектов.

Для подключения устройств используются беспроводные технологии, такие как Bluetooth и Wi-Fi, а также 4G LTE или разрабатываемые в настоящее время общенациональные беспроводные технологии Sigfox и LoRaWAN.

Беспроводные технологии необходимы для Интернета вещей, без которого невозможно создать концепцию умного города.

RFID (радиочастотная идентификация)

Это технология идентификации объектов, основанная на обнаружении радиочастотных волн. Он используется в тех областях, где требуется быстрая и точная обработка информации и ее немедленная передача для дальнейшей обработки.

RFID повышает точность, скорость и эффективность, особенно в логистике и производственных процессах. RFID часто используется для отслеживания объектов в пути (транспортные контейнеры, паллеты или багаж в аэропорту).

В настоящее время считается, что в будущем технология RFID полностью заменит штрих-коды.

Принцип работы технологии заключается в следующем. Информация хранится в электронном виде в небольших чипах — метках, которые могут считываться или перезаписываться многократно с помощью радиоволн, излучаемых считывающим устройством. Информация обрабатывается и редактируется считывающим устройством, которое может одновременно считывать несколько сотен меток в минуту.

RFID-метка — это носитель информации, содержащий небольшой чип с антенной и памятью.

Каждая метка содержит EPC (электронный код продукта), который фактически является серийным номером, уникально идентифицирующим метку.

Структура EPC состоит из 8-значного заголовка (номер версии EPC), 28-значной информации о компании (268 миллионов компаний), 24-значных категорий продуктов (16 миллионов категорий) и 36-значных уникальных номеров продуктов (68 миллиардов номеров).

Следует также отметить, что существует два типа тегов: активные и пассивные.

Активные чипы (TTF — Tag Talks First) передают собственные данные в окружающую среду, что позволяет батарее внутри чипа прослужить от 1 до 5 лет.

Однако они менее устойчивы к температуре из-за батареи и имеют память 100 кб. Дальность считывания чипов составляет 100 м, но они все еще относительно дороги. Они используются для контроля транспортных средств или технического оборудования, а чипы можно использовать повторно.

Пассивные чипы (RTF — Reader First) намного дешевле и имеют дальность считывания от 0,5 м до 10 м. Чипы считываются только при подключении к ним считывающего устройства. Поскольку в них нет аккумулятора, они служат дольше и являются более надежными. Объем памяти варьируется от 64 до 256 бит.

В Европе метки RFID работают на частоте 865 — 869 МГц.

Подробнее о том, как работает технология RFID и как ее использовать: RFID

Элементы и коммуникационные технологии для построения умных городов

NFC

Связь ближнего поля (NFC) — это технология, позволяющая осуществлять беспроводную передачу данных между электронными устройствами на очень короткие расстояния. Наиболее распространенными являются мобильные телефоны, брелоки или кредитные карты.

При приближении мобильного телефона или другого устройства с поддержкой NFC к интеллектуальной панели автоматически устанавливается соединение, которое не активируется полностью, пока пользователь не подтвердит, что хочет воспользоваться услугой. Он также может быть отклонен, в этом случае перевод аннулируется.

NFC обеспечивает двустороннюю связь. Они не требуют внешнего источника питания, поскольку метки используют явление электромагнитной индукции и, таким образом, потребляют микроволновую (мкВт) мощность.

Поскольку метки необходимо защищать, они становятся частью предмета, который может быть самоклеящейся наклейкой, браслетом, пластиковой картой или кольцом для ключей. Единственным их недостатком является то, что их нельзя наносить непосредственно на металлические поверхности.

NFC работает в радиодиапазоне 13,56 МГц с максимальной дальностью действия 10 см и стандартной скоростью передачи данных 106, 212 или 424 килобит в секунду.

Использование NFC имеет наибольший потенциал для бесконтактных платежей, просто поднеся мобильный телефон или платежную карту близко к платежному терминалу и подтвердив платеж. Для платежей, не превышающих определенную сумму, нет необходимости подтверждать платеж.

Так же как у RFID есть своя метка, есть и NFC, которая представляет собой беспроводную карту памяти емкостью в килобайты (кБ), предназначенную для хранения, например, визитной карточки с контактным лицом, идентификационного номера метки, ссылки на веб-сайт или короткого сообщения.

Метки NFC чаще всего используются для хранения билетов, предоплаченных купонов для общественного транспорта, а также в качестве системы посещаемости или системы входа в здание. Они также используются в качестве визитных карточек.

Как и метки RFID, метки NFC состоят из двух частей: антенны и чипа.

Что касается размера, то самый маленький составляет около 15 мм, так как антенна должна иметь определенную площадь для подключения к электронным устройствам. Чаще всего это мобильный телефон.

Также важно отметить, что метки NFC обратно совместимы с метками RFID, но только с теми, которые могут обмениваться данными на частоте 13,56 МГц.

3. МЭМС

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) — это термин, используемый как для обозначения самой технологии, так и устройств, изготовленных с ее помощью.

Сама технология MEMS использует для размещения электроники самые современные технологии, взятые из производства интегральных электронных схем, но в первую очередь микромеханические компоненты на основе кремния.

МЭМС-продукты на основе этой технологии чаще всего являются датчиками движения (акселерометры, гироскопы), а также используются в медицине, биохимии или строительстве для мониторинга трещин в мостах или прогибов в длинных пролетах балок.

Механические системы должны преобразовывать измеряемую физическую величину в электрическую, а электронные системы обеспечивают последующую обработку выходного сигнала. Размер чипов МЭМС варьируется от 1 микрона до нескольких миллиметров.

О том, как работают наиболее распространенные устройства МЭМС, читайте здесь: Что такое гироскопы и акселерометры

В «умных» городах эта технология может использоваться для управления дорожным движением, поиска свободных парковочных мест или мониторинга качества воздуха, когда большое количество датчиков MEMS развертывается для наблюдения за происходящим вокруг и беспроводной передачи информации в центры обработки данных.

Глобальная система позиционирования (GPS)

Глобальная система позиционирования (GPS), которая изначально была военной спутниковой системой позиционирования, была создана по заказу Министерства обороны США и до сих пор используется американскими военными и союзными силами в военных целях.

Разработка спутниковой системы началась в середине 1950-х годов. Первые спутники тогдашней транзитной системы были запущены в 1960 году. Система, известная как GPS, была разработана в результате испытаний нескольких вариантов.

Элементы и коммуникационные технологии для построения умных городов

В 1980 году система стала доступна и гражданскому сектору, а затем ее использование распространилось по всему миру, что сделало ее всемирной системой.

Система основана на спутниках, которые постоянно выводятся на орбиту. Таким образом, была создана полная операционная система, состоящая из 24 спутников. 3 марта 1994 года, и с тех пор его сигналы охватывают всю планету.

Система используется для определения географического положения на основе информации от трех спутников, сигналы которых пересекаются в точке, обозначенной как приемник. Точность позиционирования составляет несколько метров, а время определяется с точностью до наносекунды. Это означает, что система работает в режиме реального времени.

В военной сфере GPS используется в основном как навигационная система для наведения самолетов, кораблей, подводных лодок и надводной военной техники, а также для целеуказания и наведения ракет. Он является частью авиационной поддержки, а теперь еще и интеллектуальным оружием.

В гражданском секторе GPS используется в качестве синхронизатора часов благодаря использованию атомных часов на спутниках. Отклонение этих часов составляет порядка наносекунд. Глобальные инвестиционные и банковские компании полагаются на это синхронизированное время.

Кроме того, система используется на воздушном транспорте, где самолеты постоянно контролируются спутниками и, в отличие от наземных передатчиков, могут управляться даже при полетах над океанами. Это относится и к морскому транспорту.

В настоящее время также распространен наземный транспорт, где GPS помогает водителям планировать эффективный маршрут. GPS также используется в космической сфере.

В умных городах автомобильная навигация, основанная на информации от систем GPS, может быть связана с информационными порталами, куда вводится информация из городской системы, например, информация о парковке.

Кроме того, навигационная система может реагировать на текущие дорожные события, например, регистрируя аварии и передавая соответствующую информацию в навигационную систему автомобиля, которая соответствующим образом пересчитывает запланированный маршрут и предупреждает водителя.

Коммуникационные технологии для Интернета вещей

В умном городе необходимы коммуникационные технологии, которые будут использовать датчики для передачи информации от процесса к центральной системе сбора данных, где она затем может быть оценена. Для такой передачи требуется подходящий канал связи.

Наиболее подходящей технологией является беспроводная технология, которая позволит осуществлять связь без необходимости прокладки новых кабельных линий или оптических сетей.

Наиболее распространенные сети, такие как WLAN и Bluetooth, не подходят из-за небольшого объема данных, передаваемых датчиками, по двум причинам.

Во-первых, они не соответствуют требованиям к времени автономной работы, поскольку не поддерживают или поддерживают лишь частично методы энергосбережения и продолжают работать в полном режиме.

Вторая причина заключается в том, что оба протокола работают в радиодиапазоне 2,4 ГГц, который предназначен для мультимедийных приложений.

Однако большинство технологий, используемых в умных городах, не нуждаются в работе в таком широком диапазоне, а только в более низком диапазоне мощности передачи 868 МГц.

Ниже приведен список наиболее распространенных коммуникационных технологий, которые могут быть использованы в умных городах.

Элементы и коммуникационные технологии для построения умных городов

Широкополосные сети LoRa

Long Range Global Area Network (LoRa WAN) — это протокол беспроводной сети с низким энергопотреблением, разработанный для недорогой и безопасной двусторонней связи для Интернета вещей. Он используется в радиочастотном диапазоне до 1 ГГц и имеет скорость передачи от 0,3 до 50 кбит/с.

Связь между терминалами и шлюзами делится на различные частотные диапазоны и скорости передачи, где выбор скорости передачи является компромиссом между дальностью связи и длиной сообщения. Независимые потоки связи с разными скоростями передачи данных не мешают друг другу, а создают набор виртуальных каналов, предназначенных для увеличения пропускной способности шлюза.

Читайте по теме:  Как выполнить домашнюю антенну для телека

Чтобы максимально увеличить время работы терминалов от батареи и общую пропускную способность сети, сервер LoRa WAN управляет скоростью передачи данных и мощностью каждого терминала индивидуально с помощью адаптивной скорости передачи данных (ADR).

MiWi

MiWi — это беспроводной протокол на основе стандарта IEEE 802.15.4, разработанный компанией Microchip Technology. Он рассчитан на низкую скорость передачи данных и небольшие расстояния и особенно подходит для недорогих сетей с ограниченной памятью, таких как дистанционное управление и мониторинг, автоматическое считывание данных, сенсорные сети и т.д.

MiWi в основном используется на частоте 2,4 ГГц и поддерживает все конфигурации сети с радиусом действия от 20 до 50 м. Протокол MiWi подразделяется на MiWiTMP2P и MiWi PRO.

К преимуществам MiWi относятся простота создания и развертывания сети, переносимость приложений между различными радиочастотными передатчиками и легкая масштабируемость топологии сети.

Недостатком является то, что все вышеперечисленные варианты доступны только с чипами Microchip Technology, т.е. чипы других производителей использовать нельзя.

Программное обеспечение и библиотеки, необходимые для разработки, доступны бесплатно на сайте производителя. Совместимые с MiWi-чипами чипы также перечислены на их сайте.

MQTT

MQTT MQ Telemetry Transport (MQTT) — это простой и несложный протокол, построенный поверх TCP/IP для простых устройств в сетях с низкой пропускной способностью, высокой задержкой или ненадежных сетях.

Он был разработан в 1999 году доктором Энди Стэнфорд-Кларком из IBM и Арленом Ниппером из Acrom (сейчас Eurotech). С 2013 года им управляет OASIS (Организация по продвижению стандартов структурированной информации).

Основной принцип протокола заключается в минимизации нагрузки на сеть и снижении требований к аппаратному обеспечению. В то же время протокол призван гарантировать надежность и определенный уровень передачи информации.

Эти характеристики предопределяют применение MQTT в устройствах M2M (machine-to-machine) и IoT, где приоритетом является длительное время работы от батареи и низкая пропускная способность.

Основой коммуникации является система публикации/подписки. Сообщения создаются датчиками и отправляются на концентратор (MQTT Broker).

Каждое сообщение имеет тему, которую MQTT-брокер отправляет клиенту (подписчику), подписавшемуся на него. Клиентом может быть веб-сервис, приложение или конкретное устройство (например, микроконтроллер, дисплей и т.д.).

Для обмена сообщениями используется стандартный протокол связи TCP/IP на порту 1883 для MQTT через IANA и порт 8883 для MQTT через SSL. протокол стандартизирован ISO/IEC PRF 20922.

Элементы и коммуникационные технологии для построения умных городов

NB IoT

IoT NB IoT (Narrow Band IoT) — это беспроводная узкополосная технология LPWA, разработанная для Интернета вещей, но до сих пор мало используемая на практике.

Она призвана дополнить уже существующие на рынке технологии, такие как Sigfox или LoRa WAN, и имеет то преимущество, что может быть развернута в диапазонах частот GSM, LTE и WCDMA.

Технология соответствует стандарту 3GPP, соглашению о сотрудничестве между телекоммуникационными ассоциациями от 1998 года для разработки и обслуживания сетей 3G, а позже LTE и IMS (Multimedia IP Subsystem).

NB IoT нацелен на улучшение покрытия внутри помещений и поддержку большого количества устройств, а также на низкое энергопотребление и оптимизированную архитектуру сети для терминалов. Он также подходит для многократной «перепрошивки» каналов GSM. Конечные устройства должны иметь низкую закупочную цену.

NB IoT разрабатывается при поддержке таких компаний, как. Alcatel-Lucent, AT&T, Deutsche Telekom, Ericsson, Huawei, Intel, LG Electronics, Nokia Networks, Panasonic, Qualcomm, Samsung, Telefonica, T-Mobile US, Verizon, Vodafone и другие.

Ключевые параметры NB IoT: полоса пропускания 200 кГц, дальность действия 15 км (164 дБ), лицензированный радиодиапазон от 7 до 900 МГц, скорость передачи 50 кбит/с, нисходящая (OFDMA) и восходящая (FDMA с модуляцией GMSK или SC-FDMA) линии связи.

Sigfox

Sigfox — это название французской компании, которая разработала одноименную беспроводную технологию, предназначенную для подключения маломощных устройств, таких как счетчики электроэнергии, умные часы, стиральные машины и т.д., которые должны быть постоянно включены во время работы.

Французы Людовик Ле Моан и Кристоф Фурте являются родоначальниками этой технологии и продолжают заниматься ее развитием.

Sigfox использует технологию Ultra Narrow Band (UNB), которая позволяет создать масштабируемую сеть с высокой пропускной способностью.

Сеть работает в европейском радиодиапазоне 868 МГц и американском/FCC 902 МГц. Он имеет бюджетный канал 163,3 дБ и может обеспечить связь на больших расстояниях, включая труднодоступные места.

Его недостатком является то, что он не может осуществлять связь под землей; здесь сигнал сети должен быть усилен усилителем сигнала. В настоящее время сеть расширяется по всему миру — во Франции, Испании, Нидерландах, Чешской Республике, Сан-Франциско (США) и России.

В сети Sigfox время автономной работы предсказуемо, поскольку устройство и принимающая станция общаются не синхронно. Устройство просто передает сигнал на случайно выбранной частоте в пределах доступной полосы частот. Сигнал обнаруживается базовой станцией в радиодиапазоне, декодируется и передается на серверную часть сети Sigfox.

Передача и получение данных из облачной сети Sigfox осуществляется через стандартный WebAPI. Каждое сообщение содержит криптографический маркер, который обеспечивает взаимную аутентификацию между устройством и сетью.

Кроме того, хэширование сообщений гарантирует, что они не будут изменены в пути. Скачкообразная перестройка частоты очень устойчива к помехам.

Sigfox в основном используется в промышленном секторе. Он работает в частотных диапазонах 868 МГц, 902-928 МГц и 2,4 ГГц (это нелицензируемые диапазоны). Скорость передачи данных составляет 20, 40 и 250 кбит/с.

В настоящее время в проектировании и разработке стандарта участвуют более 60 компаний, в том числе некоторые из ведущих мировых компаний в области автоматизации (Honeywell, Motorola, Philips, Samsung, Omron, ABB, Siemens).

HaLow Wi-Fi

HaLow Wi-Fi — это относительно новая и развивающаяся технология, основанная на стандарте IEEE 802.11ah.

В отличие от обычных сетей Wi-Fi, работающих в радиодиапазонах 2,4 и 5 ГГц, HaLow Wi-Fi работает в радиодиапазоне 900 МГц, который гарантирует более широкую зону покрытия и менее подвержен помехам от обычных радиодиапазонов.

Данные передаются регулярными пакетами с задаваемыми интервалами. В результате более низкая мощность передачи и другая схема позволяют работать от аккумулятора.

ZigBee

ZigBee — это технология беспроводной связи, основанная на IEEE 802.15.4, относительно новом стандарте, который используется с ноября 2004 года. Он разработан как сеть для подключения маломощных устройств на коротких расстояниях, до 75 метров.

Zig-Bee разработана как простая и гибкая технология для создания еще более крупных беспроводных сетей, не требующих передачи больших объемов данных. К его основным преимуществам относятся надежность, простота реализации, очень низкое энергопотребление и выгодная цена.

Благодаря этим характеристикам он может найти применение во многих задачах, которые можно разделить на несколько групп: автоматизация зданий (безопасность, управление освещением, контроль доступа), бытовая электроника (дистанционное управление электроприборами), компьютерная периферия (беспроводная мышь, клавиатура), промышленная автоматизация, здравоохранение (мониторы пациента).

В связи с разнообразием предполагаемых применений стандарт определяет три основных режима передачи: прерывистая передача (передача данных датчиков), нерегулярная передача (внешние события, такие как нажатие клавиш пользователем), повторяющаяся передача, требующая коротких задержек (беспроводные компьютерные периферийные устройства — клавиатуры и мыши).

Zigbee работает в следующих радиодиапазонах: 868 МГц в Европе, 915 МГц в США и Австралии и 2,4 ГГц в большинстве регионов мира.

Z-Wave

Z-Wave — это технология беспроводной связи для домашней автоматизации. Его используют 325 производителей в консорциуме Z-Wave, основными представителями которого являются ADT Corporation, FAKRO, Ingersoll Rand, LG Uplus, Nortek Security & Control и Sigma Designs.

Z-Wave используется в системах управления освещением, вентиляции и кондиционирования воздуха (отопление, вентиляция, кондиционирование), системах безопасности, домашних кинотеатрах, автоматических окнах и затенении, системах контроля и доступа.

Z-Wave минимизирует потребление энергии и поэтому подходит для устройств с питанием от батарей. Он предназначен для обеспечения надежной передачи данных с низкой задержкой и небольшим объемом до 100 кбит/с. Он работает в радиодиапазоне 868 МГц.

Элементы и коммуникационные технологии для построения умных городов

Заключение

Интернет вещей основан на миниатюризации, автоматизации, низком энергопотреблении и беспроводных технологиях. Все это обеспечивает работу и взаимную связь и минимизирует расход батареи.

IoT была создана Кевином Эштоном, британским пионером в области технологий, работающим с радиочастотной идентификацией (RFID), который создал систему вездесущих датчиков, соединяющих физический мир с Интернетом.

В настоящее время IoT связано с физическими устройствами, оснащенными электроникой, программным обеспечением, датчиками и облачными хранилищами.

Эти устройства обмениваются данными через различные протоколы. Например, MQTT может быть разработан таким образом, чтобы обеспечить прерывистое соединение и снизить требования к пропускной способности сети.

Для всех коммуникаций IoT должны быть предусмотрены превентивные механизмы безопасности и передовые методы, такие как управление идентификацией, шифрование и контроль доступа, а также аудит и мониторинг на месте.

С появлением IoT наиболее распространенной проблемой является угроза утечки данных.

Недавнее исследование компании Hewlett-Packard (HP) утверждает, что 70% наиболее часто используемых IoT-устройств содержат уязвимости, в том числе связанные с недостаточным количеством паролей, шифрования или данных доступа.

HP просканировала десять наиболее популярных IoT-устройств с помощью своего решения HP Fortify on Demand и заявила, что обнаружила в среднем 25 уязвимостей в каждом устройстве.

Это были устройства от известных производителей, среди которых были телевизоры, веб-камеры, домашние термостаты, розетки с дистанционным управлением, пульты управления спринклерами и электронные дверные замки.

HP заявила, что большинство устройств требовали от пользователей несвязанной личной информации или не требовали достаточно надежного пароля. Около 70 процентов устройств не шифровали передаваемые данные, и у половины мобильных приложений была та же проблема. У 60 процентов устройств были обнаружены недостаточно защищенные сайты управления, и такое же количество не шифровало обновления программного обеспечения.

Еще одной серьезной угрозой для IoT является перегрузка данными. С одной стороны, IoT предоставляет большие возможности для сбора и анализа данных, которые могут многое рассказать о компании, ее поставщиках и клиентах; с другой стороны, если эти данные нигде не хранятся или хранятся неправильно (например, на оборудовании/носителях с длительным временем доступа), или если для них недоступны соответствующие программные решения для эффективного анализа, это просто будет означать статью расходов, которая без конкретных преимуществ.

Рекомендуется установить строгие правила (если они не были установлены ранее) в отношении того, как следует обращаться с данными. В частности, правила должны быть четко определены и соблюдаться, чтобы всегда было ясно, кому принадлежат конкретные данные, кто имеет к ним доступ, где они хранятся и какие риски конфиденциальности существуют в связи с ними.

Для эффективной работы с данными рекомендуется сделать тщательный отбор, а затем внедрить современные программные средства, чтобы обеспечить очистку, обработку и использование данных в рамках существующих систем компании.

Также важно определить знания, необходимые для эффективного использования возможностей, предлагаемых IoT, и соответствующим образом адаптировать набор нового персонала и обучение существующих сотрудников. Эти меры являются основой для защиты от угроз, исходящих от IoT.

При наличии правильных знаний, качественных инструментов, мудрого взгляда и удачи, которая всегда будет вам сопутствовать, IoT действительно может стать возможностью для роста бизнеса, а не просто шумихой, в которую люди бездумно вкладывают деньги, что в итоге оборачивается дорогостоящим проектом для их компании.

Яков Кузнецов

Понравилась статья? Поделиться с друзьями: