СТЕК ПРОТОКОЛОВ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ДЛЯ IOT. АНАЛИЗ И ВЫБОР ПРОТОКОЛА ДЛЯ ВНЕДРЕНИЯ В СИСТЕМУ КОМПЛЕКСНОГО УПРАВЛЕНИЯ УМНЫМИ ВЕЩАМИ

Деталі
Категорія: П'ятнадцята всеукраїнська практично-пiзнавальна iнтернет-конференцiя

Онищенко Константин Георгиевич

студент, старший лаборант

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Украина, г. Харьков

 

Афанасьева Ирина Витальевна

кандидат технических наук, доцент

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Украина, г. Харьков

 

  Аннотация: Статья посвящена обзору и анализу существующих протоколов обмена данными между устройствами умного дома, использующих IoT-решения. Поэтапно проанализированы и обобщены существующие протоколы передачи данных. Отражены основные преимущества выбранного стека протоколов. Выделены перспективные пути развития использования протоколов для IoT.

  Ключевые слова: IoT (интернет вещей), умный дом, протоколы передачи данных

 

  Мы живем во времена непрерывного развития и широких возможностей, когда каждый день появляются все новые и новые изобретения. Человек создает и совершенствует их для улучшения условий жизни. Как следствие, большинство сфер жизни вынуждены переходить на новый уровень - уровень информационных технологий, чтобы не исчезнуть как устаревшие. Сейчас почти все можно сделать или узнать с помощью сети Интернет.

  Все большую популярность приобретают веб-системы. Такие системы имеют определенные преимущества, а именно: доступность сети Internet, скорость распространения, уменьшение требований к памяти компьютеров и другой техники. Для данной работы эти преимущества имеют ключевое значение, поэтому была выбрана именно веб-система [1].

  С течением времени изменились ценности и приоритеты человека: переезды по всему миру, равенство полов и многое другое. Таким образом, помещения, которые контролируются человеком все чаще подвержены критическим ситуациям без его участия. Это проявляется в элементарном: необходимо проветривать помещение, контролировать температурный режим, запускать стирки, регулировать освещение, предупреждать об угрозах и тому подобное.

  Для решения этих вопросов созданы умные устройства, работающие с помощью технологии Internet of Things [1]. Это постоянные инновации и большое количество различных проектов, которые добавляют интеллекта и функционала различным устройствам. Опыт, накопленный разработчиками IoT-индустрии за все время ее существования, позволяет выделить общие составляющие при создании программного продукта.

  IoT-технология способна контролировать состояние приборов и управлять ими с помощью сети интернет [2]. Своевременное сообщение о состоянии приборов не только облегчает условия проживания, но и предотвращает вред имуществу и жителям дома. Все вместе это облегчает жизнь современного человека и делает его более комфортным.

  Следует отметить, что умные устройства – это датчики или приводы, снабженные микроконтроллером с ОС реального времени со стеком протоколов, памятью и устройством связи, встроенные в различные объекты, например, в электросчетчики или газовые счетчики, датчики давления, вибрации или температуры, выключатели и другое [2]. Умные объекты могут быть организованны в вычислительную сеть физических объектов, которые могут быть подключены через шлюзы (хабы или специализированные IoT платформы) к традиционной сети Интернет.

  Вычислительные сети физических предметов состоят из умных датчиков и приводов (исполнительных устройств), объединенных в вычислительную сеть (персональную, локальную и глобальную) и управляемых центральным контроллером (шлюзом или IoT Habs, или платформой IoT) [2].

  В IoT применяются технологии беспроводных вычислительных сетей физических предметов с низким энергопотреблением, к которым относятся сети малого, среднего и дальнего радиуса действия (WPAN, WLAN, LPWAN) [3].

  К распространенным технологиям сетей дальнего радиуса действия LPWAN относятся: LoRaWAN, SIGFOX и Cellular Internet of Things (CIoT). 

  Одной из широко распространенных технологий является LoRa, которая предназначена для сетей дальнего радиуса действия, с целью передачи данных телеметрии различных приборов учета (датчиков воды, газа и т.д.) на дальние расстояния.

  LoRa – это метод модуляции, который определяет протокол физического уровня модели OSI. Технология модуляция LoRa может применяться в сетях с различной топологией и различными протоколами канального уровня. Эффективными сетями LPWAN являются сети LoRaWAN, которые используют протокол канального уровня LoRaWAN (MAC протокол канального уровня), а в качестве протокола физического уровня - модуляцию LoRa [3].

  Сеть LoRaWAN состоит из оконечных узлов End Nodes (трансиверов или модулей LoRa), подключенных по беспроводным сетям к концентраторам/шлюзам или базовым станциям, сервера сети оператора и сервера приложений сервис провайдера. Сетевая архитектура LoRaWAN - "клиент-сервер". LoRaWAN работает на 2 уровне модели OSI.

  Между компонентами сети «конечные узлы – сервер» используется двусторонняя связь. Взаимодействие оконечных узлов локальной сети LoRaWAN с сервером происходит на основе протоколов канального уровня. В качестве адреса используются уникальные идентификаторы устройств (оконечных узлов) и уникальные идентификаторы приложения на сервере приложений.

  Физическим уровнем стека протоколов LoRaMAC сегмента сети «оконечные узлы – шлюз», который функционирует на втором уровне модели OSI, является беспроводная модуляция LoRa, а MAC-протоколом канального уровня является LoRaWAN. Шлюзы LoRa подключаются к серверу сети провайдера или оператора с помощью стандартных технологий Wi-Fi/Ethernet/3G, которые относятся к уровню интерфейсов IP сетей (физическим и канальным уровням стека TCP/IP) [3].

  Полученные с оконечных узлов данные хранятся, отображаются и обрабатываются на сервере приложений (на автономном Web сайте либо в «облаке»). Для анализа IoT-данных могут применяться методы Big Data. Пользователи с помощью клиентских приложений, установленных на смартфон или ПК, имеют возможность доступа к информации на сервере приложений.

  Технология SIGFOX аналогична технологии LoRaWAN, но имеет некоторые отличия. Основное отличие заключаются в методах модуляции, которые определяют протоколы физических уровней этих сетей. Технологии SIGFOX и LoRaWAN являются конкурентами на рынке сетей LPWAN [3].

  Конкурентами на рынке сетей LPWAN являются технологии CIoT и G5. Они предназначены для построения беспроводных сетей LPWAN сотовой связи на основе существующей инфраструктуры сотовых операторов. Однако, применение традиционных сетей сотовой связи в IoT является нерентабельным. 

  К сетям WPAN относятся беспроводные сенсорные сети на основе технологии 6LoWPAN. Эти сети относятся к самоорганизующимся и самовосстанавливающимся mesh-сетям с маршрутизацией, которые имеют ячеистую топологию. В качестве протокола маршрутизации используется RPL (Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks) [3].

  Суть работы вычислительных сетей физических объектов в IoT на основе стека протоколов 6LoWPAN состоит в следующем: данные с сенсора поступают на вход микроконтроллера (МК), он обрабатывает поступающие с сенсора данные на основе прикладной программы (End Nodes Applications), которая создана разработчиком сети на основе API специализированной ОС микроконтроллера [4].

  Для передачи обработанных данных в сеть, приложение End Nodes Applications обращается к протоколу прикладного уровня стека протоколов ОС микроконтроллера и через стек передает данные на физический уровень сенсора. Далее бинарные данные поступают на вход Border routers (Edge routers). Для передачи данных с End Node через Border routers на Web-сервер (Web-приложению) по прикладному протоколу CoAP, необходимо осуществить согласование сетей на прикладном уровне стека протоколов CoAP-to-HTTP, для этого используют прокси-сервер [5].

  Учитывая вышеперечисленные качества, для создания комплексной системы управления умными вещами был выбран стек протоколов 6LoWPAN. Это обеспечит подключение "умных" устройств с низким энергопотреблением к Интернету роутерами, а не специализированными IP шлюзами. Поскольку низкоскоростные сети со стеком протоколов 6LoWPAN для устройств с ограниченными возможностями не являются транзитными сетями для сетевого IP трафика традиционного Интернет, то они являются конечными сетями в IoT и подключены к сети Интернет через Border routers или Edge routers. Граничный роутер обеспечивает взаимодействие сети 6LoWPAN с сетью IPv6 путем преобразования заголовков IPv6 и фрагментации сообщений в адаптационном слое стека протоколов.

  К наиболее перспективным направлениям построения беспроводных сетей можно отнести узкополосный интернет вещей NB-IoT (Narrow Band IoT) на базе LTE, который может быть развернут поверх существующих сетей LTE операторов сотовой связи. Но стратегическим направлением в CIoT являются сотовые сети нового поколения 5G, которые будут поддерживать IoT.

  Технология 5G предназначена для работы с разнородным трафиком. Она обеспечит подключение к Интернет различных устройств с разными параметрами (энергопотреблением, скоростями передачи данных и другое) как мобильных устройств (смартфонов, телефонов, планшетов и т.д.), так и умных вещей.

  Следует отметить, что в IoT наряду с использованием облачных технологий применяются технологии облачных вычислений. Это обусловлено тем, что в облачной модели, используемой в IoT, слабым местом является пропускная способность каналов операторов связи, по которым осуществляется обмен данными между "облаком" и "умными" устройствами вычислительных сетей физических предметов.

  Концепция облачных вычислений предполагает децентрализацию обработки данных за счет передачи части работы по их обработке и принятию управленческих решений с "облака" непосредственно устройствам вычислительных сетей физических предметов.

 

Литература:

1. Онищенко К. Г. Розробка сервісу для забезпечення дистанційного керування приладами та пристроями розумного дому "SmartHouse" із використанням IoT рішень / К. Г. Онищенко, 

И. В. Афанасьева, И.И. Арсений // Бионика интеллекта. – г. Харьков: ХНУРЭ, 2017. – 1(88) – С. 112-116. 

2. IOT Documentation [Електронний ресурс] / Intel Software Developer Zone. – Режим доступу: https://software.intel.com/en-us/articles/iot-path-to-product-how-to-build-the-smart-home-prototype/ 28.04.2017 р. – Загол. з екрану. 

3. Velusami K. Iinternet of Things in Cloud IDG/ К. Velusamy, D. Venkitaramanan, Sh. K. Vasudevan // Journal of Engineering and Applied Sciences.. – 2013. – 8(9-12). – P. 304-313. 

4. Онищенко К. Г. Методология разработки систем умного дома с применением IoT решений / К. Г. Онищенко, И. В. Афанасьева // Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке: материалы 21-го Междунар. молодежн. форума. – г. Харьков: ХНУРЭ, 2017. – С. 157-158. 

5. Онищенко К. Г. Структурированная методология разработки сервиса для обеспечения дистанционного управления приборами и устройствами умного дома с использованием Internet оf Things решений / К. Г. Онищенко, И. В. Афанасьева // ScienceRise. – 2017. – 5(2). – С. 30-33.