Цель статьи

Систематизировать и упорядочить разрозненную информацию об IoT, рассказать о технологиях лежащих в основе современного IoT, почему связаны термины промышленной автоматизации и IoT на примере Industrial IoT. Покажем основные компоненты IoT архитектуры, и бизнес сектора коммерческого применения Internet of Things. Рассмотрим разнообразие технологий и протоколов используемых в IoT и какие требования IoT делают такое разнообразие обязательным. Кратко пробежимся по регуляторам и инвесторам на рынке IoT, как Consumer так и Industrial сегментах.

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 – “Consumer IoT” 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:

Тем не менее, группируя по динамике роста, порядок будет уже следующим:

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).

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.

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".

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.

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.

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 (над)правительственные органы

• https://www.itu.int/ - агенство ООН, играет важную роль в стандартизации и регулировании международной радиосвязи и телекоммуникаций для всего мира, в частности в ее зоне ответственности управление диапазонами радиочастот для всего мира.

6. Инвесторы на рынке IoT проектов

• https://www.bosch.com/stories/robert-bosch-venture-capital/

• https://www.ciscoinvestments.com/expertise/internet-of-things

7. Полезные ссылки и аналитика на тему IoT

• https://iot-analytics.com/

• https://www.i-scoop.eu/