Интернет вещей может быть очень разнообразным. В прошлой статье я рассказал о системе, которая, на первый взгляд, не вяжется с этим понятием: множество датчиков, объединенных проводным сетями с локальным сервером без использования интернета. Но, если вникнуть глубже, она соответствует всем критериям и служит отличным примером разнообразия интернета вещей. Сейчас я расскажу о совершенно противоположной системе. Это сеть устройств с батарейный питанием и связью через сотовые сети.

Описание системы.

Система называется Zanoza. Разработана и продается она российской компанией ООО “Поисковый стандарт”. Идея данного продукта родилась в процессе создания GPS трекеров для большегрузной техники. Обычно трекеры используются для отслеживания положения машины в реальном времени. Они подключаются к бортовой сети автомобиля и имеют регулярные сеансы связи с обрабатывающим центром. Очень интересную статью про трекеры можно почитать тут.

Такие системы используются различными организациями и службами для контроля за подвижной техникой и планирования ее маршрутов. Но почему бы не использовать GPS как противоугонное средство?

На первый взгляд, кажется, что существует уже немало таких систем. Но оказывается, пустые ниши на этом рынке еще есть. В основном, GPS используется бортовых сигнализациях — достаточно сложных системах с удаленным управлением, криптографией и соответствующей ценой.
Для примера, схема подключения сигнализации StartLine T94 GSM/GPS:



В противовес им была создана очень простая система, направленная только на поиск. Идея такова: вы покупаете устройство, прячете его в автомобиле, регистрируете его на сайте и оно начинает работать, регулярно докладывая вам о местоположении вашего авто.

Само устройство выглядит так:



Посмотрим как же это все работает.

Технические решения

Архитектура системы имеет следующий вид:



Одна из главных особенностей датчика — батарейное питания. Это позволяет не зависеть от бортовой сети и прятать его в любом месте, не задумываясь о том, как тянуть к нему провода. Как следствие, найти и обезвредить такое устройство гораздо труднее.
Датчики с автономным питанием периодически отправляют свои координаты через сотовые сети в облако. Пользователь может в любой момент зайти на сайт и посмотреть положение своих датчиков. Вроде бы все просто.
Однако, если разобраться, такая схема имеет несколько проблем, которые, в основном, вытекают из-за использования батареи.

В первую очередь, это сама батарейка.

Датчик должен уверенно работать в морозы, чего многие элементы питания обеспечить не могут, так как при отрицательных температурах сильно теряют емкость. Решением является литий-тионилхлоридная батарея. Вот тут можно почитать хороший обзор данного типа батарей. В этом устройстве используются ER14505M AA Size батарейки фирмы MCB. Суммарная емкость 4.2 А*ч, напряжением 3.6 В.

Второй проблемой является определение координат.

Большую часть времени устройство спит. Пробуждаясь через заданные интервалы процессом производит следующие операции:

• Получает координаты устройства с помощью GPS или LBS
• Выходит на связь с сервером
• Передает координаты и другие технические данные
• Получает от сервера команды
• Выполняет команды
• Переходит обратно в спящий режим

Основное потребление энергии в приходится на GPS, по этому устройство имеет 2 режима. В первом режиме координаты вычисляются только по сотовым вышкам (LBS), во втором режиме используется GPS.

Учитывая наиболее неблагоприятный сценарий, GPS в режиме “холодного” старта требует минимум 5 минут для получения координат. Все это время приемник должен быть активен и принимать данные со спутников. Так же есть подводные камни с синхронизацией времени и уменьшением погрешности определения координат. Очень интересную статью про устройство GPS и ГЛОНАСС можно почитать тут.

LBS работает намного быстрее, однако может давать очень большую погрешность, особенно там, где маленькая плотность вышек. Кроме того, LBS требует использования базы данных координат сотовых вышек. Пример определения координат по вышкам можно посмотреть по этой ссылке. В данном решении работы LBS используется API Яндекс.Локатор.

Следующей проблемой является передача данных.

Передача данных является очень важной составляющей системы. Разработчиками устройства была проделана огромная работа по анализу разнообразных параметров и типов передачи данных. В итоге решили использовать технические sim карты M2M, которые предоставляют многие операторы.

Тут есть очень интересные нюансы. Во первых, качество связи везде очень разное. Единственным способом передачи, который более менее работает по всей стране оказался GPRS. Более современные технологии очень часто утыкаются в устаревшее оборудование вышек, особенно в регионах. Во вторых тарификация. Управление огромным количеством sim карт — не самое простое занятие. В первых версиях использовались предоплаченные тарифы, однако потом договорились о фиксированной абонентской плате.

У M2M sim-карт есть еще одна приятная особенность — приоритет трафика над обычными sim картами. Это сильно повышает стабильность среды передачи данных.

Итоговые параметры

Объединив оптимизацию работы с LSB и GPS и оптимизацию траффика, удалось добиться очень впечатляющих результатов. Разработчики говорят, что время работы устройства с учетом передачи в режиме LBS примерно 25 секунд, в режиме GPS около 50 секунд. Соответственно время работы на одном комплекте батарей и выходе на связь 1 раз в сутки в режиме GPS около года, а в режиме LBS около 2х лет. Погрешность в режиме GPS 2.5-10м, в режиме LBS 30-600м. Есть возможность устанавливать периодичность выходов на связь и время сеанса связи.

Схемотехника и производство

Zanoza предназначена для продаж на открытом рынке конечному пользователю. По этому очень важным параметром для данной системы является конечная стоимость. Разработчики прошли очень большой путь и очень серьезно оптимизировали данный параметр.

Многие производители микроконтроллеров и компонентов делают на заказ специализированные процессоры под требования заказчиков. Однако заказчик должен обеспечить выкуп достаточно больших объемов, иначе производство будет не выгодно. Речь может идти о десятках или сотнях тысяч единиц продукции в год. Этот подход на первом этапе не дешевый, но очень эффективный в дальнейшем.

Большая часть системы выполнена на одном кристалле под заказ компанией Simens. Этот кристалл объединяет микроконтроллер, GSM и GPS. Кроме оптимизации цены, это еще и существенно экономит место на плате.

Производство платы и корпуса организовано в Китае. Упаковочные материалы и элементы питания тоже поставляются из Китая. В России производится только сборка и упаковывание.

Портал и облако

Все управление системой происходит через облако. Портал управления устройствами выглядит следующем образом:



Это кабинет пользователя. Тут можно посмотреть статистику выходов устройства на связь, настроить временные параметры и тип определения координат.
Стоит отметить, что портал учитывает множество типов пользователей: администраторы, маркетологи, техническая поддержка, разработчики, пользователи и т.д. Это позволяет управлять системой через единую точку входа. Кроме того, вычислительные мощности облака автоматически подстраиваются под нагрузку на портал. Теоретически, это позволяет подключать бесконечное количество устройств.

Безопасность решения

Если рассмотреть безопасность данной системы, то можно выделить 2 основных аспекта.
Первый — работа с порталом. Тут все достаточно понятно, прозрачно и ничем не отличается от систем безопасности на других многопользовательских сайтах.
Второй — защита самих устройств. Важной особенностью датчиков является то, что они не ждут подключения от сервера, а сами являются инициаторами соединения. Таким образом, у злоумышленника значительно сужается круг возможностей для взлома самого датчика. За безопасность доставки данных от устройства до сервера отвечает оператор сотовой сети.

Таким образом, самым слабым местом данной системы является возможность заглушить GPRS канал. Однако и тут есть хитрость. В отличие от других систем, Zanoza не увеличивает мощность при плохом сигнале, а сохраняет данные в памяти и “засыпает”. Затем, через случайный промежуток времени, происходит следующая попытка выйти на связь. И так будет продолжаться либо пока не будет отключено питание, либо пока не будет установлено устойчивое соединение. При установке соединения, на сервер будут отправлены все сохраненные данные. Этот подход во первых усложняет поиск устройства по сигналу, а во вторых повышает шансы получения данных с устройства при плохом сигнале.

Более подробно об аспектах безопасности интернета вещей можно почитать в статье Клеменса Вастерса.

Заключение

Понятие интернета вещей охватывает огромное количество разнообразных систем. Причем, часто, универсальности систем интернета вещей, позволяет использовать их в совершенно неожиданных направлениях. Zanoza родилась из системы GPS трекинга. Основной ее целью является поиск автомобиля при угоне. Однако, эти датчики стали использовать для предотвращения кражи и других подвижных объектов: от мусорных контейнеров до рекламных щитов. Система оказалась очень востребованной.