Архитектура системы интернета вещей

С развитием умных технологий все большую значимость приобретают сети «интернета вещей» (Internet of Things – IoT). Системы «интернета вещей» позволяют реализовать автоматизацию производственных процессов, энергетики, сельского хозяйства, медицины, создавать умные квартиры, дома, районы и целые города [1].

Интернет вещей (IoT) включает в себя целую экосистему различных инструментов. Знание ключевых компонентов архи- тектуры IoT и способов их интеграции может помочь в проектировании систем «умных вещей».

Компоненты IoT-архитектуры

Независимо от варианта использования IoT-решение включает одни и те же четыре компонента: устройства, шлюз подключения, платформу и приложение. Некоторые варианты использования Интернета вещей могут включать дополнительные уровни, но эти четыре компонента составляют основу каждого решения IoT [2].

Рис. 1. IoT-архитектура

IoT-устройства

Умные устройства составляют физический аппаратный компонент системы. При создании системы управления офисом, это могут быть датчики движения, считыватели пропусков персонала, видеокамеры и т.д. При использовании элементов промышленного Интернета вещей или построении системы интеллектуального зда- ния предпочтительнее использовать готовые устройства от одного вендора, которые могут быть добавлены без конфликта в существующую среду. При использовании устройств от разных вендоров особое внимание стоит уделить тому, смогут ли обмениваться данными устройства между собой.

В большинстве случаев IoT-устройства отправляют данные о состоянии и получают команды от централизованной платформы. Существует множество вариантов того, как выполняется это соединение между устройством и платформой, и это сильно зависит от среды и ограничений самого устройства. К примеру, если устройство находится в помещении дома или в здании, то можно использовать устройства, передающие данные через Ethernet или Wi-Fi. Если устройство питается от батареи, требуются варианты протоколов с низким энергопотреблением, такие как Bluetooth Low Energy или LPWAN [2].

Шлюз

Некоторые устройства не могут напрямую подключаться к центральной платформе и требуют использования шлюза IoT для преодоления разрыва между локальной средой и платформой. Это распространено в промышленных средах, где возможно взаимодействие с существующим оборудованием по локальным протоколам. Шлюзы также необходимы при использовании беспроводных технологий, таких как BLE и LPWAN, поскольку они не обеспечивают прямого подключения к сети или облаку.

В этих ситуациях устройство подключается к шлюзу. Шлюз считывает необходимую информацию, а затем отправляет данные на платформу, используя «транзитное» соединение, такое как сотовая связь или Wi-Fi, которое может получить доступ к сети или облаку.

Шлюзы также позволяют использовать такую технологию, как Edge Compute в архитектуре системы. Edge Compute переносит обработку и управление из облака и размещает их на оборудовании или рядом с ним. Облако – важный компонент архитектуры, но оно имеет ограничения, такие как надежность подключения к Интернету и задержка связи. Если обрабатывать данные необходимо в режиме реального времени или устройства генерируют слишком много данных для отправки в облако, внедрение Edge Compute в архитектуру IoT может помочь справить с нагрузкой [2].

Платформа Интернета вещей

Платформа Интернета вещей – это фактически центральное хранилище данных и механизм оркестрации для Умного офиса. В общем случае современная IoT-платформа должна решать следующие задачи:

Поддержание связи между серверами и устройствами, подключенными через сотовые и спутниковые каналы связи.

Единый подход к данным устройства вне зависимости от функциональной задачи.

Хранение больших объемов собранных событий и исторических данных в различных базах данных (реляционных, циклических, NoSQL).

Визуальное построение сложных цепочек анализа исходных данных и корреляции событий.

Моделирование интеграции данных нескольких устройств и процессов расчета KPI всей инфраструктуры.

Быстрое построение интерфейса оператора и системного инженера из готовых «кирпичиков» без программирования.

Реализация сценариев интеграции через готовые универсальные коннекторы (SQL, HTTP/HTTPS, SOAP, CORBA, SNMP и др.) [3].

Создание безопасной и масштабируемой платформы – непростая задача, поэтому при построении системы необходимо обратить внимание на рынок готовых решений. При выборе платформы для построения системы, необходимо обратить внимание на следующие характеристики:

• -    Наличие базы знаний для платформы;

• -    Доступное качество и уровень поддержки;

• -    Ограничения на устройства, подключаемые к платформе;

• -    Стабильность;

• -    Функциональность, соответствующая потребностям варианта использования;

• -    Безопасность;

• -    Высокая доступность/аварийное восстановление;

• -    Непрерывное улучшение;

• -    Документация.

Современная платформа включает в себя следующие основные компоненты:

Сервер – это приложение, обеспечивающее связь с устройствами, хранение данных и их автоматизированную обработку. Серверы могут группироваться в кластеры для обеспечения высокой доступности и поддерживать одноранговые отношения в распределенных установках.

Unified Console – это кроссплатформен-ное настольное клиентское программное обеспечение, обеспечивающее одновременную работу с одним или несколькими серверами в режиме администратора, системного инженера или оператора.

Агент – это библиотека, которую можно интегрировать в прошивку IoT-устройства для обеспечения связи с серверами, унификации настроек устройства, выполнения операций с устройством и асинхронной отправки событий. Существует множество библиотек (Java, .NET, C/C++, Android Java и т.д.). Нет необходимости развертывать агент, если связь с сервером осуществляется с использованием стандартных или проприетарных протоколов. В последнем случае для сервера разрабатывается отдельный драйвер устройства. Агент также может быть реализован в виде отдельного аппаратного устройства (шлюза).

API с открытым исходным кодом для расширения функциональности всех остальных компонентов и реализации сложных сценариев интеграции [3].

В общем случае архитектуру платформы можно свести к унифицированному виду, включающему 7 уровней [4] (рис. 2).

Уровень сети устройств

Уровень агрегации данных Кэширование данных устройств, синхронизация и средства централизованного хранения

Уровень аппаратной абстракции Программные и аппаратные объектынаперифершг драйверы устройств в облаке

Уровень общего контроля Общие административные, операции и управление безопасностью

Уровень прямы! операций

Конфигурация устройств «налету», операции мониторинга и контроля

Уровень продвинутой аналитики Моделирование объектов и процессов, машинное обучение, обработка сложных событий итд.

Уровень базовой обработки данных

Тревоги, запланированные операции, языки запросов и выражений, процессы

Рис. 2. Унифицированная архитектура IoT-платформы

Уровень сети устройств – это физический уровень, подключенных к системе умных устройств, взаимодействующих друг с другом и со шлюзом платформы через Ethernet, Wi-Fi, GPRS и т.д.

Уровень аппаратной абстракции включает в себя программные и аппаратные объекты на периферии, драйверы устройств.

Уровень прямых операций предусматривает настройку операций мониторинга и контроля работы устройств.

Уровень агрегации данных предусматривает кэширования данных с устройств, синхронизация в центральном хранилище.

Уровень базовой обработки данных предусматривает первичную обработка данных.

Уровень продвинутой аналитики предусматривает построение аналитических моделей, прогнозирование, обработка сложных событий.

Уровень общего контроля предусматривает выполнение общих административных операций и управление безопасностью.

Приложение Интернета вещей

Приложение Интернета вещей обеспечивает взаимодействие с конечным пользователем, то, как пользователь системы взаимодействует с данными, собранными с устройств и с построенными аналитическими моделями. Взаимодействие может происходить через мобильное приложение, веб-сайт, настольное приложение. Создание интерфейса может быть сложным и трудоемким, поэтому при построении системы, важно обратить особое внимание на платформы поддержки приложений, которые могут значительно ускорить эту работу.

Приложение Интернета вещей – это важный компонент архитектуры Интернета вещей, в котором реализуется настоя- щая ценность всей системы для пользователя. Развертывание оборудования и сбор данных с датчиков бессмысленны, если не предоставить пользователю интерфейс для работы системой [5].

Заключение

В статье рассмотрены компоненты архитектуры Интернета вещей (устройства Интернета вещей, шлюзы, унифицированная модель платформы IoT, а также особенности использования программных приложений Интернета вещей).