Архитектура системы интернета вещей
Автор: Суриков К.А.
Журнал: Международный журнал гуманитарных и естественных наук @intjournal
Рубрика: Технические науки
Статья в выпуске: 3-2 (66), 2022 года.
Бесплатный доступ
В статье приведено описание архитектуры системы интернета вещей. Рассмотрены компоненты системы интернета вещей: умные устройства, шлюз, платформа интернета вещей, приложение интернета вещей. Указаны особенности использования для каждой из компонент в системе. Приведены задачи, стоящие перед компонентой платформой в системе. Указаны протоколы, используемые для взаимодействия компонент системы. Описано строение платформы интернета вещей. Приведено уровневое описание унифицированной платформы интернета вещей.
Интернет вещей, архитектура, система интернета вещей, умные устройства, разработка
Короткий адрес: https://sciup.org/170193164
IDR: 170193164
Текст научной статьи 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).
Список литературы Архитектура системы интернета вещей
- Росляков А.В. Интернет вещей: учеб. пособие / А.В. Росляков, С.В. Ваняшин, А.Ю. Гребешков. - Самара: ПГУТиИ, 2015. - 115 с.
- EDN: ZVDGIL
- The Fundamental IoT Architecture. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.losant.com/blog/the-fundamental-iot-architecture#:~:text=The%20Components%20of%20an%20IoT,foundation%20of%20every%20IoT%20solution. (дата доступа: 09.03.2022).
- Tibbo AggreGate IoT Platform Concept. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.automation.com/en-us/articles/2016-1/tibbo-aggregate-iot-platform-concept (дата доступа: 09.03.2022).
- Унифицированная архитектура AggreGate. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://aggregate.digital/ru/technology.html (дата доступа: 09.03.2022).
- Попов А.А. Разработка модели информационного пространства при использовании устройств Интернета вещей для управления организацией в сфере жилищно-коммунального хозяйства // Инновации и инвестиции. - 2019. - №10. - С. 135-140.
- EDN: BSUHYD