1.3.2 Средства измерения
Особую роль в интернете вещей играют средства измерения, обеспечивающие преобразование сведений о внешней среде в машиночитаемые данные, и тем самым наполняющие вычислительную среду значимой информацией. Используется широкий класс средств измерения, от элементарных датчиков (например, температуры, давления, освещённости), приборов учёта потребления (таких, как интеллектуальные счётчики) до сложных интегрированных измерительных систем. В рамках концепции «интернета вещей» принципиально объединение средств измерения в сети (такие, как беспроводные датчиковые сети, измерительные комплексы), за счёт чего возможно построение систем межмашинного взаимодействия.
Как особая практическая проблема внедрения «интернета вещей» отмечается необходимость обеспечения максимальной автономности средств измерения, прежде всего, проблема энергоснабжения датчиков. Нахождение эффективных решений, обеспечивающих автономное питание сенсоров (использование фотоэлементов, преобразование энергии вибрации, воздушных потоков, использование беспроводной передачи электричества), позволяет масштабировать сенсорные сети без повышения затрат на обслуживание (в виде смены батареек или подзарядки аккумуляторов датчиков).
1.3.3 Средства передачи данных
Для беспроводной передачи данных особо важную роль в построении «интернета вещей» играют такие качества, как эффективность в условиях низких скоростей, отказоустойчивость, адаптивность, возможность самоорганизации. Основной интерес в этом качестве представляет стандарт IEEE 802.15.4, определяющий физический слой и управление доступом для организации энергоэффективных персональных сетей, и являющийся основой для таких протоколов, как ZigBee, WirelessHart, MiWi, 6LoWPAN, LPWAN.
«Умный дом»
Сейчас о концепции IoT («интернета вещей») говорят везде. Появляется «умная» бытовая техника, которая может подключиться к сети (Bluetooth/Wi-Fi) по беспроводному интерфейсу и начать рассылать уведомления о том, что задача по стирке/готовке еды/кипячению воды завершена и неплохо бы что-то с этим сделать. Большинство таких «умных» устройств получает питание непосредственно из электросети. Но как быть, если хочется получать информацию от беспроводного термометра и при этом не менять батарейку каждую неделю? Или иметь беспроводной выключатель с небольшим аккумулятором, для которого не понадобится пробивать стены? И хорошо бы объединить такие устройства в единую распределенную сеть, которой можно управлять удаленно и которая сама, основываясь на показаниях датчиков, могла бы принимать какие-то решения. Специально для решения таких задач была создана беспроводная технология «Умного дома», о которой и пойдёт речь.
Умный дом предназначен для максимально комфортной жизни людей посредством использования современных высокотехнологических средств. К основным подсистемам умного дома относятся: климат-контроль, освещение, мультимедиа (аудио и видео), охранные системы, селекторная связь, и другие.
Принцип работы системы умный дом заключается в автоматизации всего, из чего состоит жилая постройка: освещение, кондиционирование, система безопасности, электроэнергия, отопление и так далее. Говоря простым языком, умный дом – это революционная система. С ее появлением отпала необходимость заботиться о своем жилище, поскольку теперь жилище само заботится о своем владельце.
Сетевые технологии для беспроводной связи умного дома
Существует большое количество беспроводных технологий, каждая из которых имеет свои особенности. На рисунке 1.3 рассмотрены беспроводные протоколы связи для частоты 2,4 ГГц.
Рисунок 1.3 - Сравнение популярных беспроводных технологий
Технология Wi-Fi создавалась в качестве замены проводного интерфейса Ethernet. Поэтому эта технология предлагает большие скорости передачи данных, но не позволяет разрабатывать узлы, работающие длительное время от источников питания малой емкости ввиду большого энергопотребления.
Технология Bluetooth с появлением стандарта 4.0 (Bluetooth Smart или Bluetooth Low Energy) стала гораздо привлекательней для разработчиков носимой электроники, так как энергопотребление по сравнению с предыдущими версиями сократилось в разы. Но если стоит задача построения беспроводной малопотребляющей системы, которая будет охватывать несколько комнат или даже зданий, эта технология не подойдет, так как поддерживается только сетевая топология «звезда». Это же справедливо и для Wi-Fi.
Технологии ZigBee и Thread изначально разрабатывались для создания надежных распределенных сетей датчиков и управляющих устройств с невысокими скоростями передачи данных. В этих технологиях реализована поддержка сетевой топологии «mesh», спящих и мобильных узлов, а также узлов, которые обеспечивают работу алгоритмов ретрансляции и самовосстановления. В таблице указана скорость 250 кбит/с — это максимальная пропускная способность сети. Полезная скорость будет порядка 30-40 кбит/с в пределах соседних узлов и 5-25 кбит/с при использовании ретрансляции. Основное отличие технологии Thread от ZigBee, что в ней добавлена поддержка IP-протокола, что упрощает интеграцию сетей Thread с сетевыми приложениями.
Сравнение сетевых топологий
Рисунок 1.4 – Топологии популярных беспроводных сетей
Как показано на рисунке 1.4, в сетях Bluetooth и Wi-Fi сетевое взаимодействие идет через центральный шлюз. И если он выйдет из строя, то обмен данными станет невозможным. Кроме этого отдельные узлы могут остаться без связи, если неожиданно возникла преграда на пути следования радиосигнала, поэтому данные технологии не будем включать в описание.
В сетях ZigBee и Thread надежность связи повышается за счет наличия избыточных связей между устройствами. Все устройства, которые не уходят в спящий режим, выполняют роль роутеров, которые ответственны за маршрутизацию сетевого трафика, выбора оптимального маршрута следования и ретрансляцию пакетов. Даже если из строя выйдет устройство, которое выступало в качестве организатора сети, ZigBee-сеть продолжит функционировать дальше. Возникновение помехи или преграды, а также выход какого-либо из роутеров из строя не является критичным за счет наличия избыточных связей. Поэтому с введением дополнительных узлов, которые имеют стационарное питание и могут выполнять задачи роутера, сеть становится надежнее.