Технологии и протоколы Интернета вещей
Начните знакомство с миром и технологиями Интернета вещей. Из этого руководства вы узнаете основные сведения о протоколах и технологиях Интернета вещей. Это позволит сделать оптимальный выбора для вашего проекта.
Руководство по технологиям и протоколам Интернета вещей
Интернет вещей — это совокупность встроенных систем, сетей беспроводных датчиков, систем управления и средств автоматизации. Они обеспечивают поддержку подключенных производственных предприятий, интеллектуальных магазинов, медицинских учреждений нового поколения, умных домов и городов, а также носимых устройств. С помощью технологий Интернета вещей вы сможете преобразовать свой бизнес за счет полученных на основе данных аналитических сведений, усовершенствованных рабочих процессов, новых сфер деятельности и более эффективного использования материалов.
Технологии Интернета вещей продолжают развиваться. Ежегодно появляется бесчисленное количество поставщиков услуг, разнообразные платформы и миллионы новых устройств. Сейчас для начала работы в экосистеме Интернета вещей разработчикам нужно принять множество решений.
Это руководство поможет вам составить представление о распространенных протоколах Интернета вещей, а также о требованиях к энергопотреблению и подключению. Если вам нужна вводная информация о технологии Интернета вещей, см. веб-страницы с руководствами Что такое Интернет вещей? и Общие сведения о безопасности в Интернете вещей .
Экосистема технологий Интернета вещей
Экосистема технологий Интернета вещей состоит из следующих уровней: уровень устройств, уровень данных, уровень подключения и уровень пользователей технологий.
Уровень устройств
Совокупность датчиков, исполнительных устройств, оборудования, программного обеспечения, средств подключения и шлюзов, составляющих устройство, которое соединяется и взаимодействует с сетью.
Уровень данных
Данные, которые собираются, обрабатываются, отправляются, сохраняются, анализируются, представляются и используются в бизнес-контексте.
Уровень бизнеса
Бизнес-функции технологий Интернета вещей, включая управление выставлением счетов и магазинами данных.
Уровень пользователей
Люди, которые взаимодействуют с устройствами и технологиями Интернета вещей.
Узнайте больше о том, как правильно подключать устройства при создании решений с помощью Центра Интернета вещей Azure.
Стек технологий Интернета вещей. Часть 1.
Устройства Интернета вещей
Устройства Интернета вещей весьма разнообразны, но, как правило, для них используются приведенные ниже общие понятия и термины. Узнать больше о разновидностях устройств, в которых используется технология Интернета вещей, можно из этого каталога устройств Интернета вещей.
Исполнительные устройства
Исполнительные устройства выполняют физические действия при получении указаний от центра управления, обычно в ответ на изменения, зафиксированные датчиками. Они представляют собой тип преобразователя.
Встроенные системы
Встроенные системы — это системы на основе микропроцессоров или микроконтроллеров, которые управляют той или иной функцией в более крупной системе. К ним относятся как аппаратные, так и программные компоненты, например Azure RTOS.
Интеллектуальные устройства
Устройства, которые могут выполнять вычисления. Они часто оснащены микроконтроллером и могут использовать такие службы, как Azure IoT Edge , для оптимального развертывания определенных рабочих нагрузок на разных устройствах.
Микроконтроллер (MCU)
Эти небольшие компьютеры внедряются в микросхемы и оснащены ЦП, ОЗУ и ПЗУ. Они содержат элементы, необходимые для выполнения простых задач. Но микроконтроллеры имеют более ограниченную мощность, чем микропроцессоры.
Микропроцессор (MPU)
Микропроцессоры выполняют функции ЦП на одной или нескольких интегральных микросхемах. Хотя для выполнения задач микропроцессорам требуются периферийные устройства, затраты на обработку значительно сокращаются, так как в них входит только стоимость ЦП.
Устройства, не предназначенные для вычислений
Устройства, которые только устанавливают подключение и передают данные. Они не могут выполнять вычисления.
Преобразователи
В общих чертах преобразователи — это устройства, которые преобразуют одну форму энергии в другую. В контексте устройств Интернета вещей к ним относятся внутренние датчики и исполнительные устройства, передающие данные по мере того, как устройства взаимодействуют со своей средой.
Датчики
Датчики выявляют изменения в своей среде и создают электрические сигналы для обмена данными. Датчики обычно обнаруживают изменения окружающей среды, например температуры, физического положения и содержания химических веществ. Они представляют собой тип преобразователя.
Стек технологий Интернета вещей. Часть 2.
Протоколы Интернета вещей и подключение
Подключение устройств Интернета вещей
Главным аспектом при планировании технологического проекта Интернета вещей является определение протоколов Интернета вещей для устройств, то есть способов их подключения и взаимодействия. В стеке технологий Интернета вещей устройства подключаются с помощью шлюзов или встроенных функций.
Что такое шлюзы Интернета вещей?
Шлюзы — это часть технологии Интернета вещей, с помощью которой можно подключать устройства Интернета вещей к облаку. Хотя шлюз требуется не всем устройствам Интернета вещей, его можно использовать для установления связи между устройствами или для подключения устройств, которые работают не на основе IP-протоколов и не могут напрямую подключаться к облаку. Данные, собираемые с устройств Интернета вещей, проходят через шлюз, предварительно обрабатываются в пограничной среде, а затем отправляются в облако.
Использование шлюзов Интернета вещей может снизить задержку и уменьшить размер передаваемых данных. Применение шлюзов в рамках протоколов Интернета вещей также позволяет подключать устройства без прямого доступа к Интернету и обеспечивает дополнительный уровень безопасности, защищая данные при перемещении в обоих направлениях.
Как подключать устройства Интернета вещей к сети?
Тип подключения, который используется в рамках протокола Интернета вещей, зависит от устройства, его функции и пользователей. Как правило, расстояние, на которое должны передаваться данные (малый диапазон или большой диапазон), определяет необходимый тип подключения Интернета вещей.
Типы сетей Интернета вещей
Сети с низким энергопотреблением и малым диапазоном
Сети с низким энергопотреблением и малой дальностью хорошо подходят для дома, офиса и других небольших сред. Для их работы достаточно небольших аккумуляторов. Как правило, такие сети довольно экономичны в эксплуатации.
Распространенные примеры:
Bluetooth
Bluetooth обеспечивает высокоскоростную передачу данных и отправляет сигналы голоса и данных на расстояние до 10 метров.
NFC
Набор протоколов связи для обмена данными между двумя электронными устройствами на расстоянии до 4 см. NFC обеспечивает низкоскоростное подключение с простой настройкой, которое можно использовать для поддержки более мощных беспроводных подключений.
Wi-Fi/802.11
Благодаря низкой стоимости эксплуатации Wi-Fi — стандартный вариант для дома и работы. Но этот вариант подходит не для всех сценариев из-за ограниченного диапазона действия и постоянного потребления энергии.
Z-Wave
Многосвязная сеть, использующая низкоэнергетические радиоволны для связи между устройствами.
Zigbee
Спецификация на основе IEEE 802.15.4 для набора протоколов связи высокого уровня, используемых для создания персональных сетей с небольшими цифровыми радиостанциями с низким энергопотреблением.
Сети с низким энергопотреблением и широкой зоной охвата (LPWAN)
Сети LPWAN обеспечивают связь на расстоянии от 500 метров, отличаются минимальным энергопотреблением и используются для большинства устройств Интернета вещей. Распространенные примеры LPWAN:
Интернет вещей 4G LTE
Такие сети обеспечивают высокую мощность и малую задержку. Это отличный вариант для сценариев Интернета вещей, в которых нужно получать сведения или обновления в реальном времени.
Интернет вещей 5G
Сети Интернета вещей 5G еще не реализованы. Планируется, что в будущем они будут поддерживать дальнейшие инновации в Интернете вещей, а также обеспечивать намного более высокую скорость загрузки и подключения к гораздо большему числу устройств в определенной зоне.
Cat-0
Эти сети на основе LTE — самые экономичные. Они обеспечивают основу для технологии Cat-M, которая заменит 2G.
Cat-1
Этот стандарт для мобильного Интернета вещей в конечном итоге заменит 3G. Сети Cat-1 легко настраивать. Это отличный вариант для приложений, которым требуется голосовой или браузерный интерфейс.
LoRaWAN
Глобальные сети большого радиуса действия (LoRaWAN) обеспечивают связь между мобильными защищенными двунаправленными устройствами, работающими от аккумуляторов.
LTE Cat-M1
Эти сети полностью совместимы с сетями LTE. Они позволяют оптимизировать стоимость и мощность второго поколения микросхем LTE, разработанных специально для приложений Интернета вещей.
NB-IoT (Narrowband Internet of Things) или Cat-M2
В NB-IoT/Cat-M2 используется модуляция расширения спектра методом прямой последовательности (DSSS) для отправки данных непосредственно на сервер. Это устраняет необходимость в использовании шлюза. Настройка сетей NB-IoT стоит дороже, но благодаря отсутствию шлюза их работа сопровождается меньшими затратами.
Sigfox
Этот глобальный поставщик сетевых услуг Интернета вещей предлагает беспроводные сети для подключения объектов с низким энергопотреблением, которые непрерывно создают данные.
Протоколы Интернета вещей: как устройства Интернета вещей обмениваются данными с сетью
Устройства Интернета вещей обмениваются данными с помощью протоколов Интернета вещей. Протокол IP — это набор правил, определяющих способ отправки данных в Интернет. Протоколы Интернета вещей гарантируют, что информация с одного устройства или датчика будет считываться и правильно интерпретироваться другим устройством, шлюзом или службой. Различные протоколы Интернета вещей разработаны и оптимизированы для различных сценариев и вариантов использования. Так как существует множество устройств Интернета вещей, важно использовать нужный протокол в нужном контексте.
Какой протокол Интернета вещей мне подойдет?
Требуемый тип протокола Интернета вещей зависит от уровня архитектуры системы, на котором будут передаваться данные. Модель OSI предоставляет карту различных уровней, на которых выполняется отправка и получение данных. Каждый протокол Интернета вещей в архитектуре системы Интернета вещей обеспечивает взаимодействие между устройствами, между устройством и шлюзом, между шлюзом и центром обработки данных или между шлюзом и облаком, а также обмен данными между центрами обработки данных.
Уровень приложений
Прикладной уровень выступает в качестве интерфейса между пользователем и устройством в рамках того или иного протокола Интернета вещей.
Расширенный протокол управления очередью сообщений (AMQP)
Уровень оборудования, на котором устанавливается взаимодействие между ПО промежуточного слоя для обмена сообщениями. Это обеспечивает совместную работу разнообразных систем и приложений. Так формируется стандартизированная система обмена сообщениями в промышленном масштабе.
Ограниченный протокол приложений (CoAP)
Сетевой протокол с ограничением пропускной способности и доступа к сети, предназначенный для устройств с ограниченной мощностью. Протокол обеспечивает обмен данными между компьютерами. Кроме того, CoAP — это протокол передачи документов, который работает с помощью протокола UDP.
Служба распределения данных (DDS)
Универсальный одноранговый протокол связи, который позволяет выполнять любые действия — от запуска небольших устройств до подключения высокопроизводительных сетей. DDS упрощает развертывание, повышает надежность и уменьшает сложность.
Message Queue Telemetry Transport (MQTT)
Протокол обмена сообщениями, предназначенный для неинтенсивного обмена данными между компьютерами. В основном используется для подключений с низкой пропускной способностью к удаленным расположениям. MQTT использует подписанный издателем шаблон. Это идеальный вариант для небольших устройств, требующих эффективной пропускной способности и использования аккумулятора.
Уровень транспортировки
В любом протоколе Интернета вещей транспортный уровень обеспечивает и защищает обмен данными между уровнями.
Transmission Control Protocol (TCP)
Главный протокол для большинства типов подключения к Интернету. Обеспечивает обмен данными между узлами. Для этого крупные наборы данных разбиваются на отдельные пакеты. При необходимости пакеты повторно отправляются и перекомпонуются.
User Datagram Protocol (UDP)
Протокол связи для взаимодействия между процессами. Работает на основе протокола IP. Протокол UDP повышает скорость передачи данных по протоколу TCP. Это лучший вариант для приложений, требующих передачи данных без потерь.
Уровень сети
Сетевой уровень протокола Интернета вещей позволяет отдельным устройствам обмениваться данными с маршрутизатором.
IP
Во многих протоколах Интернета вещей используется IPv4, но в последних реализациях применяется IPv6. Это последнее обновление протокола IP для маршрутизации трафика через Интернет, а также определения и обнаружения устройств в сети.
6LoWPAN
Этот протокол Интернета вещей лучше всего подходит для устройств с низким энергопотреблением и ограниченными возможностями обработки.
Канальный уровень данных
Уровень данных является компонентом протокола Интернета вещей, который передает данные в пределах архитектуры системы и определяет и исправляет ошибки, обнаруженные на физическом уровне.
IEEE 802.15.4
Стандарт радиочастотных устройств для беспроводного подключения с низким энергопотреблением. Он используется с Zigbee, 6LoWPAN и другими стандартами для создания беспроводных сетей.
LPWAN
Энергоэффективные сети дальнего радиуса действия (LPWAN) обеспечивают обмен данными на расстоянии от 500 м до более чем 10 км. LoRaWAN — это пример сети LPWAN, оптимизированной для энергосбережения.
Физический уровень
Физический уровень — это коммуникационный канал между устройствами в определенной среде.
Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE)
BLE позволяет значительно сократить энергопотребление и затраты и при этом поддерживает такой же диапазон подключений, как и классическая технология Bluetooth. BLE работает напрямую в мобильных операционных системах. Эта технология быстро приобретает популярность в сфере бытовой электроники, так как она экономична и обеспечивает длительную работу от аккумулятора.
Ethernet
Это экономичное проводное соединение, которое обеспечивает быстрое подключение к данным, а также малую задержку.
"Долгосрочное развитие" (LTE)
Стандарт беспроводной широкополосной связи для мобильных устройств и терминалов данных. LTE увеличивает мощность и скорость беспроводных сетей, а также поддерживает многоадресные и широковещательные потоки.
Связь ближнего действия (NFC)
Набор протоколов связи, касающихся использования электромагнитных полей. Позволяет двум устройствам обмениваться данными на расстоянии четырех сантиметров друг от друга. Устройства с поддержкой NFC работают как карты ключей удостоверений и обычно используются для смарт-карт, бесконтактных мобильных платежей и бронирования билетов.
PLC (связь по линиям электросети)
Технология связи, позволяющая отправлять и получать данные через существующие кабели питания. Это позволяет обеспечить питание устройства Интернета вещей и управление им через один и тот же кабель.
Радиочастотная идентификация (RFID)
В RFID используются электромагнитные поля для отслеживания электронных меток, у которых нет других источников питания. Совместимое оборудование обеспечивает электропитание и взаимодействует с этими тегами, считывая информацию для идентификации и проверки подлинности.
Wi-Fi/802.11
Wi-Fi/802.11 — это стандарт для жилых домов и офисов. Этот вариант экономичен. Но он подходит не для всех сценариев из-за ограниченного диапазона действия и постоянного потребления энергии.
Z-Wave
Многосвязная сеть, использующая низкоэнергетические радиоволны для связи между устройствами.
Zigbee
Спецификация на основе IEEE 802.15.4 для набора протоколов связи высокого уровня, используемых для создания персональных сетей с небольшими цифровыми радиостанциями с низким энергопотреблением.
Стек технологий Интернета вещей. Часть 3.
Платформы Интернета вещей
Платформы Интернета вещей позволяют легко создавать и запускать проекты Интернета вещей. Такие платформы предоставляют единую службу, которая управляет развертыванием, устройствами и данными. Платформы Интернета вещей управляют аппаратными и программными протоколами, обеспечивают безопасность и проверку подлинности, а также предоставляют пользовательские интерфейсы.
Точное определение платформы Интернета вещей сформулировать трудно. Причина в том, что есть более 400 поставщиков услуг с различными предложениями — от программного обеспечения и оборудования до пакетов SDK и API-интерфейсов. Но в состав большинства платформ Интернета входят:
- облачный шлюз Интернета вещей;
- средства проверки подлинности и управление устройствами, а также API-интерфейсы;
- облачная инфраструктура;
- интеграция сторонних приложений.
Управляемые службы
Разнообразные управляемые службы Интернета вещей помогают предприятиям работать на упреждение и обслуживать экосистему Интернета вещей. Такие службы, например Центр Интернета вещей Azure , позволяют реализовать и упростить создание, развертывание, администрирование и мониторинг проекта Интернета вещей.
Области применения современных технологий Интернета вещей
Искусственный интеллект и Интернет вещей
Системы Интернета вещей собирают такие огромные объемы данных, что часто для их сортировки и анализа требуются средства ИИ и машинного обучения. Это позволяет обнаруживать закономерности и принимать меры на основе полученных аналитических сведений. Например, средства ИИ могут анализировать данные, собранные с производственного оборудования, и прогнозировать потребность в обслуживании. Это позволяет сократить затраты и время простоя из-за непредвиденных сбоев.
Блокчейн и Интернет вещей
Сейчас нет способа, с помощью которого можно было бы убедиться, что данные из Интернета вещей не обрабатывались до их продажи или совместного использования. Блокчейн в сочетании с Интернетом вещей позволяет разделить приемники данных и повысить уровень доверия, чтобы можно было проверять данные, а также выполнять их трассировку и обеспечивать надежность.
Kubernetes и Интернет вещей
Благодаря модели развертывания без простоев Kubernetes помогает обновлять проекты Интернета вещей в реальном времени без влияния на работу пользователей. Kubernetes позволяет легко и эффективно выполнять масштабирование с помощью облачных ресурсов, предоставляя общую платформу для развертывания в пограничной среде.
Решения с открытым кодом и Интернет вещей
Технологии с открытым кодом ускоряют работу решений Интернета вещей, позволяя разработчикам использовать в приложениях с технологиями Интернета вещей средства по своему выбору.
Квантовые вычисления и Интернет вещей
Квантовые вычисления — естественный способ обработки значительного объема данных, создаваемых Интернетом вещей. Такой подход позволяет ускорить работу благодаря мощным вычислительным возможностям. Кроме того, квантовое шифрование помогает добавить уровень безопасности, который необходим, но пока недостижим из-за низкой вычислительной мощности, которой обладает большинство устройств Интернета вещей.
Бессерверные вычисления и Интернет вещей
Бессерверные вычисления позволяют разработчикам быстрее создавать приложения, устраняя необходимость в управлении инфраструктурой. Благодаря бессерверным приложениям поставщики облачных служб могут автоматически подготовить, масштабировать и контролировать инфраструктуру, необходимую для выполнения кода. Так как проекты Интернета вещей отличаются непостоянностью трафика, бессерверные вычисления обеспечивают экономичный способ динамического масштабирования.
Виртуальная реальность и Интернет вещей
Совместное использование виртуальной реальности и Интернета вещей помогает визуализировать сложные системы и принимать решения в реальном времени. Например, используя форму виртуальной реальности, называемую дополненной реальностью (также известную как смешанная реальность), можно отображать важные данные Интернета вещей в виде графики поверх реальных объектов (например, устройств Интернета вещей) или рабочих пространств. Совместное использование виртуальной реальности и Интернета вещей сделало возможными технологические достижения в таких отраслях, как Здравоохранение, выездное обслуживание, перевозки и производство.
Digital Twins и Интернет вещей
Тестирование систем перед запуском может существенно сэкономить средства и время. Служба Digital Twins принимает данные от множества устройств Интернета вещей и интегрирует их с данными из других источников, чтобы обеспечить визуализацию того, как система будет взаимодействовать с устройствами, людьми и пространствами.
Данные Интернета вещей и аналитика
Технологии Интернета вещей создают настолько большие объемы данных, что для их преобразования в практические полезные сведения необходимы специализированные процессы и средства. Распространенные области применения и задачи, в которых используется технология Интернета вещей:
Область применения. Упреждающее обслуживание
Модели машинного обучения Интернета вещей, разработанные и обученные для выявления сигналов в исторических данных, можно использовать для выявления таких же тенденций в текущих данных. Это позволяет пользователям автоматизировать запросы на профилактическое обслуживание и запрашивать новые компоненты заранее, чтобы они всегда были доступны при необходимости.
Область применения. Принятие решений в реальном времени
Существует множество различных служб аналитики Интернета вещей, предназначенных для комплексного создания отчетов в реальном времени, в том числе:
- Хранилище для больших объемов данных с использованием форматов, поддерживающих запросы средств аналитики.
- Обработка потоков данных большого объема для их фильтрации и агрегирования перед анализом.
- Циклы анализа с малой задержкой с использованием средств аналитики в реальном времени, которые позволяют создавать отчеты и визуализировать данные.
- Прием данных в реальном времени с помощью брокеров сообщений.
Задача. Хранилище данных
Сбор больших объемов данных приводит к увеличению требуемого объема хранилища. Есть несколько служб хранилища данных с различиями в организационной структуре, протоколах проверки подлинности, ограничениях размера и пр.
Задача. Обработка данных
Огромный объем данных, собираемых в Интернете вещей, непросто очистить, обработать и интерпретировать с высокой скоростью. Пограничные вычисления позволяют выполнять эти задачи путем переноса большей части обрабатываемых данных из централизованной системы в пограничную зону сети, ближе к устройствам, которым требуются эти данные. Но при децентрализации обработки данных возникают новые проблемы, в частности касающиеся надежности и масштабируемости пограничных устройств, а также безопасности передаваемых данных.
Безопасность и конфиденциальность Интернета вещей
Безопасность и конфиденциальность Интернета вещей — критически важные аспекты в любом проекте Интернета вещей. Технологии Интернета вещей помогают преобразовать ваши бизнес-операции. Но устройства Интернета вещей могут представлять угрозу, если они не защищены надлежащим образом. Кибератаки могут нарушить безопасность данных, повредить оборудование и даже причинить вред здоровью человека.
Надежная система кибербезопасности Интернета вещей (например, Azure Sphere) — это больше, чем стандартные меры обеспечения конфиденциальности. Такая система позволяет моделировать угрозы. Знание различных способов, с помощью которых злоумышленники могут нарушить безопасность системы, — первый шаг к предотвращению атак.
При планировании и разработке системы безопасности Интернета вещей важно выбрать правильное решение для каждого этапа работы вашей платформы и системы — от OT до ИТ. Программные решения, такие как Azure Defender, обеспечивают необходимую защиту для всей системы.
Ресурсы для начала работы
Программа, посвященная Интернету вещей
Поддерживайте актуальность своих систем. В этом вам помогут последние объявления Майкрософт, касающиеся Интернета вещей, демонстрации продуктов и функций, полезные сведения о клиентах и партнерах, беседы со специалистами ведущих отраслей и подробные аналитические статьи.