Исследование и разработка методов взаимодействия

В ИНТЕРНЕТЕ ВЕЩЕЙ

 

Направление 23.01.00.68 - Информатика и вычислительная техника

Магистерская программа - Сети ЭВМ и телекоммуникации

 

Магистерская диссертация

Научный руководитель   Рецензент

подпись   подпись

доцент, к.т.н, профессор Л.С. Восков   доцент, к.т.н. Рогов А.А.

 

Москва 2013

Оглавление

Введение. 4

Основная часть. 9

1. Способы взаимодействия в Интернете вещей. 9

1.2. Централизованный сервер как метод взаимодействия. 15

2. Виды взаимодействия в Интернете вещей. 19

2.1. Взаимодействие между удалённым сервером и интернет-вещами. 20

2.1.1. Протокол MQTT. 21

2.2. Взаимодействие между интернет-вещами. 26

2.2.1. Fog Computing в Интернете вещей. 28

2.2.2. Использование протокола IP в локальных сетях. 30

2.2.3. Брокер локальной сети. 32

2.2.4. Псевдо-сервер MQTT. 37

2.2.5. Выводы.. 39

2.3. WEB вещей. 41

2.4. Взаимодействие между пользователями и интернет-вещами. 44

2.4.1. Проблемы пользовательского интерфейса интернет-вещей. 52

2.4.2. Конструктор виджетов, как решение проблем Интернета вещей. 53

2.4.2.1. Описание конструктора. 55

2.4.2.2. Используемые технологии. 57

2.4.2.3. Примеры веб-виджетов. 64

2.4.3. Выводы.. 69

Заключение. 72

Используемая литература. 75

Приложения. 77

Приложение 1. Исходный код веб-виджета ламп освещения. 77

Приложение 2. Исходный код веб-виджета для умных весов. 84

Приложение 3. Исходный код веб-виджета умной розетки. 87

Приложение 4. Исходный код веб-виджета метеостанции. 91

Приложение 5. Исходный код веб-виджета электросчётчика. 96

Приложение 6. ZigBee-GSM шлюз. Разработка WiSeNet Lab. 111

Принципиальная схема устройства. 111

Топология печатной платы.. 113

Слои 1 и 2. 113

Слои 3 и 4. 114

 

 

Введение

В настоящее время активно развивается такое направление в области информационных технологий, как “Интернет вещей” – совокупность разнообразных приборов, датчиков, устройств, используемых ранее локально и автономно, объединённых в сеть посредством любых доступных каналов связи, использующих различные протоколы взаимодействия между собой и единственный протокол доступа к глобальной сети. В роли глобальной сети для интернет-вещей, в настоящий момент используется сеть Интернет. Общим протоколом является IP.

Переход к Интернету вещей, согласно исследованию Cisco, произошёл примерно в 2008-2009 годах. С этих пор количество устройств, подключённых к глобальной сети Интернет, превысило численность населения Земли. Число инноваций в этой области непрерывно растёт, что говорит об активном развитии Интернета вещей.

Следует различать понятия “Интернет вещей” и “интернет-вещь”.

Под интернет-вещью понимается любое устройство, которое:

· имеет доступ к сети Интернет с целью передачи или запроса каких-либо данных,

· имеет конкретный адрес в глобальной сети или идентификатор, по которому можно осуществить обратную связь с вещью,

· имеет интерфейс для взаимодействия с пользователем.

Интернет-вещи имеют единый протокол взаимодействия, согласно которому любой узел сети равноправен в предоставлении своих сервисов. Каждый узел сети интернет-вещей предоставляет свой сервис, оказывая некую услугу поставки данных. В то же время узел такой сети может принимать команды от любого другого узла. Это означает, что все интернет-вещи могут взаимодействовать друг с другом и решать совместные вычислительные задачи.

 

 

Рисунок 1. Функциональная схема Интернета вещей

 

Интернет-вещи могут образовывать локальные сети, объединённые какой-либо одной зоной обслуживания или функцией. Например, сеть умного дома, состоящая из различных датчиков, может иметь доступ в Интернет и иметь возможность управления посредством веб-интерфейса. В то же время несколько “умных сетей” могут быть объединены в одну взаимосвязанную сеть мониторинга и управления системой пожаротушения города, а городские сети могут быть объединены глобальной сетью Интернет для общего доступа к информации об уровне пожарной безопасности в любом городе страны. Этот пример представляет собой частный случай территориально-распределённых сетей, развитию которых поспособствовала активная инновационная деятельность в области беспроводных сенсорных сетей за последнее десятилетие.

Беспроводные сенсорные сети – одно из активных направлений в области систем мониторинга – развивалось от локальных сенсорных сетей до территориально-распределённых, связанных с глобальными сетями Internetи GSM. В терминологии беспроводных сенсорных сетей часто встречается такое понятие, как “умная вещь”. С появлением Интернета вещей все умные вещи, имеющие доступ к сети Интернет, называют интернет-вещами.

Таким образом, Интернет вещей стал приобретать популярность и актуальность после появления территориально-распределённых сенсорных сетей и является решением задачи интеграции сенсорных сетей в повседневную жизнь. В настоящий момент эта технология находится на стадии ранней реализации, активных исследований и разработок.

На пути перехода к воплощению идеи интернета вещей стояла проблема, связанная с протоколом IPv4, ресурс свободных сетевых адресов которого уже себя практически исчерпал. Однако, подготовка к повсеместному внедрению протокола IPv6 позволяет решить эту проблему и приближает идею Интернета вещей к реальности.

Ещё одним шагом на пути к идее Интернета вещей была технология M2M (Machine to Machine), совершенство и распространение которой позволило использовать её в любом мобильном устройстве, в том числе и узлах сенсорных сетей. Считается, что именно эта технология породила термин “Интернет вещей”, подразумевая под ним некую обособленную вычислительную среду, состоящую из устройств, самостоятельно взаимодействующих друг с другом и предоставляющих пользователю результаты своей совместной деятельности.

Интернет вещей в будущем может иметь огромное количество устройств. По прогнозам аналитиков, к 2020 году общее количество устройств, подключенных к Сети, составит от 12 до 50 миллиардов единиц. Поэтому в настоящее время является актуальным вопрос оптимальной организации Интернета вещей с учётом требований к быстродействию сети в целом, размеру используемых данных для хранения и энергосбережению отдельных узлов сети.

Одним из вопросов организации Интернета вещей является разработка методов взаимодействия между:

1. интернет-вещами,

2. пользователями и интернет-вещами,

3. удалённым сервером и интернет-вещами.

В работе дано описание каждого из типов взаимодействия и варианты их реализации, которые используются в настоящий момент при разработке систем интернет-вещей или могут быть использованы в будущем.

Каждая интернет-вещь должна иметь интерфейс для связи с пользователем, который состоит из программной и визуальной части. Визуальная часть может использовать довольно большой объём памяти для хранения, что порождает проблему роста нагрузки на ресурсы сети в результате увеличения размера используемых данных Интернетом. Данная проблема решается в ходе выполнения основной задачи (достижения цели работы) путём разработки веб-приложения – конструктора виджетов, которое позволяет значительно сократить рост потребления ресурсов сети интернет-вещами и убрать линейную зависимость нагрузки от числа интернет-вещей в сети. Представленное решение также упрощает разработку пользовательских интерфейсов для интернет-вещей и предоставляет пользователю большую гибкость при взаимодействии с интернет-вещью, что представляет научную новизну в решении данной проблемы.

Целью данной работы является проведение исследования существующих методов взаимодействия в Интернете вещей между основными его составными, выявление проблем, связанных с ними и поиск оптимального их решения.

В данной работе даётся обзор методов взаимодействия в Интернете вещей, показываются существующие и прогнозируемые проблемы, предлагается решение рассматриваемых проблем с целью улучшить качество предоставляемых Интернетом вещей услуг.

 

 

Основная часть