Способы взаимодействия в Интернете вещей

В настоящий момент можно выделить 3 основных способа взаимодействия с интернет-вещами:

- прямой доступ,

- доступ через шлюз,

- доступ через сервер.

В случае прямого доступа интернет-вещи должны иметь собственный IP-адрес или сетевой псевдоним, по которому к ним можно обратиться из любого клиентского приложения. Интерфейс с такими вещами обычно выполнен в виде web-ресурса с графическим интерфейсом для управления посредством веб-браузера. Возможно использование специализированного программного обеспечения.

Недостатки такого способа очевидны:

- необходимость иметь фиксированный адрес в сети, что зависит от провайдера услуги связи с Интернетом таких вещей. Другим выходом из ситуации является использование алиаса (сетевого псевдонима IP-адреса), что требует постоянного обращения интернет-вещи к специальному серверу с запросом об обновлении сетевого адреса по псевдониму.

- лимит подключений к устройству – вызвано низким качеством связи интернет-вещей, а также их слабыми вычислительными ресурсами. Такая проблема решается путём включения в состав интернет-вещи высокопроизводительного оборудования и подключения вещей к стабильному источнику связи с Интернетом. Это вызывает необходимость в большем потреблении энергии такой вещью и часто вынуждает делать такие вещи стационарными, питающимися от постоянных источников электроэнергии.

Доступ к интернет-вещам через шлюз является более рациональным способом организации взаимодействия и полностью вытесняет метод прямого доступа в случае необходимости организации связи беспроводных сенсорных сетей или сети интернет-вещей с глобальной сетью Интернет. Большинство стандартов беспроводных сенсорных сетей не поддерживают протокол IP, используя собственные протоколы взаимодействия. Такая особенность вызывает необходимость наличия устройства для ретрансляции сообщений из сенсорной сети в сеть Интернет для совместимости протоколов.

Недостатки такого подхода те же, что и в случае прямого доступа, но распространяются они на шлюз.

Доступ к интернет-вещам через сервер подразумевает наличие посредника между интернет-вещами и пользователем. Таким посредником является сервер, в основные функции которого входит:

- приём сообщений от интернет-вещей и передача их пользователям,

- хранение принятой информации и её обработка,

- обеспечение пользовательского интерфейса с возможностью двустороннего обмена между пользователем и интернет-вещью.

Такой способ доступа является наиболее рациональным и часто используемым, поскольку позволяет перенести нагрузку обработки запросов пользователей с интернет-вещей на централизованный сервер, тем самым разгружая слабый радио-канал связи интернет-вещей, перенося нагрузку на проводные каналы связи между сервером и пользователями.

Метод централизованного сервера также предоставляет надёжные средства хранения и обработки информации, позволяет интернет-вещам взаимодействовать друг с другом и пользоваться облачными вычислениями. Данный подход может использовать метод шлюза для соединения локальных беспроводных сетей с сервером.

Использование шлюза

В Интернете вещей шлюз используется не только для прямой связи интернет-вещей с пользователем, но и при использовании централизованного сервера. Шлюзы служат средством для объединения локальных сетей интернет-вещей с глобальной сетью и связью с сервером управления или конечным пользователем. Поскольку локальные сети интернет-вещей представляют собой в основном беспроводные сенсорные сети, то шлюзы, используемые в Интернете вещей, аналогичны используемым в территориально-распределённых сенсорных сетях. Существует несколько способов организации шлюзов.

Первый способ заключается в использовании компьютеров, которые имеют точку доступа к глобальной сети Интернет, и каждая из объединяемых сетей подключена к такому компьютеру. Основными недостатками такого подхода являются стоимость и громоздкость. Сенсорные сети состоят из миниатюрных датчиков и должны работать автономно, однако территориально-распределённая сенсорная сеть при таком подходе теряет свойство автономности, поскольку теперь она зависит от наличия электричества и точки доступа в Интернет на компьютере.

Второй способ заключается в использовании устройства-шлюза, позволяющего соединить сенсорную сеть с ближайшей проводной сетью, имеющей выход в Интернет. Такой проводной сетью, как правило, является Ethernet-сеть. Устройство имеет в себе приёмопередатчик, совместимый с объединяемой сенсорной сетью, порт для подключения к сети Ethernet и микроконтроллер, выполняющий функции преобразования пакетов одной сети в формат другой. Такой способ отличается меньшей стоимостью, чем первый и размер такого устройства небольшой, но оно нуждается в относительно высоком энергопотреблении из-за того, что стандартные проводные сети не рассчитаны на низкий уровень сигнала и потребления энергии. Также такое устройство не может гарантировать наличие точки доступа в ближайшей проводной сети.

Третий способ заключается в использовании устройства-шлюза, которое является полностью автономным и само предоставляет точку доступа к сети Интернет. Это возможно при использовании беспроводных технологий передачи данных. Устройство состоит из одного приёмопередатчика, совместимого с сенсорной сетью и второго – совместимого с той или иной глобальной беспроводной сетью, в область действия которой попадает сенсорная сеть. Такими сетями могут служить GSM или WiMAX. Использование сети GSM является более экономичным в плане энергопотребления.

Существуют также шлюзы, предоставляющие доступ сенсорным сетям к ближайшим сетям Wi-Fi для поиска точки доступа к сети Интернет.

Таким образом, если необходимо организовать полностью автономную территориально-распределённую сенсорную сеть, то следует использовать третий способ. Если же сенсорная сеть используется как часть какой-либо крупной проводной сети, то нет необходимости в её полной автономности и возможно использование первых двух способов.

 

 

Рисунок 2. Шлюз в территориально-распределённых сенсорных сетях

 

Чаще всего в Интернете вещей используется третий способ - шлюз, имеющий аппаратно-программные средства для работы в сетях ZigBee и GSM, а также имеющий возможность использования GPRS/EDGE канала для доступа в сеть Internet. В силу данной особенности и того, что локальные сети интернет-вещей обычно основаны на стеке протоколов ZigBee, наиболее часто используемым устройством является ZigBee-GSM шлюз.

ZigBee-GSM шлюз представляет из себя систему, состоящую из двух основных частей: узел сети ZigBee и узел сети GSM, соединённых последовательным интерфейсом UART. В качестве узлов этих сетей могут выступать встраиваемые модули. Такие модули разрабатываются различными компаниями, такими как Jennic, Digi для сетей ZigBee и Siemens, Sierra Wireless для сетей GSM. Встраиваемые модули выпускаются для конструкторских разработок, для создания автоматизированных систем и аппаратно-программных комплексов на их основе.

Ниже представлена упрощённая общая схема ZigBee-GSM шлюза.

 

 

Рисунок 3. Функциональная схема ZigBee-GSM шлюза

 

В настоящее время шлюзы в сенсорных сетях активно используются для интеграции и совместной работы различных технологий. За последние 4 года различными компаниями были разработаны всевозможные варианты шлюзов для сенсорных сетей, объединяющих в себе все современные беспроводные технологии, такие как Wi-Fi, WiMAX, GSM/GPRS, Bluetooth, GPS.

Современная тенденция в разработке шлюзов для сенсорных сетей направлена в первую очередь на использование новейших беспроводных технологий и интеграцию их в одном устройстве. Однако для интернет-вещей сохраняется приоритет в таких критериях, как стоимость и энергопотребление. Поэтому шлюзы должны им соответствовать и иметь не слишком сложную и дорогую конструкцию.

Говоря об энергопотреблении приёмопередающих устройств можно сказать, что операция передачи данных на сервер состоит из следующих этапов:

- накопление информации;

- включение или выход из режима сна GSM/GPRS модуля;

- установка соединения с сервером;

- передача информации;

- переход в спящий режим или выключение.

Был проведён ряд исследований, где установлено, что GSM/GPRS устройства тратят от нескольких до десятков секунд на установление связи с сетью, а также, в случае использования TCP/IP стека, на получение IP-адреса и установление соединения с сервером. Соответственно, если необходимо использовать спящий режим, то время сна и накопления информации нужно взять сравнительно больше, чем время соединения устройства с сервером.

На кафедре вычислительных систем и сетей в лаборатории WiSeNet Lab был разработан ZigBee-GSM шлюз, максимально удовлетворяющий критериям стоимости и энергопотребления. Это было достигнуто путём подбора компонентов для разрабатываемого устройства, в том числе и основных модулей, выбирая их по данным критериям. Была также разработана математическая модель энергопотребления ZigBee-GSM шлюза, позволяющая сконфигурировать его в соответствии с любыми требованиями к потреблению энергии.