Как работает Интернет вещей: суть технологии и ее применение в современном мире

Интернет плотно укоренился в нашей культуре как средство для связи, получения, передачи и даже хранения информации, однако в последнее все чаще говорят об "Интернете вещей", как об отдельном явлении. Фокус разбирался, что такое Интернет вещей, как он работает и для чего нужен людям.

Что такое Интернет вещей

Интернет вещей (Internet of things, или сокращенно IoT) — сеть аппаратов разного рода и назначения, которые для упрощения обобщают словом "вещи". Интернет вещей работает благодаря датчикам, программному обеспечению и другим технологиям, позволяющим устройствам обмениваться данными с другими устройствами и системами, подобно тому, как компьютеры связываются через Всемирную паутину. В роли "вещей" могут выступать разные объекты: от сложной промышленной техники до бытовых гаджетов размером с таблетку. Интернет вещей простыми словами — это всемирная сеть для "умной" электроники.

Объединение объектов при помощи датчиков и сенсоров создает для них нечто вроде цифрового интеллекта, способного передавать различные полезные данные в реальном времени самостоятельно, не требуя постоянного контроля со стороны людей. Этому способствует повсеместное распространение беспроводных интернет-сетей и разработка дешевых микропроцессоров.

Концепция Интернета вещей

Главная идея заключается в том, чтобы объединить физический и виртуальный мир при помощи машин. Как пишет ZDnet, концепцию такой сети начали обсуждать в 1980-1990 годах, хотя организация Innovate UK приводит эксперимент, датированный 1943 годом, когда простой воздушный шар передавал показания термометра через медные провода на станцию, которая фиксировала их на бумаге.

Впервые термин и понятие "Интернета вещей" озвучил американский специалист по телекоммуникациям Питер Льюис в 1985 году. Он представил IoT как "интеграцию людей, процессов и технологий с подключаемыми устройствами и датчиками для обеспечения удаленного мониторинга, состояния, манипулирования и оценки тенденций таких устройств".

Некоторые автором термина называют британского инженера Кевина Эштона, который предложил свою трактовку концепции в 1999 году и название "Интернет для вещей" (Internet for Things). Он считал, что Интернет можно соединить с физическим миром при помощи большого количества датчиков, включая метки RFID (Radio Frequency IDentification) — сверхтонкие микросхемы с низким энергопотреблением, которые обмениваются друг с другом данными по беспроводной связи. Кевин Эштон призывал создать компьютеры, способные автоматически собирать всю доступную информацию о физических объектах. По его словам, эти данные помогут людям лучше следить за состоянием вещей, а также сократить затраты и количество отходов.

"Мы бы знали, когда устройства нуждаются в замене, ремонте или отзыве, и являются ли они работоспособными или устаревшими. Интернет вещей может изменить мир так же, как это сделал Интернет. Может быть, даже больше", – заявил инженер.

За исключением некоторых проектов, таких как подключение к Интернету торгового автомата, воплотить идею в жизнь не получалось из-за отсутствия подходящих технологий: чипы были слишком большими, а связь слишком медленной, чтобы эффективно объединить миллиарды машин в общую среду. Для IoT нужны дешевые, энергосберегающие и достаточно мощные процессоры, которые можно массово штамповать на заводах. Настоящим прорывом стало изобретение RFID, не менее важным шагом считается принятие стандарта IPv6, способного обеспечить достаточное количество IP-адресов.

Средства идентификации

IoT объединяет миллиарды устройств, поэтому их работоспособность во многом зависит от того, насколько хорошо машины распознаются друг другом, серверами и маршрутизаторами внутри сети, а также внешними облачными системами управления. Зашифрованный канал аутентификации необходим, чтобы каждый объект получил собственный уникальный "знак" и мог подтвердить свою подлинность. Безопасности ради системы должны принимать данные и выделять производственные ресурсы устройствам "Интернета вещей" только после авторизации последних, т.к. это защищает от взлома и так называемого спуфинга — подмены данных.

Как пишет журнал Control Engineering, для идентификации в Интернете вещей используются RFID-метки, штрих-коды и "умные" датчики. Для создания простой RFID-система достаточно метки с микрочипом и устройства-считывателя. Технология радиочастотной идентификации сейчас развивается в двух направлениях: активные RFID-системы с расширенным спектром передачи и управление RFID-приложениями. Эксперты отмечают большие возможности для развития приложений идентификации в IoT. К примеру, RFID-метки можно подключить к беспроводной сенсорной сети (WSN) для быстрого поиска и распознавания объектов, а также слежения за ними в режиме реального времени.

В некоторых промышленных системах уже развернуты сервисы, где каждому устройству присваивают универсальный уникальный идентификатор (UUID), который являет собой 128-битный номер. Он содержит сетевой адрес системы, сгенерировавшей UUID, метку с указанием времени и случайно созданный компонент, первых двух достаточно для гарантии уникальности, а случайный элемент служит дополнительной защитой. Вероятность дублирования идентификатора возможна, но практически равняется нулю. Благодаря UUID нужную "вещь" можно легко найти и не перепутать с другими, поэтому эта технология важна для работы IoT.

Согласно исследованию, опубликованному в журнале Digital Communications and Networks, пока не существует общей схемы идентификации для IoT, поэтому такие стандарты еще предстоит разработать государственным органам. Пока же отсутствие единого механизма идентификации затрудняет взаимодействие между разными составляющими Интернета вещей. Впрочем, некоторые международные организации предоставляют свои стандарты и решения для обеспечения безопасности IoT, например, Open Connectivity Foundation (OCF), FIWARE, oneM2M. Тут же пригодился и глобальный интернет-протокол IPv6, обеспечивающий уникальные IP-адреса машин.

Средства измерения

Элементы IoT используют различные виды датчиков для измерения и оценки окружающей среды. Они бывают разных размеров и форм, некоторые содержат в себе другие датчики поменьше, чтобы собирать несколько типов данных. Издание Behr Tech подобрало 10 самых популярных типов:

• Температурные датчики. Улавливают колебания температуры, включая резкие перепады, опасные на некоторых видах производства.
• Датчики влажности. Измеряют количество водяного пара в атмосфере, часто применяются в система вентиляции, кондиционирования и отопления, они также помогают предсказывать погоду.
• Датчики давления. Следит за давлением в газах и жидкостях и предупреждает о резких изменениях, существуют модели, фиксирующие утечки.
• Сенсоры движения. Служат для обнаружения объектов на расстоянии, как правило, создают электромагнитные поля или улавливают инфракрасное излучение.
• Датчики уровня веществ. Определяют заполненность емкостей жидкостями, порошками и сыпучими материалами, а также наличие отходов в мусорных баков.
• Сенсоры газа. Оценивают качество воздуха, определяют наличие токсичных, горючих или опасных веществ.
• Оптические датчики. Преобразовывают поступающий свет в электрические сигналы, могут использоваться для распознавания объектов при помощи камер наблюдения.
• Инфракрасные датчики. Излучают или улавливают лучи в инфракрасном спектре, чтобы изучать характеристики окружающей среды, такие как температура объектов.
• Акселерометры. Определяют изменение скорости объектов, а также гравитации, могут предупреждать о движении предметов, которые нельзя перемещать.
• Гироскопы. Измеряют скорость вращения объектов вокруг своей оси или дрожание камеры.

Средства передачи данных

Главный консультант компании "SNT Украина" Ярослав Боцман в своей статье написал, что до недавнего времени IoT использовал традиционные технологии беспроводной передачи данных, такие как WiFi и 3G. Применение радиотехнологий сильно осложняет проблема питания, ведь не каждый датчик можно подключить к электросети, поэтому сети стандартов 802.11 становятся все менее популярными. Устройства можно подключать и при помощи проводов, например, к линиям электропередач, но это не всегда удобно и снижает гибкость Интернета вещей.

Для подключения умных устройств на расстоянии до 10 м применяются стандарты, использующие mesh-архитектуру, где каждый узел соединен с другим подобно паутине и потребляет минимум энергии: 6LoWPAN, Bluetooth Low Energy (BLE), ZigBee IP и т.д. Для связи на больших расстояниях инженеры разрабатывают специальные технологии с низким энергопотреблением. На вертикальных рынках уже используется ряд технологий – C-UNB (Cooperative Ultra Narrowband), LoRa (Long Range), но самыми перспективными для Интернета вещей Ярослав Боцман назвал технологии EC-GSM (Extended Coverage GSM) и NB-CIoT (Narrowband Cellular IoT), использующие сети сотовой связи. Разработчики предлагают выделить для них полосы частот ниже используемых в мобильных сетях, а операторам достаточно поставить на базовых станциях соответствующее оборудование и обновить ПО для обмена данными.

Средства обработки данных

По словам Ярослава Боцмана, устройства Интернета вещей часто нельзя подключить к сетям с высокой скоростью передачи данных и низкой задержкой, хотя мощность позволяет им обрабатывать данные в рамках "туманных вычислений" — это промежуточный этап между дата-центрами и облачными сервисами. Для этого им необходимы микроконтроллеры, которые объединяются в распределенную сеть для хранения и обработки данных, а также предоставляют вычислительные мощности для управления системами без участия человека. Уже структурированную информацию передают на "облако" через специальные интерфейсы (API), где их продолжают обрабатывать, в том числе вручную.

Как объясняет вице-президент группы IDC по IoT, 5G и мобильности Кэрри МакГилливрей, инструменты Интернета вещей генерируют большое количества данных, полученных с датчиков и устройств, а затем собирают их в централизованном хранилище информации. Огромный объем необработанных данных хранятся наряду со структурированной информацией, такой как записи транзакций и профили клиентов. Аналитические платформы могут использовать их для создания отчетов и инфографики. Инструменты аналитики на основе искусственного интеллекта также пользуются Интернетом вещей. Передавая большие объемы различных данных, собранных датчиками IoT, можно эффективно обучать ИИ обрабатывать информацию и составлять прогнозы в реальном времени.

Где используется Интернет вещей

Первоначально IoT решения были наиболее интересными для бизнеса и промышленности, в особенности для связи между машинами. Сейчас же "умные" устройства переносят в дома и офисы, пытаясь сделать доступными для всех. В чем же суть Интернета вещей для простых пользователей? Приведем несколько примеров.

"Умные" дома. Системы автоматически управляют домашними технологиями, такими как температура, освещение, развлекательные системы, бытовая техника и сигнализация. На Западе уже становятся традиционными "умные" музыкальные колонки, термостаты, холодильники, телевизоры, розетки и даже лампочки, которые можно программировать и работу которых можно отслеживать через специальное ПО.

Здравоохранение. Медицинский IoT (MIoT) помогает врачам наблюдать за пациентами, а также людям самим следить за своим здоровьем. К нему относятся фитнес-браслеты, манжеты для измерения артериального давления и частоты сердечных сокращений, а также глюкометры.

"Умные" города используют данные, собранные комплексом датчиков, для улучшения инфраструктуры, коммунальных и других услуг. К Интернету подключают камеры, фонари, счетчики электроэнергии, системы контроля качества воздуха и пр.

Носимые устройства в основном используются для здравоохранения и спорта. К таким устройствам относятся фитнес-трекеры и смарт-часы.

"Умный" транспорт. Современные автомобили и другие транспортные средства могут подключаться к Интернету, чтобы предоставлять доступ к управлению и данным.

"Умные" склады используют технологии IoT, чтобы повысить эффективность производства или бизнеса. К ним относятся роботы, дроны, сканеры, RFID-метки, программы для управления на основе искусственного интеллекта.

Проблема безопасности IoT

Аналитики из компании Apriorit пришли к выводу: IoT подвержен примерно тем же рискам, что и обычный Интернет:

• уязвимости программного обеспечения;
• незащищенные каналы связи;
• утечки из информационных систем;
• вредоносные программы;
• кибератаки.

Угроза взлома со стороны злоумышленников может отпугнуть многих клиентов от использования Интернета вещей. Особенно следует опасаться организациям, работающим в сфере медицины, финансов, логистики, торговли и производства, ведь любой взлом может нанести ущерб тысячам людей. Среди прочего, устройства IoT собирают конфиденциальные данные людей, утечка которых приведет к плачевным последствиям. Cогласно данным SAM Seamless Network, в 2021 году было совершено более 1 млрд атак на сети IoT.

Внедрить механизмы защиты в системы IoT сложнее, чем в обычные гаджеты с подключением к Интернету. Во-первых, маленькие датчики и микропроцессоры сложнее защитить на аппаратном уровне, во-вторых, инструменты безопасности увеличат стоимость и время, затрачиваемые на их производство, тогда как для большого количества устройств важна именно дешевизна.

Прогнозы развития Интернета вещей

По данным исследовательской компании IoT Analytics, в 2021 года в мире насчитывалось более 12 млрд устройств Интернета вещей, и эксперты прогнозируют рост до 22 млрд к 2025 году. Компания IDC предполагает, что через 3 года количество подключенных к IoT устройств превысит 41,6 млрд, в это число входит промышленное оборудование и автомобили, а также технологии "умного" дома и носимые гаджеты.

Аналитическое агентство Gartner прогнозирует, что коммунальные предприятия станут одними из самых активных пользователей Интернета вещей благодаря внедрению высокотехнологичных счетчиков. На втором месте могут оказаться технологии защиты, такие как камеры наблюдения. Развитие Интернета вещей также приведет к автоматизации зданий, транспорта и здравоохранения.

Исследовательская компания Juniper Research прогнозирует, что мировой рынок IoT-технологий, использующих мобильные сети, увеличится с $31 млрд в 2022 году до $61 млрд в 2026 году, то есть почти в 2 раза. Рост будут стимулировать внедрение 5G и сотовой связи с низким энергопотреблением для глобальной сети (LPWA), благодаря им устройства смогут работать практически повсеместно.