Мы стоим на пороге четвертой промышленной революции. Развитие облачных технологий, Интернета вещей (IoT), больших данных (Big Data) и искусственного интеллекта (ИИ) стремительно меняет ситуацию на мировом рынке. Страны, которые сегодня успешно занимаются развитием и внедрением новых технологий, в частности промышленного Интернета вещей (IIoT), инвестируют в свое ближайшее будущее. Согласно исследованию Gartner, уже в этом году количество приборов, подключенных к Сети, превысит 8 млрд, т. е. «умных машин» станет больше, чем людей на Земле. А к 2020 г. в Интернет смогут выходить более 20 млрд устройств. Часть из них будет занята в различных производственных процессах.
В настоящей статье сосредоточимся на вопросах, связанных с организацией IoT-решений уровня предприятия.
Автоматизация производственных процессов дает возможность оптимизировать работу предприятий: максимально эффективно использовать имеющиеся ресурсы, сокращать издержки производства, предупреждать аварийные ситуации. Все это в совокупности увеличивает производительность в рамках одного предприятия и улучшает качество жизни в масштабах целого государства. Именно поэтому полный или частичный переход к цифровой экономике вскоре будет обусловливать конкурентоспособность игроков на рынке.
Концепция IIoT открывает огромное количество возможностей: мы можем контролировать состояние рабочих устройств, характеристики среды – температуру, влажность, предупреждать выход оборудования из строя и т. д. Но основная проблема заключается в том, что Интернет вещей не был рожден как новая технология, он является продолжением обыкновенной системы автоматизации и диспетчеризации, которая давно уже внедрена на производствах. Конечно, масштаб распространения не был таким широким, но именно поэтому считается, что Интернет вещей – маркетинговый ход. Тем не менее, поскольку Интернет вещей начал развиваться отдельно в каждом конкретном производстве, существует проблема отсутствия экосистемного подхода, единых стандартов и протоколов. Эту ситуацию можно, вероятно, рассматривать как одну из болезней роста технологии. СКАДА-системы существовали с 60-х гг. ХХ в. (впервые были применены при решении задач водоснабжения), но тогда речь не шла о создании технологической среды обитания человека, способной самостоятельно реагировать на его, человека, поведение, а также на изменения критически важных для конкретной локации показателей (температура, влажность и т. п.). Построение систем такого уровня универсальности, а значит, и сложности, требует, как минимум, стандартизации протоколов общения отдельных элементов системы. Рассмотрим основные протоколы, которые применяются при создании IoT-решений на сегодняшний день.
ПОДЗАГ// Об устройствах Интернета вещей
«Умным» часто называют любое устройство, подключенное к сети Интернет. В действительности же, если говорить в рамках концепции индустриального IoT, это даже не обязательное условие – достаточно подключения прибора к локальной сети предприятия (что особенно актуально для объектов с высокими требованиями к безопасности, для ЦОД, например). Кроме того, «умное» устройство должно обладать еще рядом характеристик: способностью собирать данные из окружающей среды, передавать их, получать информацию от других устройств, а иногда – самостоятельно принимать решения и претворять их в жизнь. Например, датчик дыма, обнаружив возгорание, запускает систему локализации, а после успешной локализации активируется система точечного пожаротушения.
Что примечательно: это может быть датчик освещенности в офисном помещении, т. е. изначально спроектированное под концепцию IoT устройство, или промышленный холодильник с встроенным дополнительно датчиком температуры, подключенный к сети устройств IoT, т. е. модифицированный продукт. Кстати, последний сценарий вдохновил чешскую команду разработчиков на создание проекта Byzance, миссией которого является помощь небольшим компаниям по превращению их изделий в «умные» вещи.
Надо сказать, что на сегодняшний день не существует единого ресурса, где были бы представлены все модели и характеристики IoT-устройств от разных производителей. Это связано с тем, что компании предпочитают разрабатывать «умные» устройства под свои, конкретные нужды. Вероятно, когда производители будут готовы предложить потребителю готовые, законченные решения, необходимость в едином каталоге устройств появится. А пока речь не идет о массовом распространении таких продуктов.
ПОДЗАГ// Протоколы обмена данными
Глобально существуют две технологии передачи данных – проводная и беспроводная. Первая отличается высокой надежностью и скоростью соединения, вторая предоставляет подключенным устройствам большую свободу перемещений, что важно для различных высокомобильных устройств (от пылесосов до коммуникационных терминалов типа BEAM). Есть еще одно важное преимущество беспроводного подключения: не имея физических ограничений, можно подключить к сети гораздо большее количество устройств. Однако надо понимать, что проводные технологии обеспечивают более высокий уровень безопасности, ведь для того чтобы получить возможность подключения к локальной проводной сети предприятия, надо получить физический доступ к инфраструктуре.
За неимением единого сетевого решения для реализации Интернета вещей сегодня в промышленности активно применяются обе технологии. Рассмотрим основные протоколы передачи данных.
ПОДЗАГ// Проводное подключение
Самой распространенной технологией проводного соединения можно с уверенностью назвать Ethernet. Она используется для передачи данных внутри локальной сети по медному или волоконно-оптическому кабелю. Среда передачи данных определяет дальность действия: медь позволяет соединять устройства на расстоянии до 105 м (300 футов), оптоволокно – до 200 км.
Главными преимуществами Ethernet являются быстрая масштабируемость сети (за счет звездообразной топологии подключения устройств), высокая скорость передачи данных (10/100/1000/10000 Мбит/с) и помехоустойчивость. Кроме того, большинство заводских устройств имеют встроенную поддержку сети «из коробки». Это позволяет объединять в единую систему большее (по сравнению с другими протоколами) количество «умных» устройств, которым для соединения с сетевым сервером не потребуются дополнительные шлюзы, – такие приборы используют протокол TCP/IP как основной протокол передачи данных.
RS-485 – еще один стандарт, широко распространенный в промышленности. Он предполагает последовательную передачу данных между двумя устройствами с использованием минимального количества физических проводов (трехпроводная линия). Как и в ситуации с Ethernet, многие контроллеры, предусмотренные для построения Интернета вещей, поддерживают RS-485. Он имеет большую дальность действия (по сравнению с Ethernet) и в зависимости от скорости может достигать нескольких километров: чем ниже скорость, тем больше дальность. Может быть реализован через имеющиеся на объекте телефонные коммуникации.
ПОДЗАГ// Беспроводное подключение
Wi-Fi – скоростная технология передачи данных. Как и в случае с Ethernet, устройства, оборудованные Wi-Fi, работают по протоколу TCP/IP. Из недостатков следует отметить подверженность воздействию электромагнитных помех. Он также не может обеспечить должный уровень безопасности на производственных объектах: постороннее лицо может получить доступ к сети при наличии ключа или механизмов его подбора, что теоретически вполне осуществимо. Радиус действия – до 100 м.
Возможно снижение скорости или полная потеря соединения в местах, где имеется большое количество точек доступа, работающих на одних и тех же частотах.
LoRaWan (Long Range Wide Area Network) – энергоэффективная сетевая технология (до десяти лет работы сенсоров без дополнительной подзарядки), позволяющая передавать информацию на расстояние до 2–5 км в городской среде и до 45 км на открытом пространстве. Система дает возможность обмениваться данными с адаптивной скоростью в 0,3–50 кбит/с – это невысокий показатель, но достаточный для работы с удаленными сенсорами при низкой периодичности опросов.
Bluetooth поддерживается большинством мобильных устройств, которые, в свою очередь, в рамках концепции промышленного Интернета вещей могут выступать равно сенсорами и исполнительными устройствами. Следует упомянуть также более новую спецификацию Bluetooth LE (Low Energy), которая хорошо подходит для коммуникации устройств, находящихся на небольших расстояниях (до 50 м) друг от друга. Из минусов стоит отметить невысокую проникающую способность и невозможность геопозиционирования устройств.
ZigBee – спецификация, которая используется для приложений, требующих гарантированно безопасной передачи данных при небольших скоростях. Отличается способностью к самоорганизации и самовосстановлению, простотой развертывания,
высокой помехоустойчивостью, отсутствием необходимости лицензировать частоты и низким энергопотреблением при высокой безопасности протокола.
Параллельно с ZigBee развивалось решение Z-Wave (протокол поддерживается Z-Wave alliance, который объединяет более 300 производителей), разработанное для решения задач в рамках концепции Smart Home. Обратите внимание на тот факт, что при подключении к сети свыше 30 устройств использование Z-Wave становится дороже, чем эксплуатация кабельных систем.
6LoWPAN – еще один родственник ZigBee, использующий IPv6 поверх маломощных беспроводных сетей. Описан стандартом IEEE 802.15.4.
Thread – беспроводной сетевой протокол на основе IPv6, гибрид 6LoWPAN и ZigBee, имеет IP-адресацию и AES-шифрование, разработан, как и Z-Wave, специально для домашней электроники и автоматизации зданий.
Sigfox и Neul – энергоэффективные сети (15–20 лет работы сенсора) с высокой проникающей способностью и широким покрытием при сравнительно низкой скорости передачи данных. Отметим, что Neul является проприетарной технологией, а Sigfox неустойчив к помехам.
ПОДЗАГ// Хранилище
Для проектов с небольшим количеством данных используются базы данных начального уровня, такие как SQLite и им подобные, или простое хранение данных в файле. Для средних систем используются базы данных MariaDB, MySQL, PostgreSQL. Для больших систем применяются технологии, получившие название Big Data: NoSQL, MapReduce, Hadoop и др.
ПОДЗАГ// Система управления
Каждое «умное» устройство, оснащенное сенсором, работает на своем, встроенном программном обеспечении, выбор которого зависит от производителя. На сегодняшний день не существует единой системы управления, которая собирала бы показания со всех датчиков в один интерфейс управления. Отсутствие единых индустриальных стандартов значительно тормозит развитие Интернета вещей.
В идеале, конечно, хотелось бы получить интуитивно понятный и хорошо визуализированный интерфейс, который будет показывать текущее состояние всей системы, информацию о состоянии и местонахождении каждого «умного» устройства, время получения данных, промежуточные данные, команды, которые были даны одними устройствами другим, время выполнения этих команд… Но такое чудо техники едва ли появится в ближайшем будущем. Впрочем, понимание потребностей рынка у ключевых игроков постепенно формируется: система управления должна не только отрабатывать алгоритмы принятия решений, но и визуализировать их в легко читабельном виде. А значит, мы скоро получим несколько вариантов решений от основных вендоров, что будет хорошим знáком. Потом придет время договариваться и формировать единый стандарт. Наверное…
ПОДЗАГ// Обеспечение безопасности
Обратите внимание на два простых совета по обеспечению безопасности вашей IoT-инфраструктуры:
- в начале эксплуатации пользователю обязательно нужно заменить фабричный пароль, установленный по умолчанию, на свой личный, поскольку фабричные пароли одинаковы на всех устройствах и не отличаются стойкостью. К сожалению, делают это далеко не все;
- поскольку не все приборы имеют встроенные средства защиты, владельцам следует позаботиться об установке внешней защиты, предназначенной для домашнего или корпоративного использования, чтобы интернет-устройства не оказались открытыми воротами в домашнюю сеть или прямыми инструментами атаки извне.
А мы-то думали, светлое будущее отменяется. Ан нет! Новых свершений ради всю власть – Интернету. Да здравствует четвертая промышленная революция, товарищи! Ура!
