Як працює Інтернет речей: суть технології та її застосування в сучасному світі

Інтернет щільно вкоренився в нашій культурі як засіб для зв'язку, отримання, передачі і навіть зберігання інформації, проте останнім часом все частіше говорять про "Інтернет речей", як про окреме явище. Фокус розбирався, що таке Інтернет речей, як він працює і для чого потрібний людям.

Що таке Інтернет речей

Інтернет речей (Internet of things, або скорочено IoT) — мережа апаратів різного роду та призначення, які для спрощення узагальнюють словом "речі". Інтернет речей працює завдяки датчикам, програмному забезпеченню та іншим технологіям, що дозволяє пристроям обмінюватися даними з іншими пристроями та системами, подібно до того, як комп'ютери зв'язуються через Всесвітню павутину. В ролі "речей" можуть бути різні об'єкти: від складної промислової техніки до побутових гаджетів розміром із таблетку. Інтернет речей простими словами — це всесвітня мережа для "розумної" електроніки.

Об'єднання об'єктів за допомогою датчиків і сенсорів створює для них щось подібне до цифрового інтелекту, здатного передавати різні корисні дані в реальному часі самостійно, не вимагаючи постійного контролю з боку людей. Цьому сприяє поширення бездротових інтернет-мереж та розробка дешевих мікропроцесорів.

Концепція Інтернету речей

Головна ідея полягає в тому, щоб поєднати фізичний та віртуальний світ за допомогою машин. Як пише ZDnet, концепцію такої мережі почали обговорювати в 1980-1990 роках, хоча організація Innovate UK наводить експеримент, датований 1943 роком, коли проста повітряна куля передавала показники термометра через мідні дроти на станцію, яка фіксувала їх на папері.

Вперше термін та поняття "Інтернету речей" озвучив американський фахівець з телекомунікацій Пітер Льюїс у 1985 році. Він представив IoT як "інтеграцію людей, процесів і технологій з пристроями для підключення і датчиками для забезпечення віддаленого моніторингу, стану, маніпулювання та оцінки тенденцій таких пристроїв".

Деякі автором терміна називають британського інженера Кевіна Ештона, який запропонував своє трактування концепції у 1999 році та назву "Інтернет для речей" (Internet for Things). Він вважав, що інтернет можна з'єднати з фізичним світом за допомогою великої кількості датчиків, включаючи мітки RFID (Radio Frequency IDentification) — надтонкі мікросхеми з низьким енергоспоживанням, які обмінюються між собою бездротовими даними. Кевін Ештон закликав створити комп'ютери, здатні автоматично збирати всю доступну інформацію про фізичні об'єкти. За його словами, ці дані допоможуть людям краще стежити за станом речей, а також скоротити витрати та кількість відходів.

"Ми б знали, коли пристрої потребують заміни, ремонту або відкликання, і чи є вони працездатними або застарілими. Інтернет речей може змінити світ так само, як це зробив Інтернет. Можливо, навіть більше", — заявив інженер.

За винятком деяких проєктів, таких як підключення до інтернету торговельного автомата, втілити ідею в життя не виходило через відсутність відповідних технологій: чипи були надто великими, а зв'язок надто повільним, щоб ефективно об'єднати мільярди машин у загальне середовище. Для IoT потрібні дешеві, енергозберігаючі та досить потужні процесори, які можна масово штампувати на заводах. Цим проривом став винахід RFID, не менш важливим кроком вважається прийняття стандарту IPv6, здатного забезпечити достатню кількість IP-адрес.

Засоби ідентифікації

IoT об'єднує мільярди пристроїв, тому їхня працездатність багато в чому залежить від того, наскільки добре машини розпізнають одне одного та наскільки їх розпізнають сервери та маршрутизатори всередині мережі, а також зовнішні хмарні системи управління. Зашифрований канал автентифікації необхідний, щоб кожен об'єкт отримав власний унікальний знак і міг підтвердити свою справжність. Заради безпеки системи повинні приймати дані та виділяти виробничі ресурси пристроям Інтернету речей тільки після авторизації останніх, адже це захищає від зламу та так званого спуфінгу — підміни даних.

Як пише журнал Control Engineering, для ідентифікації в Інтернеті речей використовують RFID-мітки, штрих-коди та "розумні" датчики. Для створення простої RFID-системи достатньо мітки з мікрочипом та пристрої-зчитувача. Технологія радіочастотної ідентифікації зараз розвивається у двох напрямках: активні RFID-системи з розширеним спектром передачі та управління RFID-додатками. Експерти виділяють великі можливості розвитку додатків ідентифікації в IoT. Наприклад, RFID-мітки можна підключити до бездротової сенсорної мережі (WSN) для швидкого пошуку та розпізнавання об'єктів, а також стеження за ними в режимі реального часу.

У деяких промислових системах вже розгорнуті сервіси, де кожному пристрою надають універсальний унікальний ідентифікатор (UUID), який є 128-бітовим номером. Він містить мережеву адресу системи, що згенерувала UUID, мітку із зазначенням часу та випадково створений компонент, перших двох достатньо для гарантії унікальності, а випадковий елемент є додатковим захистом. Імовірність дублювання ідентифікатора можлива, але практично дорівнює нулю. Завдяки UUID потрібну річ можна легко знайти і не переплутати з іншими, тому ця технологія важлива для роботи IoT.

Згідно з дослідженням, опублікованим у журналі Digital Communications and Networks, поки не існує загальної схеми ідентифікації для IoT, тому такі стандарти ще розроблять державні органи. Поки відсутність єдиного механізму ідентифікації ускладнює взаємодію між різними складовими Інтернету речей. Втім, деякі міжнародні організації надають свої стандарти та рішення для забезпечення безпеки IoT, наприклад Open Connectivity Foundation (OCF), FIWARE, oneM2M. Тут же став у нагоді і глобальний інтернет-протокол IPv6, що забезпечує унікальні IP-адреси машин.

Засоби вимірювання

Елементи IoT використовують різні види датчиків для вимірювання та оцінки навколишнього середовища. Вони бувають різних розмірів і форм, деякі містять в собі менші датчики, щоб збирати кілька типів даних. Видання Behr Tech підібрало 10 найпопулярніших типів:

• Температурні датчики. Уловлюють коливання температури, включаючи різкі перепади, небезпечні на деяких видах виробництва.
• Датчики вологості. Вимірюють кількість водяної пари в атмосфері, часто застосовуються в система вентиляції, кондиціювання та опалення, вони також допомагають передбачати погоду.
• Датчик тиску. Слідкує за тиском у газах та рідинах і попереджає про різкі зміни, існують моделі, що фіксують витікання.
• Сенсори руху. Служать для виявлення об'єктів з відривом, зазвичай, створюють електромагнітні поля чи вловлюють інфрачервоне випромінювання.
• Датчики рівня речовин. Визначають заповненість ємностей рідинами, порошками та сипучими матеріалами, а також наявність відходів у сміттєвих баків.
• Сенсори газу. Оцінюють якість повітря, визначають наявність токсичних, горючих чи небезпечних речовин.
• Оптичні датчики. Перетворюють світло, що надходить в електричні сигнали, можуть використовуватися для розпізнавання об'єктів за допомогою камер спостереження.
• Інфрачервоні датчики. Випромінюють або вловлюють промені в інфрачервоному спектрі, щоб вивчати характеристики навколишнього середовища, такі як температура об'єктів.
• Акселерометри. Визначають зміну швидкості об'єктів, а також гравітації, які можуть попереджати про рух предметів, які не можна переміщати.
• Гіроскопи. Вимірюють швидкість обертання об'єктів навколо своєї осі або тремтіння камери.

Засоби передачі даних

Головний консультант компанії "SNT Україна" Ярослав Боцман у своїй статті написав, що донедавна IoT використовував традиційні технології бездротової передачі даних, такі як WiFi та 3G. Застосування радіотехнологій сильно ускладнює проблема живлення, адже не кожен датчик можна підключити до електромережі, тому мережі стандартів 802.11 стають менш популярними. Пристрої можна підключати і за допомогою проводів, наприклад до ліній електропередач, але це не завжди зручно і знижує гнучкість Інтернету речей.

Для підключення розумних пристроїв на відстані до 10 м застосовуються стандарти, що використовують mesh-архітектуру, де кожен вузол з'єднаний з іншим подібно до павутини і споживає мінімум енергії: 6LoWPAN, Bluetooth Low Energy (BLE), ZigBee IP і т.д. Для зв'язку великих відстані інженери розробляють спеціальні технології з низьким енергоспоживанням. На вертикальних ринках вже використовується низка технологій — C-UNB (Cooperative Ultra Narrowband), LoRa (Long Range), але найперспективнішими для Інтернету речей Ярослав Боцман назвав технології EC-GSM (Extended Coverage GSM) та NB-CIoT (Narrowband Cellular IoT), що використовують мережі стільникового зв'язку. Розробники пропонують виділити для них смуги частот нижче використовуваних у мобільних мережах, а операторам достатньо поставити на базових станціях відповідне обладнання та оновити програмне забезпечення для обміну даними.

Засоби обробки даних

За словами Ярослава Боцмана, пристрої Інтернету речей часто не можна підключити до мереж з високою швидкістю передачі даних та низькою затримкою, хоча потужність дозволяє їм обробляти дані в межах "туманних обчислень" — це проміжний етап між дата-центрами та хмарними сервісами. Для цього їм необхідні мікроконтролери, які об'єднуються у розподілену мережу для зберігання та обробки даних, а також надають обчислювальні потужності для керування системами без участі людини. Вже структуровану інформацію передають на "хмару" через спеціальні інтерфейси (API), де їх продовжують обробляти, зокрема вручну.

Як пояснює віцепрезидент групи IDC з IoT, 5G та мобільності Керрі МакГілліврей, інструменти Інтернету речей генерують велику кількість даних, отриманих з датчиків та пристроїв, а потім збирають їх у централізованому сховищі інформації. Величезний обсяг необроблених даних зберігаються поряд із структурованою інформацією, такою як записи транзакцій та профілі клієнтів. Аналітичні платформи можуть використовувати їх для створення звітів та інфографіки. Інструменти аналітики на основі штучного інтелекту користуються Інтернетом речей. Передаючи великі обсяги різних даних, зібраних датчиками IoT, можна ефективно навчати ІІ обробляти інформацію та складати прогнози у реальному часі.

Де використовується Інтернет речей

Спочатку IoT рішення були найцікавішими для бізнесу та промисловості, особливо для зв'язку між машинами. Зараз "розумні" пристрої переносять у будинки та офіси, намагаючись зробити доступними для всіх. У чому суть Інтернету речей для простих користувачів? Наведемо кілька прикладів.

"Розумні" будинки. Системи автоматично керують домашніми технологіями, такими як температура, освітлення, розважальні системи, побутова техніка та сигналізація. На Заході вже стають традиційними "розумні" музичні колонки, термостати, холодильники, телевізори, розетки і навіть лампочки, які можна програмувати та роботу яких можна відстежувати через спеціальне програмне забезпечення.

Охорона здоров'я. Медичний IoT (MIoT) допомагає лікарям спостерігати за пацієнтами та людям самим стежити за своїм здоров'ям. До нього належать фітнес-браслети, манжети для вимірювання артеріального тиску та частоти серцевих скорочень, а також глюкометри.

"Розумні" міста використовують дані, зібрані комплексом датчиків, для покращення інфраструктури, комунальних та інших послуг. До інтернету підключають камери, ліхтарі, лічильники електроенергії, системи контролю якості повітря та ін.

Носимі пристрої здебільшого використовуються для охорони здоров'я та спорту. До таких пристроїв належать фітнес-трекери та смарт-годинники.

"Розумний" транспорт. Сучасні автомобілі та інші транспортні засоби можуть підключатися до інтернету, щоб надавати доступ до керування та даних.

"Розумні" склади використовують технології IoT, щоб підвищити ефективність виробництва чи бізнесу. До них належать роботи, дрони, сканери, RFID-мітки, програми для керування на основі штучного інтелекту.

Проблема безпеки IoT

Аналітики з компанії Apriorit дійшли висновку: IoT схильний приблизно до тих самих ризиків, що і звичайний інтернет:

• вразливість програмного забезпечення;
• незахищені канали зв'язку;
• витік з інформаційних систем;
• шкідливі програми;
• кібератаки.

Загроза зламу з боку зловмисників може відлякати багатьох клієнтів від використання Інтернету речей. Особливо слід побоюватися організаціям, які працюють у сфері медицини, фінансів, логістики, торгівлі та виробництва, адже будь-який злам може завдати шкоди тисячам людей. Серед іншого, пристрої IoT збирають конфіденційні дані людей, витік яких призведе до плачевних наслідків. Згідно з даними SAM Seamless Network, у 2021 році здійснено понад 1 млрд атак на мережі IoT.

Впровадити механізми захисту у системи IoT складніше, ніж у звичайні гаджети із підключенням до інтернету. По-перше, маленькі датчики та мікропроцесори складніше захистити на апаратному рівні, по-друге, інструменти безпеки збільшать вартість і час, що витрачаються на їх виробництво, тоді як для великої кількості пристроїв важлива саме дешевизна.

Прогнози розвитку Інтернету речей

За даними дослідницької компанії IoT Analytics, у 2021 році у світі налічувалося понад 12 млрд пристроїв Інтернету речей, і експерти прогнозують зростання до 22 млрд до 2025 року. Компанія IDC припускає, що через 3 роки кількість підключених до IoT пристроїв перевищить 41,6 млрд, в це число входить промислове обладнання та автомобілі, а також технології "розумного" будинку і гаджети.

Аналітичне агентство Gartner прогнозує, що комунальні підприємства стануть одними з найактивніших користувачів Інтернету завдяки впровадженню високотехнологічних лічильників. На другому місці можуть опинитися технології захисту, такі як камери спостереження. Розвиток Інтернету речей також призведе до автоматизації будівель, транспорту та охорони здоров'я.

Дослідницька компанія Juniper Research прогнозує, що світовий ринок IoT-технологій, що використовують мобільні мережі, збільшиться з $31 млрд 2022 року до $61 млрд 2026 року, тобто майже в 2 рази. Зростання стимулюватиме впровадження 5G та стільникового зв'язку з низьким енергоспоживанням для глобальної мережі (LPWA), завдяки їм пристрої зможуть працювати практично повсюдно.