Зачем интернету вещи, или В чем заключается «ум» IoT?::БИТ 04.2018

Алексей Лагутенков, MBA Kingston University UK, ITSM Manager, MCSE+I, MCSE:S:M, MCDBA, MCDST

Зачем интернету вещи,
или В чем заключается «ум» IoT?

Что лежит в основе интернета вещей (IoT)? Как он построен? Насколько сложно и дорого сделать устройство IoT своими руками?

Окружающий нас мир «умнеет» на глазах. Интернету вещей и тому, что такое «умные вещи», была посвящена предыдущая статья [1]. Сейчас имеет смысл поговорить о конкретных технологиях, которые уже используются и меняют мир прямо сейчас!

Пожалуй, самым важным событием, которое изменило понимание самой сути интернета вещей, стало изобретение итальянскими энтузиастами в 2003 году свободной программно-аппаратной среды «Ардуино». Столь странное название проект получил не случайно. Создатели проекта встречались в баре, носящем имя итальянского короля Ардуино Иврейского, правившего страной с 1002 по 1014 годы. Именно этот бар и дал название изобретению, так повлиявшему на развитие IoT.

Тот, кто когда-либо занимался разработкой устройств на микропроцессорах в 1990-х – начале 2000-х годов, прекрасно помнит, какое это было непростое занятие! Разные ассемблеры для разных процессоров и сложные платы, которые многократно дорабатывались и перепаивались, в итоге превращаясь в монстра, состоящего из клубка проводов. Это сильно усложняло процесс разработки и делало его трудным, нудным и долгим. Не дай бог, если какой-то из соединительных проводов был плохо припаян и отваливался в процессе отладки!

Так же, как и все остальные разработчики в мире, итальянские студенты из Института интерактивного дизайна в Иврее (англ. Interaction Design Institute Ivrea, IDII) проходили все эти стадии мучений, пока однажды не задумались, как бы им упростить процесс. Результатом стало появление одноплатного конструктора, представляющего собой открытую программно-аппаратную среду для непрофессионалов, которая позволяет быстро и без глубоких познаний создать любое устройство на базе особой микросхемы-компьютера .

Устройством может быть что угодно – от системы автоматического полива цветов или игрушечного робота до систем автоматизации производства. За короткое время проект «Ардуино» стал очень популярным в основном благодаря простоте, а также большим наборам всевозможных датчиков и исполнительных механизмов.

Программная среда представляет собой версию языка С++, специально адаптированную под разработку роботов, роботизированных устройств и прочих устройств IoT. Программы называются «скетчи» (от англ. sketch – «набросок»).

Основа «Ардуино» – семейство 8-битных микроконтроллеров Atmel AVL с тактовыми частотами 8 и 16 МГц, флеш-памятью до 256 Кб, SRAM до 16 Кб и EEPROM до 4 Кб. Самое важное достоинство этого проекта – дешевизна. Готовую для работы плату можно приобрести с бесплатной доставкой на eBAY за 150-250 рублей. К сожалению, в Москве за то же самое придется заплатить дороже в три, а то и в 10 раз.

Замок, открывающийся с помощью RFID «умного кольца» JAKOM

Во многом благодаря именно «Ардуино» возникло само понятие «умного дома». Единственным недостатком этого конструктора были и остаются относительно небогатые коммуникационные возможности. Да, к нему можно подключить Bluetooth и RF 433 mHz. Однако возможность подключаться к интернету существовала только в виде проводного Ethernet-шилда, что не всегда удобно.

В 2014 году в мире «Ардуино» произошло знаковое событие. Китайские разработчики выпустили на рынок микроконтроллер ESP8266. Чип стоимостью около $0.5 и размером 5х5 мм представляет собой 32-разрядный микропроцессор с тактовой частотой 80 МГц (и возможностью разгона до 160 МГц), полной поддержкой стека протоколов IEEE 802.11 b/g/n Wi-Fi с безопасностью WEP и WPA/WPA2, 14 портами ввода-вывода (из которых возможно использовать 11), SPI, I²C, I²S, UART и 10-bit АЦП. Несмотря на то что микроконтроллер не оснащен собственной пользовательской энергонезависимой памятью, он умеет выполнять программы из внешней SPI ПЗУ объемом до 16 Мб. Кроме того, потребляет относительно небольшой ток (до 215 мА в режиме передачи, 100 мА в режиме приема, 70 мА в режиме ожидания).

Варианты оформления конструкторов на базе ESP8266: слева – экранированный вариант, справа – чип, без экрана

Благодаря ESP8266 «умному дому» и «умным вещам» стал полноценно доступен интернет! Областям применения этой микросхемы воистину нет числа! Миниатюрные датчики и исполнительные устройства, построенные на базе микроскопического веб-сервера, располагающего полноценной поддержкой Wi-Fi, оказываются полезны в сельском хозяйстве, здравоохранении, системах управления предприятием, промышленности и многих других областях.

Например, в прошлый раз мы начали разговор об «умной электроэнергетике». Ни для кого не секрет, что методы выработки «даровой» электроэнергии в последнее время подешевели настолько, что стали доступны буквально всем желающим. Ветрогенераторы и солнечные панели – больше не «ближайшее будущее», это – настоящее!

В США и Европе набирает обороты стиль жизни, называемый «OFF-Grid» или «не подключенные к сети». Буквально это означает, что люди используют вырабатываемое их домашними станциями электричество для удовлетворения собственных бытовых нужд. Больше нет однозначной необходимости покупать электричество у энергетических компаний. Солнце и ветер дарят энергию всем желающим и совершенно бесплатно. Надо лишь уметь ее принять и сохранить! В связи с чем возникает новая задача: «даровой» энергии может быть столько, что всю ее просто невозможно использовать, поэтому логично возникает вопрос: почему бы не продать излишки энергии тем, кому она нужна больше?

Макросъемка с помощью микроскопа: ESP8266 без экрана. Монета для масштаба

Умный автономный датчик стоимостью около 100 рублей, способный измерять и передавать или сообщать по запросу показатели температуры и влажности, со встроенным веб-сервером на ESP8266

Основой такого «персонального центра торговли энергией» должны стать «умный счетчик» (англ. Smart Meter), который умеет считать потоки электричества как «в плюс», так и в «минус», и «умный инвертор», принимающий самостоятельные решения по использованию энергии «даровой» или от электрической компании. Надо ли говорить, что с помощью «Ардуино» и ESP можно полностью разработать всю начинку домашней «умной электросети».

Общая схема «умной домашней электросети» состоит из:

Удаленные встроенные средства управления позволяют полностью интегрировать «умную электросеть» в контекст «умного дома».

Именно в случае всеобщего перехода на подобные альтернативные схемы использования электроэнергии появляется возможность для возникновения совершенно нового явления – «облачных» или «виртуальных электростанций» (англ. Virtual Power Plant VPP), которые способны хранить и распределять как чистое электричество, так и «потенциальную» энергию, то есть прогнозируемые излишки электричества агентов сети, в зависимости от многих факторов: времени суток, года, предсказанных общего и пикового потреблений.

Умный исполнительный механизм, способный по запросу включать или выключать силовую нагрузку с помощью встроенного веб-сервера на ESP8266

Прототип погодной станции, состоящий из веб-сервера и веб-клиента на ESP8266. Станция измеряет температуру, влажность, силу УФ-излучения и наличие осадков и передает всю информацию веб-клиенту. Связь осуществляется по Wi-Fi

Это одно из наиболее перспективных направлений высокоэффективной энергетики ближайшего будущего, которое собирает вместе «умные дома», «умные электросети», чтобы получить в итоге «умный город» или «умный регион».

Мы снова вплотную подошли к понятию «умного города», но в этот раз немного с другой позиции. В прошлый раз разговор шел о том, чем гипотетически может быть полезен «умный город» своим гражданам, теперь же есть возможность подумать о том, как именно город мог бы это делать. «Умная энергетика» и «умные дома» – это, безусловно, важная часть города, но все же это только часть. Кроме всего вышесказанного понадобятся системы «умного водоснабжения», в автоматическом режиме следящие за количеством и качеством воды.

В последнее время в России остро встал вопрос мусорных свалок и переработки отходов. Неудивительно, что сортировка и переработка мусора – тоже один из важнейших факторов функционирования «умного города». Сети «умного транспорта», логистики и, вероятно, вендинговых машин также будут в ближайшем будущем определять лицо «умного города». В основе всего перечисленного будут лежать компоненты интернета вещей, о которых говорилось выше.

Прототип умного счетчика, построенного на базе датчика Холла

Тем не менее прогресс уже шагнул еще дальше! В 2017 году китайский производитель Espressif Systems представил новый микроконтроллер ESP32, характеристики которого кардинально отличаются от предыдущих версий. Основой разработки теперь служат двухъядерный 32-разрядный процессор Tensilica Xtensa® LX6 с FPU и MAC с тактовыми частотами 160 и 240 МГц.

Теперь в разработках стало возможным использовать внешнюю память до 4*16 Мбайт. Удивительно, что полный стек протоколов Wi-Fi 802.11, Bluetooth v4.2 (в том числе Low Energy), интерфейс SD-карт и изобилие портов ADC, DAC, 4 SPI, 2 I2S, 2 I2C, 3 UART, CAN незначительно повлияли на цену этого чуда электронной промышленности!

Задумайтесь, на площади около одной четверти квадратного сантиметра теперь можно получить не просто процессор, но полноценный компьютер начала 2000-х годов! Готовые прототипы шилдов на ESP32 уже сейчас продаются на eBAY по цене около 350 рублей или 600 рублей с миниатюрным встроенным OLED-дисплеем.

Что будет завтра? Сейчас на этот вопрос невозможно ответить, поскольку трудно даже представить, какими темпами и в каком направлении пойдет развитие компонентов IoT и какие удивительные решения мы увидим в самое ближайшее время! Уверенно можно сказать лишь одно: мир никогда не станет прежним!

Комментарии могут отставлять только зарегистрированные пользователи