Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Национальный исследовательский университет «Высшая школа
экономики»
Московский институт электроники и математики Национального
исследовательского университета «Высшая школа экономики»
Допущен к защите
Заведующий кафедрой ВСиС
___________ А.В. Вишнеков
«__» ____________ 2013 г.
Скороходов Алексей Дмитриевич
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
В ИНТЕРНЕТЕ ВЕЩЕЙ
Направление 23.01.00.68 - Информатика и вычислительная техника
Магистерская программа - Сети ЭВМ и телекоммуникации
Магистерская диссертация
Научный руководитель
Рецензент
|
подпись
подпись
|
доцент, к.т.н, профессор
Л.С. Восков
доцент, к.т.н.
Рогов А.А.
|
Москва 2013
Оглавление
Введение 2
Основная часть 7
1. Способы взаимодействия в Интернете вещей 7
1.2. Централизованный сервер как метод взаимодействия 15
2. Виды взаимодействия в Интернете вещей 18
2.1. Взаимодействие между удалённым сервером и интернет-вещами 19
2.1.1. Протокол MQTT 20
2.2. Взаимодействие между интернет-вещами 25
2.2.1. Fog Computing в Интернете вещей 27
2.2.2. Использование протокола IP в локальных сетях 29
2.2.3. Брокер локальной сети 31
2.2.4. Псевдо-сервер MQTT 36
2.2.5. Выводы 39
2.3. WEB вещей 41
2.4. Взаимодействие между пользователями и интернет-вещами 43
2.4.1. Проблемы пользовательского интерфейса интернет-вещей 51
2.4.2. Конструктор виджетов, как решение проблем Интернета вещей 53
2.4.2.1. Описание конструктора 55
2.4.2.2. Используемые технологии 58
2.4.2.3. Примеры веб-виджетов 64
2.4.3. Выводы 69
Заключение 72
Используемая литература 75
Приложения 77
Приложение 1. Исходный код веб-виджета ламп освещения 77
Приложение 2. Исходный код веб-виджета для умных весов 84
Приложение 3. Исходный код веб-виджета умной розетки 87
Приложение 4. Исходный код веб-виджета метеостанции 91
Приложение 5. Исходный код веб-виджета электросчётчика 97
Приложение 6. ZigBee-GSM шлюз. Разработка WiSeNet Lab 111
Принципиальная схема устройства 111
Топология печатной платы 113
Слои 1 и 2 113
Слои 3 и 4 114
Введение
В настоящее время активно развивается такое направление в области информационных технологий, как “Интернет вещей” – совокупность разнообразных приборов, датчиков, устройств, используемых ранее локально и автономно, объединённых в сеть посредством любых доступных каналов связи, использующих различные протоколы взаимодействия между собой и единственный протокол доступа к глобальной сети. В роли глобальной сети для интернет-вещей, в настоящий момент используется сеть Интернет. Общим протоколом является IP.
Переход к Интернету вещей, согласно исследованию Cisco, произошёл примерно в 2008-2009 годах. С этих пор количество устройств, подключённых к глобальной сети Интернет, превысило численность населения Земли. Число инноваций в этой области непрерывно растёт, что говорит об активном развитии Интернета вещей.
Следует различать понятия “Интернет вещей” и “интернет-вещь”.
Под интернет-вещью понимается любое устройство, которое:
имеет доступ к сети Интернет с целью передачи или запроса каких-либо данных,
имеет конкретный адрес в глобальной сети или идентификатор, по которому можно осуществить обратную связь с вещью,
имеет интерфейс для взаимодействия с пользователем.
Интернет-вещи имеют единый протокол взаимодействия, согласно которому любой узел сети равноправен в предоставлении своих сервисов. Каждый узел сети интернет-вещей предоставляет свой сервис, оказывая некую услугу поставки данных. В то же время узел такой сети может принимать команды от любого другого узла. Это означает, что все интернет-вещи могут взаимодействовать друг с другом и решать совместные вычислительные задачи.
Рисунок 1. Функциональная схема Интернета вещей
Интернет-вещи могут образовывать локальные сети, объединённые какой-либо одной зоной обслуживания или функцией. Например, сеть умного дома, состоящая из различных датчиков, может иметь доступ в Интернет и иметь возможность управления посредством веб-интерфейса. В то же время несколько “умных сетей” могут быть объединены в одну взаимосвязанную сеть мониторинга и управления системой пожаротушения города, а городские сети могут быть объединены глобальной сетью Интернет для общего доступа к информации об уровне пожарной безопасности в любом городе страны. Этот пример представляет собой частный случай территориально-распределённых сетей, развитию которых поспособствовала активная инновационная деятельность в области беспроводных сенсорных сетей за последнее десятилетие.
Беспроводные сенсорные сети – одно из активных направлений в области систем мониторинга – развивалось от локальных сенсорных сетей до территориально-распределённых, связанных с глобальными сетями Internetи GSM. В терминологии беспроводных сенсорных сетей часто встречается такое понятие, как “умная вещь”. С появлением Интернета вещей все умные вещи, имеющие доступ к сети Интернет, называют интернет-вещами.
Таким образом, Интернет вещей стал приобретать популярность и актуальность после появления территориально-распределённых сенсорных сетей и является решением задачи интеграции сенсорных сетей в повседневную жизнь. В настоящий момент эта технология находится на стадии ранней реализации, активных исследований и разработок.
На пути перехода к воплощению идеи интернета вещей стояла проблема, связанная с протоколом IPv4, ресурс свободных сетевых адресов которого уже себя практически исчерпал. Однако, подготовка к повсеместному внедрению протокола IPv6 позволяет решить эту проблему и приближает идею Интернета вещей к реальности.
Ещё одним шагом на пути к идее Интернета вещей была технология M2M (Machine to Machine), совершенство и распространение которой позволило использовать её в любом мобильном устройстве, в том числе и узлах сенсорных сетей. Считается, что именно эта технология породила термин “Интернет вещей”, подразумевая под ним некую обособленную вычислительную среду, состоящую из устройств, самостоятельно взаимодействующих друг с другом и предоставляющих пользователю результаты своей совместной деятельности.
Интернет вещей в будущем может иметь огромное количество устройств. По прогнозам аналитиков, к 2020 году общее количество устройств, подключенных к Сети, составит от 12 до 50 миллиардов единиц. Поэтому в настоящее время является актуальным вопрос оптимальной организации Интернета вещей с учётом требований к быстродействию сети в целом, размеру используемых данных для хранения и энергосбережению отдельных узлов сети.
Одним из вопросов организации Интернета вещей является разработка методов взаимодействия между:
интернет-вещами,
пользователями и интернет-вещами,
удалённым сервером и интернет-вещами.
В работе дано описание каждого из типов взаимодействия и варианты их реализации, которые используются в настоящий момент при разработке систем интернет-вещей или могут быть использованы в будущем.
Каждая интернет-вещь должна иметь интерфейс для связи с пользователем, который состоит из программной и визуальной части. Визуальная часть может использовать довольно большой объём памяти для хранения, что порождает проблему роста нагрузки на ресурсы сети в результате увеличения размера используемых данных Интернетом. Данная проблема решается в ходе выполнения основной задачи (достижения цели работы) путём разработки веб-приложения – конструктора виджетов, которое позволяет значительно сократить рост потребления ресурсов сети интернет-вещами и убрать линейную зависимость нагрузки от числа интернет-вещей в сети. Представленное решение также упрощает разработку пользовательских интерфейсов для интернет-вещей и предоставляет пользователю большую гибкость при взаимодействии с интернет-вещью, что представляет научную новизну в решении данной проблемы.
Целью данной работы является проведение исследования существующих методов взаимодействия в Интернете вещей между основными его составными, выявление проблем, связанных с ними и поиск оптимального их решения.
В данной работе даётся обзор методов взаимодействия в Интернете вещей, показываются существующие и прогнозируемые проблемы, предлагается решение рассматриваемых проблем с целью улучшить качество предоставляемых Интернетом вещей услуг.
|
