CC BY
17
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
УДК 681.518.5
АНАЛ1З 1Н1Ц1АТИВИ АЛЬЯНСУ ZIGBEE ЩОДО СТВОРЕННЯ УНШЕРСАЛЬНО1 МОВИ DOTDOT ДЛЯ IOT
БЕЗРУКВ.М., ВЛАСОВА В.О., КРИВЕНКО С.А. Розглядаеться будова ZigBee для створення мереж1 мониторингу та контролю за станом лшш електропе-редачг ТехнологИ IoT традицшно використовують в мережах з низькою швидк1стю, низькою потужшстю i короткими пакетами даних. Анал1з зосереджений на приклад1 реал1заци концепцй' "розумного м1ста" з шдтримкою додатк1в IoT. Експериментальш резуль-тати показують ефектившсть i стабшьшсть роботи системи.
Ключовi слова: 1нтернет речей, перетворення з1рки в сггку, томография електричного опору, ZigBee. Keywords: Internet of Things, star-mesh transform, Electrical resistivity tomography, ZigBee. Вступ
Багато комушкацшних технологш добре вщом, таю як Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee i ст1льников1 2G/3G/4G. Але е кшька нещодавно створених нових варiантiв мереж, наприклад, Thread як альтернатива для додатюв домашньо! автоматизации i технологiй широкомовного телебачення, що реалiзуються у великих мютах для бiльш широкого сегмента на основi використання IoT. Зале-жно вiд застосування таю фактори, як дiапазон частот, вимоги до даних, вимоги безпеки та по-тужност i термiну служби батаре! диктують ви-бiр пе! чи шшо! форми поеднання технологш. В ичш 2017 року некомерцшний альянс ZigBee Alliance представив dotdot як унiверсальну мову для 1нтернету речей IoT [1].
Група говорить, що мова dotdot приймае IoT на рiвнi додаткiв ZigBee i дозволяе йому працювати в рiзних мережних технологiях. Це важливо, оскшьки в даний час бiльшiсть IoT пристро'в не говорять однiею мовою, навiть якщо вони використовують ту саму бездротову технолопю. Результатом е 1нтернет речей, в якому е клаптевi переклади, що зроблеш в хмарi. Розробники пла-тформи i додаткiв повиннi тдтримувати зроста-ючий набiр унiкальних штерфейшв для кожного постачальника продуктiв. Альянс ZigBee був за-снований в 2002 рощ i в даний час натчуе понад 400 члешв. Альянс створив малопотужну бездротову технолопю штчасто! (MESH) мереж для тдключення. А в 2007 рощ вш випустив вiдкриту мову, яка шдтримуе сотнi рiзноманiтних штелек-туальних пристро'в у будинках i на шдприемст-вах. Альянс ZigBee вже працюе на dotdot з ще однiею некомерцiйною групою Thread Group. Мережi ще! групи на базi 1нтернет протоколу з'еднують iнтелектуальнi домашш пристро!. Без-дротова сiтчаста мережа ZigBee, мережа IP
Thread засноваш на стандарт IEEE 802.15.4. Але це не е обов'язковою вимогою для роботи dotdot. Чи е мова dotdot необидною? Джахангир Мохаммед, генеральний менеджер групи IoT компанп Cisco Jasper, сказав: «Якщо у вас е 100 пристро'в, ви, ймовiрно, маете 99 опе-рацшних систем. Це явна фрагментащя». «Мова dotdot ZigBee, безумовно, може допомогти з цiею фрагментащею», пише Робб Хеншо, керiвник глобальних комушкацш для IoT Хмари в Cisco Jasper, в електронному лисп до SDxCentral. «Ще iснуе необхiднiсть стльно! мови, яка дозволить всiм пристроям спiлкуватися, з допомогою dotdot мови спшьнота ZigBee вирiшуе правильнi про-блеми». Але е й iншi конкуруючi групи , такi як AllSeen Альянс i Weave Google екосистеми, як намагаються вирiшити ту саму проблему. «З пли-ном часу промисловють, ймовiрно, побачить, як одна з цих груп або мов виникне як переможець" говорить Henshaw. Cisco Jasper любить вщдали-тися вiд таких груп, як ZigBee, яю вiн вважае орiентованими на споживчi товари, на вiдмiну вiд корпоративного класу i промислового устатку-вання. «Оголошення Dotdot насправдi не мае нi-якого впливу на Cisco Jasper», говорить Хеншо. «Наша платформа IoT являе собою автоматизо-вану платформу управлшня зв'язком, а мова до-датку не мае значення для нас, тому що ми агностики в цьому сенсЬ>. Альянс ZigBee зробив собi iм'я в споживчих товарах IoT, до складу групи дшсно входять тага компанп', як Huawei i Schneider Electric, якi роблять промисловi IoT [2]. Автоматизащя деяких сфер пiдвищуе безпеку життедiяльностi людини, а безпека людини зараз е прюритетним напрямком у розвитку технологш.
1де! створення штелектуальних систем, якi б до-помагали забезпечувати людиш комфорт i безпеку, були запропоноваш вже досить давно, проте в той час реашзувати щ iдеi було неможливо через вщсутшсть ресурсiв i технологш, що дозволяють це зробити.
Вираз "Розумне мюто", останнiм часом став дуже популярним. При цьому настшьки широкий i, по сутi, невизначений, що його використовують в самих рiзних контекстах i з самими рiзними щля-ми. 1снуе безлiч iдей по створенню таких мют у свт. Пропонують найрiзноманiтнiшi концепцй' "розумного мюта" i його побудови. В данш статтi розглянуто аспект контролю за станом лшш еле-ктроживлення, що е одним з найважливших фак-торiв забезпечення якостi життя. Метою до^дження е аналiз можливостей альте-рнативних пiдходiв на прикладi застосування мови Python як ушверсально! для рiзних опера-цiйних систем IoT.
1. Модель IoT 1.1. Модель ZigBee
Мова dotdot е ушверсальною мовою 1нтернету речей, що дае можливють для смарт-об'ектiв ви-конувати сшльну роботу в будь-якiй мереж. Аналопчш можливостi мае мова Python, яка дозволяе проводити для смарт-об'ектiв сшльну роботу в будь-якш мереж на основi шфраструк-тури веб-клiентiв та веб-серверiв. Типове використання одного з кластерiв ZigBee наведено на рис. 1 [3].
L'entrai i/cd dev кс eg gmeway
АГП 0 ". 1« te mobile terminal
Anchor dci ice
I > IV ' . Г" ■ K I
V.V Devia luiiHi are examples for illustration only
Рис. 1. Типове використання одного з KiacrepiB ZigBee
Протоколи ZigBee розроблеш для використання у вбудованих додатках, що вимагають низьку шви-дюсть передачi даних i низьке енергоспоживання. Мета ZigBee - це створення недорого! мереж, що сама зоргашзуетъся, з сггчастою топологieю, при-значено! для вирiшення широкого кола завдань. ZigBee призначений для мобiльних пристро1в, де необхiдна тривала робота вщ батарей тому клю-човим завданням е зменшення часу роботи пере-давачiв. Цей час визначаеться пропускною здат-нiстю каналу при заданому об'емi iнформацiï, яку необхiдно передати. Як приклад можна розгляну-ти передачу шформацп, якщо реалiзуються двi топологiï - зiрка та штка для п'яти вузлiв (рис. 2).
"star" "mesh"
Рис. 2. Перетворення топологи мереж
Для порiвняння цих двох пiдходiв необхiднi кшь-юсш характеристики, якi розглядаються в насту-пному пiдроздiлi. 1.2. Передача даних у IoT
У чистому вигляд^ при ефiрнiй передачi, швид-юсть передачi даних становить 250 Кб^/с для кожного каналу в дiапазонi 2.4 ГГц, 50 кбiт/с для кожного каналу в дiапазонi 915 МГц. Вщ стань передачi - вщ 10 до 75 метрiв та понад 1500 мет-
рiв для ZigBee Pro, хоча вона дуже залежить вiд параметрiв конкретного обладнання i середовища передачi. Максимальна вихщна потужнiсть ра-дiовипромiнювання в основному становить вщ 0 до 20 дБм (вiд 1 до 100 мВт). Стандарт передба-чае пропорцшне збiльшення потужностi переда-вача для збшьшення швидкостi передачi даних
[4].
Можна видiлити 3 основних способи взаемодii з iнтернет-речами:
- прямий доступ;
- доступ через шлюз;
- доступ через сервер.
У разi прямого доступу iнтернет-речi повинш мати власну IP-адресу або мережевий псевдошм, за яким до них можна звернутися з будь-якого клiентського додатку. 1нтерфейс з такими речами зазвичай виконаний у виглядi веб-ресурсу з гра-фiчним iнтерфейсом для управлiння за допомо-гою веб-браузера. Можливе використання спещ-алiзованого програмного забезпечення. Недолши такого способу очевиднi:
- необхщшсть мати фiксовану адресу в мереж^ що залежить вiд провайдера послуги зв'язку з 1нтернетом таких речей. 1ншим виходом iз ситуа-цн е використання алiаса (мережевого псевдошма IP-адреси), що вимагае постiйного звернення iнтернет-речi до спецiального сервера з запитом про оновлення мережневоi адреси за псевдош-мом;
- лiмiт шдключень до пристрою — викликано низькою якiстю зв'язку iнтернет-речей, а також ix слабкими обчислювальними ресурсами. Така проблема вирiшуеться шляхом включення до складу iнтернет-речi високопродуктивного обладнання та шдключення речей до стабшьного джерела зв'язку з 1нтернетом. Це викликае необ-xiднiсть у бшьшому споживаннi енергii i часто змушуе робити такi речi стащонарними, що жив-ляться вiд постшних джерел електроенергii. Доступ до штернет-речей через шлюз е бiльш ращональним способом органiзацii взаемодii i повнютю витiсняе метод прямого доступу в разi необxiдностi органiзацii зв'язку бездротових сен-сорних мереж або мережi iнтернет-речей з глобальною мережею 1нтернет. Бiльшiсть стандартiв бездротових сенсорних мереж не пiдтримують протокол IP, використовуючи власш протоколи взаемодii. Така особливють викликае необхщ-нiсть наявносп пристрою для ретрансляцii пов> домлень з сенсорно].' мережi в мережу 1нтернет для сумiсностi протоколiв.
Недолши такого пiдxоду тi ж, що й у випадку прямого доступу, але поширюються вони на шлюз.
Доступ до штернет-речей через сервер мае на увазi наявнють посередника мiж iнтернет-речами
i користувачем. Таким посередником е сервер, в основш функцп якого входить:
- прийом повiдомлень вiд штернет-речей i передача ix користувачам;
- збертання прийнято! шформацп та ii обробка;
- забезпечення користувацького штерфейсу з можливiстю двостороннього обмшу мiж користувачем i штернет^ччю.
Такий спосiб доступу е найбшьш рацiональним i часто використовуваним, оскшьки дозволяе перенести навантаження обробки запиив користу-вачiв з штернет-речей на централiзований сервер, тим самим розвантажуючи слабкий радiо-канал зв'язку штернет-речей, перерозподшяючи навантаження на дротовi канали зв'язку мiж сервером i користувачами.
Метод централiзованого сервера також надае надiйнi засоби зберiгання i обробки шформацп, дозволяе iнтернет-речам взаемодiяти один з одним i користуватися хмарними обчисленнями. Даний тдхвд може використовувати метод шлюзу для з'еднання локальних бездротових мереж з сервером.
У наведеному проект використовуеться метод локального сервера, яким виступае Raspberry Pi 3. 1.3. Взаeмодiя елементв
Бшьшють iнтернет-речей е самостшними при-строями, що передають деяку шформащю в базу даних для подальшо! обробки та передачi кшце-вим користувачам. Для збору, збертання, обробки, спрощення пошуку, контролю та вiзуалiзацil шформацп використовуеться локальний сервер управлiння iнтернет-речами, що включае в себе:
- модуль обробки шформацп;
- базу даних для збертання шформацп, що зби-раеться;
- iнтерфейс взаемодп з штернет-речами (деякий протокол, що пiдтримуеться вшма речами);
- систему контролю користувача доступу до речей, управлшня !х iерархiею, параметрами i фун-кцiоналом.
Останнiй пункт може бути перенесений на окре-мий локальний чи центратзований сервер i вине-сений на вiдокремлену систему управлшня, вщ-дiляючи один вiд одного базу даних, що збира-ються, i базу даних управлiння речами. Модуль обробки шформацп може проводити розпакування стисло1 для прискорення транспор-тування шформацп, проводити арифметичнi i логiчнi обчислення, класифiкацiю i перетворення прийнято1 шформацп до зрозумiлого формату сприйняття.
Для збертання шформацп з шдведенням деяко1 статистики, необхщно1 для мониторингу об'ектiв, а також надання актуальное' опублшовано1 шформацп всiм користувачам незалежно вiд 1'х часу шдключення використовуеться база даних.
Управлiння штернет-речами проводиться також через сервер. Користувач вщправляе команду на сервер управлшня, а bíh, у свою чергу, транслюе ïï адресату. Набiр команд управлшня повинен бути мшмальним i загальним для всiх штернет-речей для забезпечення повного вщдшення управлшня вщ даних. Це важлива вимога до штернет-речей, оскшьки дозволяе значно спростити обмш шформащею мiж користувачами i речами, а також зробити крок на шляху до стандартизацп методiв взаемодiï в 1нтернет речей i створення загального центру управлшня. Вщдшення керуючоï iнформацiï вщ даних перед-бачае видiлення мшмального набору команд i сутностей, над якими щ команди можуть бути виконаш. Наприклад, для вимикання лампочки, включення тостера або перемикання режиму зйомки вщеокамери можна виконувати одну i ту ж команду — запис. Даними в такому випадку будуть стани пристро1'в. Для отримання шформацп необхщно виконати зчитування поточного стану пристрою або окремо1' його складово1' час-тини.
2. Результати дослщження
Арх1тектура 1нтернету речей передбачае наяв-нiсть таких функцiональних рiвнiв: мережа дат-чикiв, шлюз, управлшня, додаток. Оскшьки ниж-нiй рiвень складаеться з датчикiв, сенсорiв та актуаторiв, то вiдразу ж виникае необхщшсть в специфiчних протоколах для забезпечення взае-модiï цих пристро1'в один з одним i верхшми рiв-нями. Стандартнi прикладнi протоколи не шдхо-дять через ix непристосованiсть до умов мережi 1нтернету речей. Датчик, зазвичай мiнiатюрний, з невеликою пам'яттю, вимiрюе фiзичнi параметри в режимi реального часу, найчастше в умовах низького енергозабезпечення. Результати вим> рювань обробляються сенсорним вузлом i пере-даються на сервер. Обсяг шформацп, що форму-еться одним сенсорним вузлом, порiвняно невеликий, проте бiльшiсть сервiсiв 1нтернету речей побудовано на принциш обробки шформацп вщ безлiчi вузлiв, що принципово вiдрiзняеться вiд арх1тектури, прийнятоï в класичних мережах, типу «абонент - вузол зв'язку» для телефонп, «ктент-сервер» - для передачi даних. IoT була застосована до пристроïв для полшшен-ня ïx характеристик на прикладi забезпечення перетворення топологи. Була застосована подписка на сервю Event Hub Azure IoT для польового експерименту. Рiзнi новi додатки обробки даних програмного забезпечення за допомогою фрейм ворка (Python Web Framework) i SQLight перебу-вають на стадп розробки для подальшого тдви-щення продуктивностi мережi i ефективносп обслуговування великоï кiлькостi пристроïв IoT.
2.1. Датчик-потенщометр
Нижче викладенi основнi концепцп перетворення трьох опорних Microsoft IoT проектiв: iндикатора, що блимае; IoT веб браузер; датчик-потенщометр [6]. В запропонованому проект був реалiзований потенщал мiкросxеми MCP3008, яка мае вюм несиметричних вxодiв. Нашi iнтелектуальнi результата можуть бути розглянуп на приклащ переходу вiд одного входу до двох вxодiв. Два поворотних потенцiометри i два свiтлодiоди LED пщключеш до аналого-цифрового перетво-рювача та Raspberry Pi 3. Аналого-цифровий пе-ретворювач на основi протоколу SPI був викори-станий для читання величини резисторiв i для управлшня LED на основi положення щiток по-тенцiометрiв.
Були використаш такi компоненти: два св^лодю-ди; два резистори 330 Ом; один резистор 10 кОм; один 10-б^ний аналого-цифровий перетворювач MCP3008; два 10 кОм тримерних потенщометри; Raspberry Pi 3 IoT; один макет i кшька дрота; Raspberry Pi 7" сенсорний рщкокристашчний екран.
Нижче (рис. 3) наведена шформащя щодо мiкро-схеми MCP3008.
CHÛ С 1 16 3VD0
СН1 С 2 15 1 VReF
СН2 С 3 3 14 1 AGND
СНЗ С 4 О и 13 D CLK
СН4 С 5 ы о 12 ] Ооит
СН5 с 6 о со 11 3D|n
СН6 С 7 10 3 CS/SHDN
СН7 С fi 9 1 DGND
Рис. 3. Аналого-цифровий перетворювач MCP3008
Мшросхема MCP3008 е 10-бггний аналого-цифровий перетворювач з вюьмома несиметрич-ними входами. Вш здатний формувати до 200 кшобайт в секунду.
Нижче (рис. 4) наведена шформащя щодо RaspberryPi3.
___n ■
Ezi^BG 11 1 ЕПЯШ
шата 1 ■ oc^IlS
ШЗШВ'С 11 К QD2ZZ
М1ММ1Ч 1 CEES^HI
Mi'jB4Ti | 1 теш;
Ш i
I i СЕЗЯИ
ЩЩГЗ i i ЕЗЕШЖ
G5TE3 гтттттм m i i стчтттт^и гегятя
BSBGQ 1 1 П< ""Л" ■
шптщ СЕЯВ
ЕЕЗЕИОЗ i
fH Иф 1 1 С2Ш;
ВМИГ::
Рис. 4. RaspberryPi3 Схема (рис. 5) була зiбрана в такий споаб.
Рис. 5. Схема з'еднання елеменпв IoT
Мшросхема MCP3008 була пiдключена так: MCP3008: VDD - 3.3V на Raspberry Pi 3; MCP3008: VREF - 3.3V на Raspberry Pi 3; MCP3008: AGND - GND на Raspberry Pi 3; MCP3008: CLK - «SPI0 SCLK» на Raspberry Pi 3; MCP3008: Dout - «SPI0 MISO» на Raspberry Pi 3; MCP3008: Din - «SPI0 MOSI» на Raspberry Pi 3; MCP3008: CS/SHDN - «SPI0 CS0» на RaspberryPi 3;
MCP3008: DGND - GND на Raspberry Pi 3; MCP3008: CH0 - повзунок нульового потенщо-метра;
MCP3008: CH1 - повзунок першого потенщомет-ра.
Червоний, зелений i синш свгглодюди були пщк-лючеш до контактiв з 4 до 6. Вщповщно змiннi були записанi у файл MainPage.xaml.cs ршення Microsoft Visual Studio.
2.2. Запуск запропонованого проекту IoT
Три частковi проекти: iндикатор, що блимае; IoT веб-браузер; i потенщометр були об'еднаш в еди-ний файл проекту (головна сторшка C#) рiшення Microsoft Visual Studio 2015. Мкросхеми MCP3008 i ARM для цiльовоï архiтектури були обранi в запропонованому проекта Mi^nmi цифри на екраш показують напругу, що змшюеться.
Величина напруги пропорцiйна величинi опору в цш схемi. Загалом ця напруга може бути викори-стана в рiзних ZigBee пристроях. Коли напруга бшьша, нiж половина дiапазону аналого-цифрового перетворювача, свiтлодiод включений. Дiапазон дорiвнюе 1024 для мшрос-хеми MCP3008. В шшому випадку, св^лодюд гасне.
2.3. "Багато-до-багатьох" iнтерфейс
Багато-до-багатьох штерфейс мае двi сторони: сторону сервера або шлюзу та сторону додатюв або шфраструктури. IoT пристрш було пщключе-но на сторош додаткiв, Microsoft Azure був пщк-лючений на сторонi сервера. В пристроï IoT за-стосовано ршення, що складаеться з трьох прое-ктiв: управлiння LED; IoT браузер; потенщомет-ричний датчик. Датчик вимiрюе вiсiм опорiв у
зiркоподiбнiй топологи. Поди збираються на до-датку Hub, потiк подiй анаштично обробляеться вiдповiдно налаштованим екземпляром IoT Hub на Microsoft Azure. Браузер IoT обробляе запит датчиюв та повертае вщповщь на сторону сервера, використовуючи функщю зворотного викли-ку, коли вона була надана (рис. 6).
Рис. 6. Ввдображення результапв вим1ру
Висновки
Аналiз можливостей альтернативного тдходу на прикладi застосування мови Python як ушверса-льно1 для рiзних операцiйних систем IoT показав таке. Експериментальш результати свщчать про ефективнiсть i стабiльнiсть роботи системи i3 застосуванням IoT на сторош додаткiв та дата-центру обробки даних Microsoft Azure - на сторош сервера. Лггература:
[1] The zigbee alliance: Foundation and Future of the IoT [Online] Available: http ://www. zigbee.org/the-zigbee-alliance-foundation-and-future-of-the-iot-by-john-e-osborne-ii-chairman-of-the-board/
[2] Zigbee Writes a Universal Language for IoT [Online] Available:
https://www.sdxcentral.com/articles/news/zigbee-writes-universal-language-iot/2017/01/
[3] STANDARDS: ZIGBEE CLUSTER LIBRARY [Online] Available:
http://www.zigbee.org/download/standards-zigbee-cluster-library/
[4] IEEE Standard for Low-Rate Wireless Networks. Sponsored by the LAN/MAN Standards Committee. IEEE Std 802.15.4™-2015. P. 510 [Online] Available: http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.15.4-2015.pdf
[5] Calabrese G. Symmetrical components applied to electric power networks. New York, Ronald Press co., 1959, 31-32.
[6] MS IoT samples [Online]. Available: https://github.com/ms-iot/samples/archive/develop.zip
Надшшла до редколегп 12.04.2017 Рецензент: д-р техн. наук, проф. Бараншк В.В. Безрук Валерш Михайлович, д-р техн. наук, акаде-мiк академп зв'язку Украши, професор, завiдуючий кафедрою «Iнформацiйно-мережева iнженерiя» ХНУРЕ. Адреса: Украша, 61166, Харшв, пр. Науки, 14. E-mail: valeriy bezruk@ukr.net Власова Вiкторiя Олександрiвна, канд. техн. наук, старший викладач кафедри «1нформацшно-мережева iнженерiя» ХНУРЕ. Адреса: Укра!на, 61166, Харк1в, пр. Науки, 14. E-mail: zlata_ne@bk.ru Кривенко Сташслав Анатолшович, канд. техн. наук, доцент кафедри «1нформацшно-мережева iнже-нерiя» ХНУРЕ. Украша, 61166, Харк1в, пр. Науки, 14. E-mail: Stanislav.Kryvenko@nure.ua Bezruk Valeriy, Doctor of Technical Sciences, professor, academician of the Ukrainian Academy of Telecommunications, Professor, Head of the Department of Information and network engineering, Kharkiv National University of Radio Electronics. Address: 14 Nauki avе, Kharkiv, Ukraine, 61166. E-mail: valeriy_bezruk@ukr.net Vlasova Viktoriya, Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer Department of Information and network engineering, Kharkiv National University of Radio Electronics. Address:14 Nauki avе., Kharkiv, Ukraine, 61166. E-mail: zlata_ne@bk.ru
Krivenko Stanislav, Candidate of technical sciences, associate professor of the Information and networkengineering department, Kharkov National University of Radioelectronics. Address: 14 Nauki avе, Kharkiv, Ukraine, 61166. E-mail: Stanislav.Kryvenko@nure.ua
