CC BY
36происходит одинаково под всеми стержнями, поэтому в (7) принята максимальная величина нагельной силы.
Выводы и перспективы исследований.
В результате теоретических исследований мы получили методику для определения крутильной жесткости железобетонного элемента любого поперечного сечения с нормальными трещинами при наличии любого количества продольной арматуры. Двутавровое сечение принято лишь для пояснения сути методики и получения аппроксимационной формулы определения взаимного смещения берегов нормальной трещины. Предложенный алгоритм определения жесткости можно распространить на элементы любого поперечного сечения. Методика отличается простым способом определением зависимости перемещения берегов трещины от ее высоты и учетом многорядного расположения арматуры. Преимуществом методики является ее простота и отсутствие надобности нового расчета каждый раз при изменении высоты трещины и изменении количества арматуры.
В перспективе предполагается разработка программы для ЭВМ и экспериментальная проверка разработанной методики.
Литература
1. ACI 318-11, Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary (ACI 318M-11), American Concrete Institute, Farmington Hills, 2011.
2. Azizov T. Calculation of reinforced concrete ceilings with normal cracks accounting the Chebyshev approximation / T.Azizov, O. Melnik and others // 6 th International Scientific Conference "Reliability and Durability of Railway Transport Engineering Structures and Buildings" Transbud-2017. - Kharkiv, April 19-21, 2017/ - S. 1-7.
3. BS EN 1990:2002+A1:2005, Eurocode: Basis of Structural Design (includes Amendment A1:2005), (2002) 21.
4. Kochkarev D. Bending deflection reinforced
concrete elements determination/ D. Kochkarev, T. Azizov and T. Galinska // Published online: at the MATEC Web of Conferences, 16 November 2018.
5. Азизов Т.Н. Жесткость железобетонных элементов при кручении и ее влияние на пространственную работу мостов // Мехашка i фiзика руйну-вання будiвельних матерiалiв та конструкцш// 36i-рник наукових праць. НАН Укра!ни. фгзико-мехлнститут ím.. В.Г. Карпенка. - Львiв, 2009. - С. 576-590.
6. Азизов Т.Н. Использование аппроксимаци-онных конечных элементов в расчетах конструкций / Т.Н. Азизов // Вюник Одесько! державно! академи будiвництва та архггектури. Вип. 39, частина 1. -Одеса: Зовшшрекламсервю, 2010. - С. 4-9.
7. Азизов, Т.Н. Определение крутильной жесткости железобетонных элементов с трещинами / Т.Н. Азизов // Дороги i мости. Збiрник наукових праць. К.: ДерждорНД1, 2007. - Вип. 7. Том 1. - С. 3-8.
8. Арутюнян Н.Х. Кручение упругих тел. / Н.Х Арутюнян, Б.Л. Абрамян. - М: Гос. Издательство физико-математической литературы, 1963. - 686 с.
9. Карпенко, Н.И. Теория деформирования железобетона с трещинами. / Н.И. Карпенко; - М.: Стройиздат, 1976. - 208 с.
10. Коуэн, Г.Дж. Кручение в обычном и предварительно напряженном железобетоне: Пер. с англ. / Г.Дж. Коуэн; - М.: Изд-во литературы по строительству, 1972. - 104 с.
11. Рекомендации по проектированию стальных закладных деталей для железобетонных конструкций / НИИЖБ. -М.: Стройиздат, 1984. - 87с.
12. Срiбняк, Н.М. Крутильна жорстшсть заль зобетонних елеменпв перекритпв з нормальними
трщинами: автореф. дис..... канд. техн. наук
05.23.01 / Срiбняк Наталiя Микола!вна; Одеська державна академiя будiвництва та архггектури. -О., 2009. - 23 с.
13. Тимошенко С.П. Теория упругости. -М.:ОНТИ, 1934. - 451с.
ДОСЛ1ДЖЕННЯ I РОЗРОБКА Р1ШЕНЬ 1НТЕРНЕТУ РЕЧЕЙ ШИРОКОГО ЗАСТОСУВАННЯ
Уривський Л.О.
д.т.н., проф., Зав. кафедри телекомункацтних систем,
Мошинська А.В.
к.т.н., доцент кафедри телекомуткацшних систем,
Осипчук С.О.
к.т.н., ст. викладач кафедри телекомункацтних систем,
Киращук В.В.
магктрант кафедри телекомункацшних систем Нацюнальний технгчний унгверситет Украти "Кшвський полтехнгчний iнститут 1мен11горя Сжорського "
IOT SOLUTIONS RESEARCH AND DEVELOPMENT FOR WIDE RANGE APPLICATIONS
Uryvsky L.,
ScD, Prof., Head of Telecommunication systems dept.
ORCID 0000-0002-4073-9681 Moshynska A.,
PhD, Doctoral student, Assistant Prof. in Telecommunication systems dept.
ORCID 0000-0002-6582-9421 Osypchuk S.,
PhD, Senior Lecturer in Telecommunication systems dept.
ORCID 0000-0002-6174-2986 Kyrashchuk V.
Magister-Student in Telecommunication systems dept. Igor Sikorsky Kyiv polytechnic institute, Kyiv, Ukraine
АНОТАЦ1Я
В робот представлен концептуальш основи побудови IoT мереж та вщзначено KTO40Bi технолопчш напрямки розвитку IoT, як вщомого i прогресивного напряму розвитку сучасних шформацшно-комушка-цшних технологiй. Робота включае аналiз теоретично-практичного характеру застосуншв i рiшень IoT, в масштабi Укра!ни та в свгту. Вiдначено ключовi напрямки розвитку IoT. Розглянуто телекомунiкацiйнi рiвнi i задачi, проаналiзовано необхiднiсть впровадження IoT в Укра!ш та зазначено сфери застосування IoT в Украíнi. Представлено результати розробки архiтектури та практично! iмплементацii IоТ-рiшення широкого застосування на базi плати ESP8266 та точки доступу Mikrotik RB951G.
ABSTRACT
The paper presents the conceptual foundations for constructing IoT networks, and highlights the key technological trends in the IoT solutions development. IoT is as a well-known and progressive trend in the development of modern information and communication technologies and their applications. This paper includes the analysis of theoretical and practical nature of IoT applications and solutions, on a scale of Ukraine and on the world scale. The key directions of IoT development are determined. The telecommunication levels and tasks are described, and the necessity of implementation the IoT in Ukraine and the areas of IoT applications are analyzed. The development results of architecture and practical implementation of the IoT-wide solution based on the ESP8266 board and the Mikrotik RB951G access point are presented.
Ключовi слова: IoT, архитектура, додатки, рiвнi телекомушкацш, Укра!на, ESP8266.
Keywords: IoT, architecture, applications, telecommunication levels, Ukraine, ESP8266.
Вступ. 1нтернет речей (англ. IoT - Internet of Things) - ввдомий i прогресивний напрям розвитку сучасних шформацшно-комушкацшних техноло-гш.
1снуе безлiч рiзних визначень IoT. Наведеш нижче визначення в рiзних аспектах описують по-няття 1нтернету речей:
• 1нтернет речей - концепщя обчислювально! мереж фiзичних предмепв («речей»), оснащених вбудованими технологiями для взаемоди один з одним або з зовшшшм середовищем, яка розглядае органiзацiю таких мереж як явище, здатне перебу-дувати економiчнi та суспiльнi процеси, що виклю-чае з частини дiй i операцiй необхiднiсть участi лю-дини;
• 1нтернет речей - це система взаемопов'язаних сенсорiв i обчислювальних пристро!в, механiчних i цифрових машин, об'екттв, тварин або людей, яю забезпеченi унiкальними iдентифiкаторами i здатш-стю передавати данi по мережц не вимагаючи взае-модii ввд людини до людини, або людиш взаемодiя з комп'ютером;
• 1нтернет речей - це мережа фiзичних при-стро!в, транспортних засобiв, побутово! технiки та iнших предметiв, оснащених електрошкою, програ-мним забезпеченням, датчиками, технолопями зв'я-зку, якi дозволяють цим речам пiдключатися до ме-
режi передачi даних i обмшюватися даними, ство-рюючи можливостi для бшьш прямо! iнтеграцií фь зичного свiту в комп'ютернi системи, що призво-дить до пiдвищення ефективносп, економiчним ви-годам i скорочення людських навантажень.
Загальним для цих визначень е воображения iдеí 1нтернету речей, яка полягае в розробщ всiх або бiльшостi об'ектiв («речей») з вбудованим телеко-мунiкацiйним шдключенням, так що можна оргаш-зувати !х монiторинг, контроль i управлшня за до-помогою зв'язку через локальну мережу або мережу 1нтернет.
Напрям IoT активно всебiчне розвиваеться, по-чинаючи вiд технологiй фiзичного рiвия i закiичу-ючи бiзнес-моделями i процесами для ефективного впровадження IoT-технологш в життя людини, саме тому цей напрям дослiдження i вибраний в да-нiй роботг
Дослiдницька група Gartner, будучи провщною свiтовою дослiдницькоí та консультацiйно! компа-нi!, прогнозуе, що в цьому роцi буде використову-ватися 34,8 мшьярда пiдключених пристро!в, а до 2020 року !х число досягне 50,1 мiльярдiв, що пока-зуе постiйний i дуже активне зростання таких при-стро!в.
Отже, актуальшсть роботи пiдкреслюе той аналiз теоретично-практичного характеру застосу-вань i ршень IoT, який мiститься у ще! статтi.
Перейдемо до аналiзу концепцп побудови рь шень та архггектур IoT.
1. Концепцiя побудови та архитектура IoT 1.1. Ключовi напрямки розвитку IoT
Gartner, Inc., провгдна свггова науково-дослщ-ницька та консультацшна компанiя, видiлила 10 на-прямшв розвитку 1нтернету речей (IoT), як дозволять органiзацiям використовувати повний потен-цiал IoT.
Безпека IoT. IoT представляе широкий спектр нових загроз безпецi i проблем для самих пристро!в IoT, !х платформ i операцiйних систем, !х комушка-цiй i навiть систем, до яких вони пiдключенi. Технологи безпеки потрiбнi для захисту пристро!в i платформ IoT як вгд iнформацiйних атак, так i вгд фiзичного втручання; для шифрування !х повщом-лень i для виршення нових завдань, таких як уосо-блення «речей» або iнших видiв атак, як1 виснажу-ють заряд батаре!. Досвiдчених фахiвцiв з безпеки IoT мало.
Аналгтика IoT. Бiзнес-моделi IoT використо-вують iнформацiю, зiбрану «речами» рiзними способами - наприклад, зрозумiти поведiнку клiентiв, надавати послуги, покращувати продукти, а також ГдентифГкувати i перехоплювати бГзнес-ще!. Однак IoT вимагае нових аналп'ичних пiдходiв.
Управлiння пристроями IoT. Це включае в себе монiторинг пристро!в, прошивку i оновлення програмного забезпечення, дiагностику, аналiз i звiтнiсть про збо!, фiзичне управлiння i управлiння безпекою. IoT також приносить новi завдання масштабу в задачу управлшня. 1нструменти повиннi бути здатнi керувати i контролювати тисячi i, мож-ливо, навiть мiльйони пристро!в.
Малопотужш мереж1 IoT для коротких ввдс-таней. Вибiр бездротово! мереж1 для пристрою IoT включае в себе балансування багатьох суперечли-вих вимог, таких як дiапазон частот, час автономно! роботи, пропускна здатшсть, к1льк1сть пристро!в, вартiсть рiшення i експлуатацiйнi витрати. Малопо-тужнi мереж! з малим радiусом дi! будуть домГну-вати в бездротовому пiдключеннi IoT до 2025 року, що набагато перевершують чисельш з'еднання з ви-користанням широкосмугових мереж IoT. Однак комерцшш i технiчнi компромюи означають, що ба-гато рiшень будуть сшвюнувати.
Малопотужнi мережi IoT для значних ввдс-таней. Традицiйнi стшьниковГ мереж! не забезпечу-ють хорошого поеднання технiчних характеристик i експлуатацiйних витрат для тих додатк1в IoT, яш потребують широкосмугового охоплення в поед-наннi з вгдносно низькою пропускною здатшстю, хорошим часом автономно! роботи, низькими тех-шчними i експлуатацiйними витратами, i високою щшьшстю абонентiв.
Довгостроковою метою широкосмугово! ме-реж1 IoT е доставка даних вгд сотень бГт в секунду (бгт/с) до десятков к^лоби1 в секунду (кбгт/с) Гз зага-льнонацiональним охопленням, термiн служби батаре! до 10 рошв, вартiстю к1нцево! точки облад-нання близько 5 доларiв США i шдтримкою сотень тисяч пристро!в, пгдключених до базово! станцп.
Процесори пристроТв IoT. Процесори i архь тектури, як1 використовуються пристроями IoT, ви-значають багато з !х можливостей, наприклад, чи здатш вони забезпечити надшний захист i шифрування, енергоспоживання, чи достатньо вони до-сить складнi для шдтримки операцшно! системи, оновлювано! прошивки i агенпв управлiння вбудо-ваними пристроями.
Операцiйнi системи IoT. Традицшш опера-цшш системи (ОС), так як Windows i iOS, не були призначеш для додатшв IoT. Вони споживають за-надто багато енергi!, потребують швидких процесо-рГв, а в деяких випадках не мають таких функцш, як гарантовану вгдповгдь в реальному часг Вони також мають занадто великий обсяг пам'ятi для невеликих пристро!в i можуть не тдтримувати чши, як1 використовують розробники IoT. Отже, розробле-ний широкий спектр операцшних систем, специфь чних для IoT, для задоволення безлiчi рГзних технi-чних характеристик обладнання та особливостей функцш.
Обробка потоку подш. Деяк1 додатки IoT ге-нерують надзвичайно висок1 швидкосп передачi даних, як1 необх1дно аналГзувати в реальному час!. Системи, що створюють десятки тисяч подш в секунду, е загальними, i мшьйони подш в секунду можуть виникати в деяких телекомушкацшних та те-леметричних ситуащях. Для виршення таких вимог розроблеш розподшеш потоков! обчислювальш платформи.
Платформи IoT. Платформи IoT об'еднують багато компоненпв шфраструктури системи IoT в один продукт. Послуги, що надаються такими платформами, шдроздГляються на три основш категорий
1) Управлшня та операци на рГвш низького рь вня, так1 як зв'язок, мониторинг i управлшня прист-роями, безпека та оновлення прошивки;
2) ЗбГр, трансформащя i управлшня даними
IoT;
3) Розробка додатшв IoT, включаючи лопку, керовану подГями, прикладне програмування, вГзу-алГзацш, аналгшку i адаптери для шдключення до корпоративних систем.
Стандарти IoT. Бшьшють стандарта IoT в концевому подсумку матерГатзуються як штерфейси прикладного програмування (API) або у виглядГ ш-ших реалГзацш фГзичного, прикладного, представ-ницького або шших рГвшв моделГ OSI. Стандарти та пов'язаш з ними API-штерфейси матимуть важ-ливе значення, осшльки пристро!в IoT необх1дно взаемодГяти, i багато бГзнес-моделГ IoT будуть пок-ладатися на обмш даними мГж дек1лькома пристроями та оргашзащями. Докладшший аналГз представлений Gartner у звт «Top 10 IoT Technologies for 2017 and 2018», в якому розглядаються необхгдш кроки зГ створення i розгортання стратег!! IoT.
Розглянемо основш компоненти архггектур IoT, для визначення наступних крошв реалГзаци прикладного ршення IoT.
1.2. Еталонна архiтектура рiшень IoT
Слд зазначити калька аргумента на користь доцiльностi i необхвдносп еталонно! арх1тектури для 1оТ:
1. Пристро! 1оТ пов'язанi мiж собою i центром управлiння - тому юнуе необхiднiсть iснування способу взаемодп всiх компонент системи.
2. Вже е мтярди пристро!в 1оТ, i число зрос-тае щороку мтярдами; необх1дна архiтектура для масштабованостi системи.
3. Пристро! можуть не мати користувальниць-ких iнтерфейсiв i зазвичай призначенi для «повсяк-денного» використання, тому необх1дно тдтриму-вати автоматичш та керованi поновлення, а також мати можливють вщдаленого управлшня цими при-строями.
4. IoT-пристро! дуже часто використовуються для збору i аналiзу персональних даних. Ключовою вимогою е модель управлшня щентифшащею i контролем доступу для пристро!в 1оТ i даних, як1 вони публ^ють i споживають.
Вимоги до еталонноТ архiтектури. 1снують деяк1 специфiчнi вимоги до 1оТ, як1 е ушкальними для пристро!в 1оТ i середовища, як1 !х пiдтримують. Наприклад, багато вимог випливають з обмежених формфакторiв i потужностi, доступних для при-стро!в 1оТ. Iншi вимоги виходять з того, як вигото-
вляються i використовуються пристро! 1оТ. Зви-чайно, iснуе ряд юнуючих передових методiв для обчислювально! та комушкацшно! частини, як1 не-обхвдно запам'ятати i враховувати. Можна видшити вимоги по ключовим категорiям:
1. Обмш даними i зв'язок.
2. Управлшня пристроями.
3. Збiр i аналiз даних, отримання шформацп, формування ввдгуку на iнформацiю.
4. Масштабовашсть.
5. Безпека.
6. Вщмовостшшсть.
7. Iнтеграцiя та унiфiкацiя.
Таким чином, архитектура 1оТ сервiсу повинна враховувати зазначеш фактори i обставини, а в тд-сумку - задовольняти поставленим вимогам до ме-режi 1оТ.
Наприклад, одна з проввдних компанiй з мере-жних i обчислювальних технологiй, Cisco, пропо-нуе наступну багаторiвневу архiтектуру 1оТ (рис. 1), за аналогiею з рiвнями моделi OSI. Як можна ба-чити з рис. 1, архитектура включае компоненти, по-чинаючи ввд к1нцевих пристро!в (сенсорiв), техно-логiй фiзичного рiвня i комушкацшних протоколiв, i зак1нчуючи рiвнями бiзнес додатк1в i застосувань 1оТ ршень.
Рис. 1. Багаторiвнева архтектура 1оТзгiдно концепци Cisco
У свою чергу, на кожному рiвнi мають мiсце бути протоколи i стандарта (на рис. 2 нижче ввдображеш таю, що найбiльш часто використовуються, ^ звичайно ж, далеко не всГ), за якими можна оргашзувати передачу даних вiд датчиков ^^ !х обробку i представлення.
Рис. 2. Протоколи i стандарти, що використовуються в зaлежностi eid реал1зацш на р1зних pieHMX мо-
делi IoT
1.3. Телекомушкацшш |)irnii i задачi
Розглянувши компоненти пропонованих архитектур IoT, можна видшити ключовГ етапи i компоненти будь-якого IoT ршення (табл. 1).
Таблиця 1.
Ключовi рияи i завдання IoT_
№ Телекомушкацшний рь вень Завдання, як виршуються на рiвнi
1 ЗбГр шформаци вщ об'ек-пв IoT - Перетворення вщгуку датчика в сигнал - Передача сигналу до найближчого вузла транспортування (IoT hub, router, i ш.)
2 Транспортування шформаци до пункпв прий-няття ршення - Передача шформаци вщ вузла збору шформаци (наприклад, IoT хаба) до Пукто централГзованого збору шформаци, Г! аналГзу, статис-тично! обробки та прийняття ршення
3 Транспортування шформаци шсля прийняття рь шення - Передача шформаци защкавленим або шшим релевантним особам або службам з метою шформування або керГвництва до ди - реакци на вщгук IoT пристро!
У раз! реатзацп системи IoT, зазначеш три рГвня покривають весь спектр завдань, вгд отримання вщгуку на подш до реакцп на нього залученими сторонами.
Таблиця 2.
Технологи передачi даних, цшьове застосування в мережах, стандарти, зона покриття, пропускна здатшсть, вимоги щодо енергоспоживання i сфера застосувань.
Technology Network Standards based or Proprietary Range Throughput Energy requirement Adoption
LoRa LWPA Proprietary (Semtech) High Low Low Moderate
NWave LWPA Proprietary (NWave) High Low Low High
RPMA LWPA Proprietary (OnRamp Total Reach) High Low Low High
SlgFox LWPA Proprietary (SigFox) High Low Low Moderate
LTE-M 3GPP/LTE Standards based (3GPP) High High Low Upcoming
NB-loT 3GPP/LTE Standards based (3GPP) High Moderate Low Increasing
NB-CloT 3GPPA.TE Standards based (3GPP- HuavM?i Qualcomm) High Moderate Low Upcoming
NB-LTE 3GPP/LTE Standards based (3GPP- Ericsson) High Moderate Low Upcoming
Bluetooth Bluetooth Standards based Moderate Low Moderate Limrted WearaOles
ZigBee 80215 4 Standards based (802.154) Low High Moderate Limited PAN & Home
Thread 80215 4 Standards based (802.154) Low High Moderate Upcoming
Z-wave Proprietary Proprietary (Sgma Design) Low Low Moderate Very Low Home Automation
WiFi 802.11 Standards based Moderate High High Very high
WiFi HaLow 802 11 ah Standards based High High Low Upcoming
HEW 802 11ax Standards based Moderate High Moderate Upcoming
Отже, можна бачити, що юнують рiзноманiтнi подходи, протоколи i концепцi! щодо побудови рь шень та архитектур IoT, i в кожному окремому ви-падку потрiбен дуже детальний аналiз для вибору правильного ршення. Перейдемо до аналiзу необ-хiдностi впровадження IoT в Укра!ш. 2. Стан впровадження та необхщшсть 1оТ в Ук-раТш
2.1. Аналiз необхiдностi впровадження IoT в УкраТш
Потреба 1оТ для Укра!ни схематично ввдобра-жена на рис. 3. Як можна бачити, сфери застосування 1оТ в Укра!ш найрiзноманiтнiшi, так1 як транспорт, охорона здоров'я, медицина, виробництво, агропромисловють, розумнi будинки i мюта, природа, сiльське господарство i багато iнших. При цьому ктентами можуть бути i е як фiзичнi, так i юридичнi особи вщповвдно, в залежностi вiд сфери реалiзацi! 1оТ.
Важливо ввдзначити, що на сьогодш в Украíнi хоч i е деяк1 локально реатзоваш проекти 1оТ для рiзних споживачiв (наприклад, розумний будинок -для фiзичних осiб, розумне мiсто - деяш сервiси
так1 як електрозаправки, парковки, i iн.), Але немае жодного комплексного провайдера послуг 1оТ для будь-якого споживача, якого 1оТ провайдер змiг би задовольнити по вам запитам i надати комплексне ршення послуг на територií' Укра!ни (i навiть нi в одному шсп), не кажучи вже про гарантований су-проввд та надання сервiсiв провайдером 1оТ послуг або шляхом залучення третiх сторiн при необхвдно-стi. Данi факти показують те, що розвиток 1оТ в Ук-ра!ш знаходиться на дуже початковому етапi i багато ще не зроблено в напрямку як1сного впровадження широкого спектру послуг 1оТ в Украш.
В першу чергу, необхщно розумiти, що технологи 1оТ привносять значну оптимiзацiю ресурсiв i економiю кошпв, наприклад, комунальним тдпри-емствам. Це автоматизащя процесiв збору даних з рiзних сенсорiв, будь то лiчильники води, тепла, та iнших видiв енергооблiку. Маючи такий шстру-мент, тдприемства сфери ЖКГ, наприклад, можуть отримувати деталiзовану iнформацiю про витрати, недоотриманих засобах i проаналiзувати щ данi, зробивши прогнози на закушвлю за квотами тепла, електрики та ш.
>
IoT concept and applications
po-cri
Transpo rt
Manuf Health acture
All-Ukrainian National IoT Service Provider №
m
Things and sensors
Data collection and processing Customer service infrastructure support
Smart City
3rd parties to provide services
Response
convertor to Telecommunication telecom signal infrastructure
Ки1°ваодоканал
КИ1ВЕНЕРГО
Рис. 3. Схематичне представления потреб впровадження послуг IoT на mepumopiï Украти
2.2. Сфери застосування 1оТ в Укршш
З причини масового поширення 1оТ в рiзних сферах дiяльностi, можна класифiкувати послуги та областi застосування 1оТ, що дозволяе бiльш точ-ково визначати вимоги до техшчно! системи для на-дання вщповщних послуг 1оТ. Наприклад:
• Мониторинг промислових об'ектiв: о Контроль температури
о Контроль тиску в паливних баках о 1дентифжащя витоку речовини о Контроль вiбрацii о Ошгашзащя споживання енергii о Контроль датчишв для лiчильникiв води, газу, електрики
• Застосування в мютах/будинках: о «Розумне» мюто
о «Розумна» парковка
о Мошторж всiх вiльних / зайнятих мюць на парковцi
о Мережа електрозаправок о Монiторiнг громадського транспорту о Служба таксi
• «Розумний» будинок: о Контроль температури о Контроль датчиков диму
о 1дентифжащя витоку води о Оптiмiзацiя споживання енергп
• Агрокомплекс:
о Мотторж температури о «Розумний» полив о Вiдстеження розташування тварин о Контроль вологосп грунту о Мониторинг транспортних засобiв
• Перевезення вантаж1в
• Охорона здоров'я:
o Датчики контролю стану здоров'я пащенпв
o Вгддалений мониторинг i передача даних про стан здоров'я
Даний список можна продовжувати безшнечно довго, - проте його метою е власне показати, що га-лузей i областей застосування технологш IoT в Ук-ра!ш i свт е дуже багато, i наразГ в Украш такого роду застосунки i послуги знаходяться на початко-вому етат впровадження i ще багато чого можна оптимГзувати з метою полшшення якосп життя та економп ресурав.
У зв'язку з цим, в данш робот виконано прак-тичну частину з розробки ушверсального ршення для IoT, яке можна впроваджувати i оптимГзовувати для рГзних сервгав i потреб.
Наступний роздш описуе складов! компоненти та реалГзацш запропонованого ршення IoT. 3. Практична iмплементацiя lоТ-рiшення широкого застосування на базi плати ESP8266 та точки доступу Mikrotik RB951G стандарту IEEE 802.11n
3.1. Архiтектура запропонованого IoT рiшення
В рамках практичного експерименту, посталена i виршена задача Гмплементацп ршення IoT стосовно забезпечення роботи сфер дГяльностГ лю-дини на основ! сполучення рГзномаштних сенсорГв i новгтшх телекомушкацшних ршень. На рис. 4 представлена узагальнена схема IoT ршення, а Т! реалГзована частина видшена суцшьною жирною лшею.
Рис. 4. Архтектура запропонованого i реал1зованого IoTршення
Сфери застосування 1оТ, в яких може засто-совуватися запропоноване ршення:
1) домашня (охорона, температура, волопсть, вщкриття/закриття, розетки);
2) комунальна (лiчильники електрики, тепла);
3) промислова (контроль заряду батаре!, наяв-ностi витоку газу, охорона, температура).
Мета експерименту полягае в апаратно-про-грамному вiдпрацюваннi елеменпв технологiй 1оТ для сполучення датчиков з комплексом шформа-цiйно-комунiкацiйних компонент.
Завдання: побудувати прикладне ушверса-льне рiшення 1оТ з датчиками температури, волого-стi, вiдкритгя/закритгя, освiтлення, з використан-ням сучасних iнформацiйно-комунiкацiйних техно-логiй для передачi даних вщ сенсорiв в автономний незалежний ввд мереж1 1нтернет центр обробки даних i з можливiстю доступу до них абонента з мо-бшьного термiналу.
Етапи виконання завдання:
1. Пошук i виб1р апаратних i програмних компонент для створення 1оТ рiшення:
- Проаналiзовано та обранi апаратнi засоби, 160 варiацiй, i !х компоненти,
- Проаналiзовано та обранi програмнi засоби, шструменти, операцiйнi системи i мовш платфо-рми,
- Проаналiзовано провайдери клауд технологш для рiшень 1оТ з 123 найбшьш розповсюджених.
2. Сполучення ceHCopiB IoT з комплексом ïh-формацiйно-комунiкацiйних компонент.
3. Iмплементацiя прикладного ршення IoT
для обраних сфер застосування IoT.
Дане ршення складаеться з 3-трьох частин:
1. Серверно'1 частини, яка представляе собою web-сервер, який встановлений на ПК, та мае ште-рфейс WiFi. На сторош сервера зберiгаеться шфор-мащя, яка поступае ввд датчиков, а також викорис-товуеться для доступу кшцевих користувачiв до даних ввд сенсорiв.
2. Мережево'1 частини, яка в даному прик-ладi являе собою точку бездротового доступу ввд виробника Mikrotik стандарту IEEE 802.11, модель RB951G.
3. Сенсорно'1 частини, представлено! контролером ESP8266, з шдтримкою стандарту 1ЕЕЕ 802.11, для тдключення до точки доступу i переда-вання даних ввд сенсорiв.
3.2. Огляд компонент апаратно!' частини запропонованого ршення IoT
В якосп основного пристрою вибрано WiFi плату NodeMCU V3 ESP8266, що мае безпроводо-вий штерфейс передачi даних стандарту IEEE 802.11.
Рис. 5. WiFi плата NodeMCU та схема ii будови
NodeMCU представляе собою плату розробника на 6a3i чипу ESP8266 (верая ESP12E), яка представ-ляе собою UART-WiFi модуль з ультра низьким споживанням. ESP8266 мае характеристики:
• WiFi стандарту 802.11 b / g / n
• Вбудований стек протоколiв TCP/IP з тдтримкою множинних клiентських пiдключень (до 5)
• Живлення: 4.5 - 9 В, 5В живлення вiд USB
• Швидшсть передaчi: 110 - 460800 б/сек
• Розмiри плати 48х26мм
• Дiaпaзон робочих температур: -40 - +125 град.С
• Маса: 18 г
Макетна плата для тдключення компонент, обрана моделi МВ-102 на 830 отворiв. Дана макетна плата дозволяе без пайки створювати попередш електроннi проекти для 1х тестування, перевiрки i налаго-
дження перед остаточним монтажем. Розьпри макетно! плати MB 102 165x56 мм.
Рис. 6. Макетна плата MB102
Модуль живлення для макетноТ плати призначений для живлення 6,5 - 12В. На плал е USB вихвд-ний роз'ем для живлення 5В пристро!в з USB роз'емом.
Рис. 7. Модуль живлення
Датчик DHT11 - це цифровий датчик температури i вологостi, що дозволяе катбрувати цифровий сигнал на виходг Складаеться з емнiсного датчика вологосп i термiстора. Також, датчик мютить в собi АЦП для перетворення аналогових значень вологостi i температури.
Рис. 8. Датчик DHT11
Датчик закриття/вщкриття МС-38. Цей датчик використовуеться для сигнатзування вщкриття дверей, вшон i т.д. У комплект - датчик i магнгг. Коли магнiт перебувае близько до датчика, контакти датчика замкнеш \ розмикаються при ввдкритп дверей.
4
Рис. 9. Датчик закриття^дкриття МС-38
Цифровий датчик освггленосп GY-302 на чит BH1750 призначений для вимiрювання фонового освгглення. Мае високу чутливють i послiдовний iнтерфейс I2C. Спектр чутливосп збiгаeться з кривою чутливосп людського ока.
Рис. 10. Цифровий датчик освтленостi GY-302
3.3. Програмне налаштування запропонованого ршення IoT
Для роботи вибрано програмне забезпечення Arduino IDE. Для початку потрГбно додати плату в нала-штуваннях через «Менеджер плат». Дал вибрати NodeMCU 1.0 (ESP-12E Module). Також, необхвдно виб-рати швидшсть завантаження шформаци в контролер, наприклад 115200 бпУс.
Шдключаемо плату MicroUSB-кабелем до комп'ютера. Так ми подаемо на не! живлення i можемо пе-редавати на не! скетчГ - коди програм, як1 плата повинна виконувати. Попередньо потрГбно встановити драйвер для порту СОМ.
Рис. 11. Шдключення контролера i ceHcopie
Завдання першого тестового скетчу просте - пiдключити NodeMCU до WiFi точки, з метою з'еднання датчика з мережею 1нтернет. У кожному скетчi потрiбно iмпортувати бiблiотеки: для плати i датчикiв, щоб приймалися команди.
Як видно з рис. 12, в скетчi вказано назву WiFi мережi, до яко! повиннi бути пiдключенi датчики, i пароль. В результат консоль виводить 1Р адресу, яку отримав модуль.
Рис. 12. Шдключення до WiFi мережi Пддтвердження тому список шдключених пристро!в на WiFi роутсрк
ZyXBL KflHiel
Сне i егчмый псншир
Гпигок пйлклн>ч*ч|нмч Wi F i yf.ipiiAfTH
I Гни IP-W*- Ппдонп E 7QMD МГц BS Гтжп I
Сеть Нот? [АспгаЛйп!, 'iЛ ГГц|
■тип ■ ЯП№№| Ч!1Ц1 1С ajgj < ■ щ,т Л) <H M-1C5C
iu.tKm жп . Ljfi.i1 Ш IH 1Í.H:2I ш
=ЕР_ 11GP ífl 1.11 J 0 01 Jl.l
Рис. 13.1дентифжащя тдключення контролера IoT до WiFi роутера
3.3.1 Робота з датчиками. Наступна схема - з датчиком температури i вологосп. Першим варiантом реалiзацii скетчу е виведення даних на консоль:
DHT11 Nick22
include <SirnpleDHT . h>
// for DHT11, // VCC: 5V or 3V
/ / GND: GND
/ / DATA: 2
int pin.DH.Tll = 5; SimpleDHTll dhtll;
void setup() {
Serial.begin(1152 00);
void loopC) {
// start working...
Serial.println("-------------------
Serial.printIn("Sample DHTll.. .") ;
Sample Sample DHTll. OK: 28 аз H
Sample Sample DHTll. OK: 28 76 H
Sample Sample DHTll. OK: 28 'cr 73 H
Sample Sample DHTll. OK: 28 70 H
Sample DHTll... Sample OK: 28 68 H
1^1 Автопрокругка
// read without samples, byte temperature — 0; byte humidity — 0; int err = SimpleDHTErrSuccess;
if ((err = dhtll.read(pinDHTll, ¿temperature, fihumidity, NULL)) != SimpleDHTErrSuccess) {
Serial.print("Read DHTll failed, err="); Serial.println(err);delay(1000) ; return;
Serial.print("Sample OK: ");
Serial.print((irt)temperature); Serial. prinr. ( " ^C, "); Serial. print ((int) humidity) ; Serial. println ( " H." ) ;
// DHTll sampling rate is 1HZ. delay(1500);
Рис. 14. Bueid даних на консоль порту
Реалiзацiя ще! ж схеми з датчиком температури i вологостi, тiльки з подачею живлення з призначено!
для цього плати:
Рис. 15. Шдключення зовншнього джерела живлення
Шдключення датчика вщкриття-закриття:
Рис. 16. Шдключення датчика закривання^дкривання, та виведення результату на екран
3.3.2. Датчик освггленосп BX1750. При щдключенш i налаштуванш датчика освггленосл, оримано наступний результат: Light 115 lux. При цьому значення змiнюeться, як i очiкуeться, в залежносп вщ рiвня освiтленостi.
Рис. 17. Схема тдключення датчика освтленостi
3.3.3. Програмш засоби Blynk для побудови автономного IoT сервера. Blynk Server - це Java-сервер i3 вщкритим вихiдним кодом, який вЩповЬ дае за пересилання повiдомлень мiж мобiльною програмою Blynk та рiзними платами мшроконтро-лерiв та SBC (наприклад, ESP8266, Arduino, Raspberry Pi та iнших). Blynk розроблений для 1нте-рнету речей. До основних функцш входить:
- контролювати апаратне забезпечення ввдда-лено;
- ввдображати данi датчикiв;
- збертати данi;
- вiзуалiзувати отримаш данi i тд.
У платформи три основ!ii компоненти:
o Blynk App - дозволяе створювати диво-вижнi iнтерфейси для ваших проекпв за допомогою рiзних вiджетiв.
o Blynk Server - вiдповiдальний за вс кому-нiкацii мiж смартфоном i апаратним забезпеченням. Можна скористатися хмарним ршенням Blynk або запустити свiй приватний Blynk server локально. Це ввдкрите джерело, вiн може легко обробляти тисячi пристроiв i навiть може бути запущений на Raspberry Pi.
o Blynk Libraries - для вах популярних апа-ратних платформ - дозволити спiлкування з сервером i обробляти всi вхвдш та вихiднi команди.
3.3.4. Запуск локально сервера Blynk
1. Для запуску локально].' версп сервера Blynk потрiбно встановити пакет Java 8/9 верси. Для запуску веб-серверу використовуеться термшал для Unix-подiбни
java -jar server-G.32.1.jar -dataFolder /path
де /path — шлях до тимчасових файлiв.
Далi n0Tpi6H0 перейти у Be6-6pay3epi за ввдповвд-ною адресою, наприклад 127.0.1.1:9443/admin, для доступу в адмш-панель сервера.
2. В мобшьному додатку потpiбно вибрати ва-piант створення облiкового запису для локально ви-користання (смартфон, сервер i мiкpоконтpолеp ма-ють знаходитись в однш локальнiй меpежi для пер-шого налаштування). Пiсля створення облжового запису на стоpiнцi Users буде вщображено нового користувача i його даш Далi в мобiльномy додатку потpiбно створити пpистpiй для отримання AuthToken-a.
0|>т-< Administration
3. Для тдключення ESP8266 до сервера потрь бно за допомогою програмного засобу Arduino IDE вигрузити в пам'ять ESP спецiалiзований скетч вiд Blynk. Для з' еднання ESP з сервером потpiбно вка-зати в скетчi AuthToken, який ми отримаемо на сто-piнцi облiкового запису, а також даш WiFi мереж
Далi потpiбно налаштувати вiджети для зада-них датчикiв, наприклад для датчишв температури та вологостi.
Рис. 18. Панель налаштування датчиюв на сторон сервера
4. Шсля аунтентифшацп пристрою з сервером, в мобшьному додатку з'являться даш з датчишв, як шдключенш до ESP а також з'являться в адмш-па-нелi сервера, де можна отримати докладну шформа-цiю про них.
5. На даному етапi пеpевipено засоби push-по-вiдомлень даного сервера. Налаштовано скетч-файл для ESP на вщправку попереджуючого повщом-лення при досягнеш температури 18 гpадyсiв. Повь домлення надходять з мiнiмальною затримкою на смартфон.
DHT11 - Notification The temperature>18 degrees
OK
Рис. 19. Скриншот Android-смартфону з нотифшащею про перевищення температури заданого порогу
на датчику
На рис. 22 представлений зразок екрану з шфо-рмащею ввд датчиков, яку можна спостертати в ре-жимi реального часу (затримка 1-2 секунди). Потiк шформацп органiзований за централiзованим принципом, а саме - датчики передають iнформацiю на модуль ESP8266 (рис. 4), модуль передае шформа-цш на сервер В1упк i записуе в базу даних, а сервер, в свою чергу, передае шформацш на мобiльний те-
рмiнал Android. Як можна бачити на рис. 22, на ек-раш вщображеш значення вологостi повiтря (35%), температури (22*С), iнтенсивнiсть освiтлення (127 люкс). Також, показано повiдомлення на екраш ко-ристувача про те, що свiтло вимкнене (умова спра-цьовування - рiвень освiтленостi нижче встановле-ного порогу), а також поввдомлення про те, що спрацював датчик вадкривання.
FirstPrQicct - Kotirtatitjn
L#K60lf
35.0000
22.0000
■intPraject - NctmcalK
Cknr is open!
Рис. 20. Birno керування на мобшьному термiналi Android з вiдображенням значень датчиюв в реальному режимi часу
В результат^ зiбрано тестовий макет ршення IoT на основi модуля ESP8266 з використанням стандарту IEEE 802.11.
Експериментальна схема створена ввдповщно до арх1тектури, описано. рашше на рис. 4, зокрема, жирна суцшьна лiнiя показуе реалiзовану дмнку автономного IoT рiшення.
Використано кшька датчиков: освiтленостi, температури i вологостi, вiдкриття/закриття дверей. Всi щ датчики працюють одночасно на одному мо-дулi, з можливiстю горизонтального розширення десятками таких же модулiв i датчиков на один сервер обробки шформацп'. Iнформацiя ввд датчик1в надходить на автономний i керований сервер Blynk через модуль Wi-Fi, без необхвдносп наявностi тд-ключення 1нтернет. Сервер Blynk розгорнуто на ло-кальнiй обчислювальнiй машиш. Використовуючи програму Blynk, вiдбуваеться аутентифшащя i ав-торизацiя через додаток на Android смартфош в експериментальнш мереж1 IoT. У такий споаб вда-лося ввдстежувати всi даш з датчиков в реальному режимi часу безпосередньо з телефону i надхо-дження даних на нього з бази даних сервера Blynk.
Отже, в робот розроблений, налаштований i реалiзований можливий варiант виршення IoT для iнтелектуальноi' концепцii будинку чи iншого об'екту. Розроблене ршення може бути модифшо-вано з використанням шших технологiй зв'язку i ар-х1тектурних особливостей згiдно вимог i необхвд-них сценарiiв використання.
Висновки
1. Робота присвячена дослвдженню технологiй та застосувань 1нтернету речей (англ. - Internet of Things, IoT), що дуже широко i все частше застосо-вуються в життед1яльносп як окремо. людини, так i у виробництвi та шших процесах, що потребують автоматизацп, сприяючи скороченню необхiдностi залучення людських ресурав до вiдповiдних видiв дiяльностi.
2. Напрямок IoT бурхливо розвиваеться на сьо-годнiшнiй день в свт i все активнiше проникае в сферу д1яльносл людини, маючи на меп спростити збiр шформацп', автоматизувати реагування на отриману iнформацiю, i привести до пiдвищення економiчноi ефективносп i скорочення людських навантажень. Такий розвиток значною мiрою вже торкнувся i Украши.
3. В робот представленi концептуальнi основи побудови IoT мереж. Вщзначено ключовi техноло-гiчнi напрямки розвитку IoT. Розглянуто рiзнi архь тектури побудови IoT. Проведено класифшацш те-лекомунiкацiйних рiвнiв i завдань, розглянутi технологи фiзичного рiвня передачi iнформацii в IoT мережах.
4. Описано приклад реалiзацi!' штегрального рiшення для IoT на основi мiкроконтролера ESP8266. Вирiшена задача з побудови прикладного ушверсального застосування для IoT з датчиками температури, вологосп, вщкриття / закриття, освгт-лення з використанням комунiкацiйноi технологи Wi-Fi для передачi даних вщ сенсорiв в автономний незалежний вщ мереж1 1нтернет центр обробки даних на основi сервера Blynk, з можливютю доступу до них з Android-смартфона абонента.
Мета експерименту досягнута, а саме: вико-нано апаратно-програмна ввдпрацювання елементiв технологiй IoT для сполучення датчиков з комплексом шформацшно-комушкацшних компонент.
Запропонований прикладний макет рiшення IoT може бути застосований в рiзних галузях жит-тедiяльностi людини, а також у промислових уста-новах, виробничих, сшькогосподарських об'ектах, тощо. Рiшення може бути модифшовано рiзномiнi-тними датчиками, протоколами та штерфейсами передавання даних, оновленою архгтекрурою ме-реж1 та ршення, тощо, - в залежностi вщ конкретно!' поставлено!' задачi.
5. На основi результатiв, представлений робо-чий стенд на конференцi!' "MODERN
CHALLENGES IN TELECOMMUNICATIONS" (12th International Scientific Conference), April 16-20, 2018, Kyiv, з назвою «Theoretical research and practical design of IoT tested solution based on ESP8266 SOC and blank components».
6. На розроблений для виршення IoT програм-ний код отримано Свщоцтво про реестращю ав-торського права на твiр: Комп'ютерна програма «Програмний код для IoT-девайсу на базi ESP8266 SoC з використанням трьох датчишв». Заявка № АПС/2478-18 вад 20.05.2018. Автори: Уривський Л.О., Осипчук С.О., Чекунов Н.В., Осипчук И.С., Киращук В.В. Сввдоцтво про реестращю №79720 вщ 13.06.2018, видано Мшстерством економiчного розвитку i торгiвлi Украши.
Лiтература
1. Internet of things -https://en.wikipedia.org/wiki/Internet_of_things .
2. Beginner's Guide to Understanding the Internet of Things -https://www.recode.net/2015/m5/11557782/a-beginners-guide-to-understanding-the-internet-of-things.
3. Gartner: the world's leading research and advisory company https://www.gartner.com/en.
4. IoT-related standards by IEEE -http://standards.ieee.org/innovate/iot/stds.html.
5. Gartner: Top 10 IoT Technologies for 2017 and 2018, report -http://www.gartner.com/document/3188520?ref=solrA ll&refval=162721561&qid=679d9fd23e31525ae2969 2fa25d946ac.
6. Gartner: The Internet of Things, report -http://www.gartner.com/technology/research/internet-of-things.
7. Reference Architecture For The Internet of Things - https://wso2.com/whitepapers/a-reference-architecture-for-the-internet-of-things.
8. Cisco, одна из ведущих компаний по сетевым и вычислительным технологиям -https://www.cisco.com.
9. Cisco, The Internet of Things Reference Model -http://cdn.iotwf.com/resources/71/IoT_Reference_Mo del_White_Paper_June_4_2014.pdf.
10. Microsoft Azure and IoT architecture -http://download.microsoft.com/download/A/4/D/A4D AD253-BC21-41D3-B9D9-
87D2AE6F0719/Microsoft_Azure_IoT_Reference_Ar chitecture.pdf .
11. Internet of Things (IoT) Use Cases & The Importance of Software Testing -http://www.cigniti.com/blog/internet-of-things-use-cases-importance-of-software-testing.
12. Промышленный интернет вещей -https://www.osp.ru/lan/2016/09/13050308.
13. В Киеве начали строительство сети для интернета вещей - http://www.imc.ua.
14. lifecell и IoT Ukraine начали создание первой сети Интернета вещей в Киеве - https://hi-tech.ua/lifecell-i-iot-ukraine-nachali-sozdanie-pervoy-seti-interneta-veshhey-v-kieve.
15. Первая комплексная система умного дома, созданная в Украине - http://clap.ua.
16. Конференция IoT Tech Expo 2018 -https://www.iottechexpo.com/global.
17. IoT Hardware Guide -http://www.postscapes.com/internet-of-things-hardware.
18. IoT Software Development Guide -http://postscapes2.webhook.org/internet-of-things-software-guide.
19. IoT Cloud Platform providers -http://postscapes2.webhook.org/internet-of-things-platforms.
20. ESP8266 -https://en.wikipedia.org/wiki/ESP8266.
21. WiFi Плата NodeMCU V2 ESP8266 (CP2102): https ://arduino .ua/prod1495-wifi-plata-nodemcu-v3-esp8266-cp2102.
22. Документащя Blynk: http://docs.blynk.cc.
23. Chekunov M., Osypchuk I., Kyrashchuk V., Osypchuk S. Theoretical research and practical design of IoT tested solution based on ESP8266 SOC and blank components / 12th International Scientific Conference "MODERN CHALLENGES IN TELECOMMUNICATIONS", April 16-20, 2018, Kyiv, Ukraine. Conference materials. - P. 466-468.
24. Сввдоцтво про реестращю авторського права на твip: Комп'ютерна програма «Програмний код для IoT-девайсу на базi ESP8266 SoC з використанням трьох датчишв». Заявка № АПС/2478-18 ввд 20.05.2018. Автори: Уривський Л.О., Осипчук С.О., Чекунов Н.В., Осипчук И.С., Киращук В.В. Свщоцтво про реестращю №79720 ввд 13.06.2018, видано Мшютерством економiчного розвитку i то-pгiвлi Украши.
РАДЮПРИЙМАЧ МОН1ТОРИНГУ РАДЮНАВ1ГАЩЙНОГО ПОЛЯ ГЛОБАЛЬНИХ НАВ1ГАЦ1ЙНИХ СУПУТНИКОВИХ СИСТЕМ
Швець В.А.
кандидат технгчних наук, доцент Нацюнальний авгацшний унгверситет, м. Кшв, Украна
RADIO RECEIVER FOR THE MONITORING OF THE RADIONAVIGATION FIELD OF GLOBAL
NAVIGATING SATELLITE SYSTEMS
Shvets V.A.
Candidate of Technical Sciences, Associate professor National Aviation University, Kyiv, Ukraine
