CC BY
24Практическое применение технологии M2M в IT-секторе
fO СЧ
о
СЧ <0
о ш m
X
<
m О X X
Волкова Анастасия Сергеевна
студент бакалавриата, кафедра «Радиотехнические системы», Московский технический университет связи и информатики, nastasiatowsen@mail.ru
Сатурьянц Владислав Анатольевич
студент бакалавриата, кафедра «Многоканальные телекоммуникационные системы», Московский технический университет связи, vsaturiants@mail.ru
Кондратьев Илья Денисович
студент бакалавриата, кафедра «Многоканальные телекоммуникационные системы», Московский технический университет связи, kondratjev.ilia2017@yandex.ru
Короткевич Максим Александрович
студент бакалавриата, кафедра «Сети связи и системы коммутации», Московский технический университет связи и информатики, mkorotkevich25@gmail.com
Семененко Никита Олегович
студент бакалавриата, кафедра «Сети связи и системы коммутации», Московский технический университет связи и информатики, yuckaswd@yahoo.com
В современном мире технология машинно-машинных коммуникаций (М2М) играет все более значимую роль, становясь катализатором для инноваций в разнообразных отраслях. Данная статья представляет собой всесторонний анализ текущего состояния, применений и перспектив развития технологии М2М. Рассматриваются ключевые характеристики и типы сетей, используемых в М2М, а также актуальные проблемы и вызовы, связанные с внедрением данной технологии. Особое внимание уделяется роли М2М в развитии интернета вещей (^Т), а также её применению в создании умных городов, умных домов и умных предприятий. Цель статьи - предоставить ценные инсайты и глубокое понимание технологии М2М для исследователей, разработчиков, инженеров, специалистов по ИТ, руководителей предприятий и всех тех, кто заинтересован в изучении возможностей и применении М2М в разнообразных отраслях.
Ключевые слова: М2М, ^Т, умный город, умный дом, сети связи, технологические инновации, цифровизация, автоматизация, эффективность.
Введение
С появлением интернета и распространением цифровых технологий, общество столкнулось с необходимостью адаптации и оптимизации различных сфер деятельности. Одним из перспективных направлений, обеспечивающих инновационное взаимодействие между устройствами и системами, является технология машинно-машинных коммуникаций (M2M). В контексте постоянно увеличивающегося количества устройств, способных обмениваться данными, M2M представляет собой критически важную технологию, имеющую потенциал радикально изменить множество отраслей и повседневную жизнь.
Коммуникации малого радиуса действия NFC
NFC, или Близкорасположенные коммуникации [1], представляет собой форму беспроводного взаимодействия с коротким радиусом действия, позволяющую устройствам обмениваться информацией, когда они находятся на очень близком расстоянии друг от друга (как правило, в пределах нескольких дюймов или сантиметров). NFC построена на основе технологии идентификации по радиочастоте (RFID) и функционирует на частоте 13,56 МГц [2].
Одно из наиболее распространенных применений NFC -это бесконтактные платежи, где покупатели могут осуществлять транзакции, прикладывая свой NFC-совместимый девайс (например, мобильный телефон) к платежному терминалу. Кроме того, NFC поддерживает передачу данных, например, обмен файлами или контактами между устройствами, а также может быть использована для управления доступом (например, открытие замка двери с использованием устройства с NFC).
NFC предлагает ряд преимуществ по сравнению с другими беспроводными коммуникационными технологиями. Это удобно в использовании, не требует сложных настроек и сопряжения, и обеспечивает безопасность за счет краткого радиуса действия и шифрования данных. Также NFC эффективно использует энергию, потребляя ее только при передаче информации, поэтому NFC представляет собой эффективный и безопасный метод коммуникации и обмена данными на близком расстоянии между устройствами.
Сети следующего поколения, или NGN (Next Generation Network) [3], являются типом телекоммуникационных сетей, способных поддерживать множество услуг, включая голос, данные и мультимедиа, через единую IP-сеть. NGN созданы таким образом, чтобы быть гибкими, масштабируемыми и совместимыми с различными коммуникационными протоколами и технологиями, включая NFC.
В NGN технология NFC может быть применена для различных видов коммуникации и обмена данными. Например, с помощью NFC можно реализовать бесконтактные платежные транзакции через nGn или обеспечить упрощенный обмен данными между устройствами, когда они находятся рядом друг с другом. Кроме того, NFC может служить инструментом для управления доступом и аутентификации в сетях NGN, позволяя пользователям использовать свои устройства с NFC как средства удостоверения личности.
В целом, внедрение технологии NFC в сети NGN (рисунок 1) способно предложить удобный и надежный метод для коммуникации и передачи данных между устройствами, а также открывает возможности для широкого спектра новых сервисов и приложений.
Проложен!
Ялро сети оператора
HUH н прикладных
Профиль
услуг
Управление
услугами
Слой
•слуг
Управление транспортом
Транспорт
Тр>,
Тер:
мпнал полыователя
Компоненты првложенап
Метка
С
Компоненты приложений
J
Опрашивающее устройство
Прослушивающее устройство
Данные
Рисунок 2. Принцип обмена данными по технологии NFC
У NFC существует три ключевых режима работы: 1. Эмуляция смарт-карт (пассивный режим). В данном режиме устройство с NFC ведет себя как контактная карта определенного стандарта. Этот режим энергосберегающий и позволяет устройству с NFC функционировать даже при отсутствии питания.
2. P2P (Peer-to-Peer, или режим равноправного взаимодействия). В этом режиме возможна передача данных между двумя устройствами с NFC, даже если источники питания выключены.
3. Режим чтения или записи (активный режим). Здесь устройство с NFC активно считывает информацию с других устройств NFC или записывает на них данные.
Для доступа к функциям NFC необходимо, чтобы в мобильном телефоне был встроен модуль NFC или использовались внешние устройства (см. рисунок 3).
Моонльные сети, Wi-Fi, Bluetooth
Процессор приложений
1
SIM-карта
1 F SWP
Контроллер коммуникаций
Интерфейс чтснпя/записн
Интерфейс эмуляции карты
Рисунок 1. Технология NFC в архитектуре NGN
Интерфейс NFC функционирует на нижних слоях телекоммуникационной сети и включает в себя стандартизованные точки UNI (Интерфейс Пользователь-Сеть) и ANI (Интерфейс Сеть-Приложение), которые содержат физический интерфейс. NFC оперирует на частоте 13,56 МГц с пропускной способностью данных равной 106 кбит/с. Эта технология также применяется для взаимодействия с RFID (Идентификация по Радиочастоте) устройствами. NFC применяет индуктивное соединение, используя технологии модуляции амплитуды OOK (On-Off Keying) и фазовой модуляции BPSK. При связи с активным устройством, оба участвующих в процессе устройства функционируют как полноценные передатчики и приемники. Каждое устройство обладает собственным источником энергии, и несущая волна отключается после окончания передачи данных.
Принцип передачи данных с использованием технологии NFC изображен на рисунке 2.
Одноранговый интерфейс
NFC контроллер
Рисунок 3. Структурная схема мобильного телефона с модулем NFC
Модуль NFC включает в себя микрочип, который гарантирует безопасное хранение сервисных приложений и поддерживает три главных канала связи (для бесконтактных операций через пользовательский интерфейс и через сеть мобильной связи), а также предоставляет криптографическую безопасность.
Одним из значительных применений NFC является его интеграция с возможностями мобильной связи. Это позволяет провайдерам услуг, торговцам и поставщикам информации предлагать свои продукты и услуги в местах, удобных для ведения бизнеса.
С помощью мобильного оператора можно воспользоваться различными сервисами NFC, такими как запрос и получение бесплатной информации для авторизованных пользователей, запрос платных услуг с возможностью их получения сразу или позже, а также получение предварительно заказанных услуг, например, электронного билета. Пример использования NFC для запроса и мгновенного получения платной услуги показан на рисунке 3.
Таким образом, потенциал NFC в сфере M2M (машинное взаимодействие) коммуникаций включает применение данной технологии для управления аппаратурой, передачи данных между устройствами, выполнения платежей и т.д.
X X
о го А с.
X
го m
о
ю
2 О M
со
fO
сч
0 cs
иэ
01
о ш m
X
<
m о x
X
Услуга
ID Параметрь ID
услуги услуги пользователя
Дополнительные параметры
аутентификации Авт°ризация
Коммутация
гу
к поставщику
Запрос услуги
Услуга
Услуга
Коммутация
Перечисление платы
Рисунок 4. Сценарий запроса и немедленного получения платной услуги с помощью NFC
Промышленные сети для воплощения в жизнь М2М
В промышленных секторах, где автоматизация и оптимизация процессов имеют первостепенное значение, технология M2M (Machine to Machine) становится неотъемлемым инструментом. Для эффективного взаимодействия между устройствами необходимы надежные сетевые решения, способные обеспечить стабильное и быстрое соединение. [4 - 8]
1. Промышленные сетевые протоколы:
Применение M2M в промышленности часто зависит от использования специализированных сетевых протоколов, таких как Modbus, Profibus, и Ethernet/IP. Эти протоколы обеспечивают обмен данными между различными устройствами, такими как датчики, контроллеры, и роботы, на промышленных предприятиях.
• Modbus: Это один из наиболее популярных промышленных протоколов, который может быть использован как в проводных, так и в беспроводных сетях для передачи данных между устройствами.
• Profibus: Этот протокол используется в основном для передачи данных и сигналов управления между контроллерами и полевыми устройствами в промышленных автоматизированных системах.
• Ethernet/IP: Использует стандарт Ethernet для передачи данных, что позволяет создавать высокоскоростные сети с большим объемом передаваемой информации.
2. Беспроводные технологии:
В некоторых промышленных сценариях применения, беспроводные сети могут быть более предпочтительными. Такие технологии как ZigBee, Wi-Fi, и LoRaWAN могут использоваться для передачи данных на более длинные расстояния или в условиях, где проводные сети непрактичны.
• ZigBee: Хорошо подходит для создания меш-сетей с низким энергопотреблением, что идеально для мониторинга сенсоров и систем управления.
• LoRaWAN: Позволяет передавать данные на большие расстояния с минимальным энергопотреблением, что делает его подходящим для применения в промышленных секторах, где устройства могут быть разбросаны на большой территории.
• Wi-Fi: Это широко используемая беспроводная технология, которая предлагает высокую скорость передачи данных и способна работать на различных частотах. В промышленности Wi-Fi может быть использован для соединения устройств внутри завода или рабочего пространства, что позволяет
быстро и эффективно передавать данные, необходимые для контроля и управления оборудованием. Wi-Fi также поддерживает создание меш-сетей, что делает его полезным для сценариев, где необходимо обеспечить бесперебойное покрытие на большой территории. Однако, следует учитывать, что Wi-Fi может потреблять больше энергии по сравнению с технологиями типа ZigBee и LoRaWAN, что может быть критичным в некоторых применениях.
Перспективы технологии М2М
Перспективы М2М оптимистичны, а потенциал очень велик. В настоящее время эта технология продолжает активное развитие - системы высоко интеллектуальны, а сфера применения практически безгранична. Технология М2М, благодаря совершенствованию, приобретает широкий диапазон возможностей в различных сферах жизнедеятельности людей, улучшая ее качество.
Оборудование этой технологии находит широкое применение в охранных и противоугонных системах. М2М - неотъемлемая часть многочисленных правоохранительных структур. Мобильные системы технологии с успехом используются в банковском секторе. А «умный дом» - система, которая перешла из мечты в реальность. Широкое применение М2М в России сконцентрировано в отраслях финансов, страхования, добывающих предприятий.
Эксперты предсказывают большой скачок роста М2М-тех-нологий в нашей стране, поскольку увеличивается число отраслей применения межмашинного взаимодействия. М2М-коммуникации дают возможность уменьшать издержки во время экономического кризиса.
В следствие, в России установилась целая база подключенных устройств, которая составила 23 миллиона систем телеметрии, подключенных к глобальной вычислительной сети, содержащей все виды технологий подключения: сотовых, фиксированных проводных и беспроводных, комбинаций этих технологий.
По прогнозам, суммарное количество устройств M2M/IoT, подключенных к глобальной вычислительной сети с применением проводных и беспроводных технологий в России, вырастет с 23 до 42 миллионов (рис.1.14). Также более емкими останутся сегменты «Подключенные автомобили и дорожная инфраструктура», «умные» счетчики, камеры видеонаблюдения и подключенные средства осуществления платежей.
Рисунок 5. Оценка количества подключенных к глобальной сети Интернет устройств 1оТ/М2М в России
На сегодняшний день в Москве около ста пятидесяти тысяч квартир одного квартала снабжены М2М-модулями для снятия показаний счетчиков. Установлены «умные» светофоры и остановки. И, наконец, «облачные технологии» будут использовать М2М через web-интерфейсы.
Заключение
Технология М2М, стоящая на передовой современных инноваций, представляет собой мощный инструмент для автоматизации и оптимизации систем в различных отраслях, таких как здравоохранение, транспорт, промышленность, и энергетика. Она предоставляет устройствам возможность самостоятельно обмениваться данными и выполнять управляющие функции без прямого участия человека, что обеспечивает повышение эффективности, надежности и безопасности систем.
Многообещающие перспективы М2М-технологии не ограничиваются только управлением системами, но также включают в себя возможности для улучшения качества жизни человека через внедрение умных решений в домашних условиях, здравоохранении и урбанистике. Взаимодействие М2М в сетях 1оТ является ключевым фактором в реализации концепций умных городов и умных предприятий.
Однако, несмотря на многочисленные преимущества, необходимо также учитывать, потенциальные трудности и вызовы, такие как вопросы безопасности данных, стандартизации и интеграции с существующими системами.
Для дальнейшего развития и успешной реализации М2М-технологий важно сосредоточить усилия на исследованиях и разработках в области безопасности, стандартизации и совместимости систем. Также следует уделить внимание образованию и повышению квалификации специалистов, способных эффективно работать с М2М-технологиями.
В свете быстрого технологического прогресса, М2М-ком-муникации представляются одним из наиболее значимых направлений, способных кардинально трансформировать множество аспектов современного общества, и, как следствие, важность их дальнейшего исследования и развития не может быть переоценена.
Practical application of M2M technology in the IT sector
Volkova A.S., Saturyants VA, Kondratjev I.D., Korotkevich M.A., Semenenko N.O.
Moscow Technical University of Communications and Informatics JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90
In today's world, machine-to-machine communications (M2M) technology plays an increasingly significant role, becoming a catalyst for innovation in a variety of industries. This article is a comprehensive analysis of the current state, applications and development prospects of m2m technology. The key characteristics and types of networks used in M2M are considered, as well as current problems and challenges associated with the implementation of this technology. Particular attention is paid to the role of M2M in the development of the Internet of things (loT), as well as its application in the creation of smart cities, smart homes and smart enterprises. The purpose of this article is to provide valuable insights and deep understanding of M2M technology for researchers, developers, engineers, IT professionals, business leaders, and anyone else who is interested in exploring the possibilities and applications of M2M in a variety of industries.
Keywords: M2M, loT, smart city, smart home, communication networks, technological innovations, digitalization, automation, efficiency.
References
1. Near Field Communication. Viewed on 01/10/2023 en.wikipedia.org/wiki/Near_Field_Communication.
2.RFID. Viewed on 01/10/2023 en.wikipedia.org/wiki/RFID.
3. Multiservice communication network. Viewed on 01/10/2023 en.wikipedia.org/wiki/Multiservice_communication_network.
4. ControlEdge PLC and ControlEdge RTU. Viewed on 01/10/2023 gaselectro.ru/files/documents/controledge/controledge_plc_and_controledge_rt u_getting_started_rtdoc-x287-en-151a.pdf.
5. Profibus. Viewed on 01/10/2023 en.wikipedia.org/wiki/Profibus.
6 Device Net. Viewed on 01/10/2023 en.wikipedia.org/wiki/DeviceNet.
7 Device Net. Viewed on 01/10/2023 en.wikipedia.org/wiki/DeviceNet.
8. What is 1G, 2G, 3G, 4G and everything in between. Viewed on 01/10/2023 habr.com/en/post/112535/.
Литература
1. Near Field Communication. Дата просмотра 10.01.2023 ru.wikipedia.org/wiki/Near_Field_Communication.
2. RFID. Дата просмотра 10.01.2023 ru.wikipedia.org/wiki/RFID.
3. Мультисервисная сеть связи. Дата просмотра 10.01.2023 ru.wikipedia.org/wiki/Мультисервисная_сеть_связи.
4. ControlEdge PLC and ControlEdge RTU. Дата просмотра 10.01.2023
gaselectro.ru/files/documents/controledge/controledge_plc_and_c ontroledge_rtu_getting_started_rtdoc-x287-en-151a.pdf.
5. Profibus. Дата просмотра 10.01.2023 ru.wikipedia.org/wiki/Profibus.
6. DeviceNet. Дата просмотра 10.01.2023 ru.wikipedia.org/wiki/DeviceNet. Н
7. DeviceNet. Дата просмотра 10.01.2023 О ru.wikipedia.org/wiki/DeviceNet.
8. Что такое 2G, 3G, 4G и все что между ними. Дата просмотра 10.01.2023 habr.com/ru/post/112535/.
> С.
X
го m
о
2 О M
со
