ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ M2M ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМАМИ: ОБЗОР И ПРИМЕРЫ ПРИЛОЖЕНИЙ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Применение технологии M2M для автоматизации и управления системами: обзор и примеры приложений

со см о см

<0

о ш т

X

<

т О X X

Лебедев Иван Владимирович

студент бакалавриата, кафедра «Многоканальные телекоммуникационные системы», Московский технический университет связи, ivan_ivan_lebedev@mail.ru

Гюнзиков Антон Бадмаевич

студент бакалавриата, кафедра «Сетевые информационные технологии и сервисы», Московский технический университет связи и информатики, antonzikov1@mail.ru

Джангаев Джал Баатрович

студент бакалавриата, кафедра «Многоканальные телекоммуникационные системы», Московский технический университет связи, djal2002@mail.ru

Тагиров Нарвик Узаирович

студент бакалавриата, кафедра «Информационная безопасность», Московский технический университет связи и информатики, ntgirov@gmail.com

Забитов Бийарслан Муратович

студент бакалавриата, кафедра «Корпоративные информационные системы», Московский технический университет связи и информатики

В данной статье представлена синтезированная оценка использования технологии м2м для автоматизированного контроля систем. Изложены ключевые аспекты технологии М2М, позволяющей устройствам обмениваться информацией без прямого участия человека. Проведен анализ плюсов и минусов этой технологии с учетом её применения в разных областях.

Основное внимание в статье уделяется потенциалу М2М-приложений в сферах промышленности, транспорта, медицины и смарт-домов. Представлены конкретные примеры, демонстрирующие применение технологии М2М, такие как автоматизированное сбор данных с учетных приборов коммунальных услуг, промышленную автоматизацию, дистанционное наблюдение за системами, мониторинг геопозиции транспорта и повышение качества медицинских услуг. Для каждого примера приведено детальное изложение и анализ преимуществ, которые могут быть получены благодаря использованию М2М-технологии в соответствующей сфере. Рассматриваются преимущества в автоматизации, оптимизации рабочих процессов, повышении производительности и улучшении взаимодействия с пользователем.

Статья заключается синтезирующим выводом о важности и перспективности технологии М2М в контексте автоматизации и управления системами. Даются советы относительно будущего развития данного направления и потенциальных областей для исследования. Ключевые слова: М2М, технология, автоматизация, управление, примеры приложений, промышленность, транспорт, здравоохранение, умный дом.

Введение

Современное общество быстро движется к развитию интеллектуальных систем и автоматизации рабочих процессов. Начиная с бытовых устройств и заканчивая промышленным оборудованием, сетевая структура устройств становится все более связанной и самодостаточной. В этом развитии технология между машинами (Machine-to-Machine, М2М) выполняет ключевую функцию.

М2М-технология обеспечивает возможность устройствам обмениваться информацией и координировать действия между собой без необходимости вмешательства человека. Это предоставляет инструменты для автоматизации и управления процессами в широком спектре областей, включая промышленность, здравоохранение, автомобильный транспорт и сельское хозяйство.

Одним из преимуществ М2М-технологии является уменьшение зависимости от человеческого участия, путем реализации автоматизации и дистанционного управления. К примеру, используя М2М-технологии, можно разработать систему управления производственными процессами, которая автоматически следит и корректирует параметры на основе анализа данных. Это увеличивает эффективность и точность операций, снижает ресурсные затраты и повышает качество выпускаемой продукции.

В автомобильной промышленности, М2М-технология предоставляет новые пути для оптимизации операций. Отслеживание состояния транспортного средства, управление движением, минимизация расхода топлива - всё это становится возможным благодаря М2М-технологиям. Системы управления движением, основанные на М2М, автоматически подстраивают скорость и дистанцию до других транспортных средств, оптимизируя путь для экономии топлива. Сбор и обработка данных о работе автомобиля помогают обнаруживать проблемы на ранних стадиях, предотвращать поломки и анализировать использование автомобилей для улучшения продукции и услуг.

Общие принципы технологии межмашинного обмена

Технология межмашинного обмена данными Machine, М2М) представляет собой метод, при помощи которого устройства могут передавать информацию и координировать действия между собой без прямого участия человека. Так, с помощью М2М, можно автоматизировать и контролировать разнообразные процессы, включая те, что связаны с автомобильным транспортом. [1]

В автомобильной сфере, М2М может быть применена для различных задач, включая мониторинг состояния транспортного средства, управление движением, снижение расхода топлива, а также сбор и обработку данных о функционировании автомобиля. К примеру, с использованием М2М-технологий возможно создание системы управления движением, которая автоматически настраивает скорость и дистанцию до впереди идущего автомобиля, оптимизируя при этом маршрут с целью экономии топлива.

Кроме того, М2М-технологии могут быть применены для сбора и анализа данных об эксплуатации автомобиля, что поз-

воляет своевременно выявлять неисправности и предотвращать поломки. Это также может способствовать разработке новых продуктов и улучшению существующих, на основе анализа данных о способах использования автомобилей их владельцами.

M2M-технология является ключевым элементом в развитии технологий Интернета вещей (IoT) в автомобильной индустрии. Она дает возможность внедрять разнообразные системы управления и автоматизации, включая дистанционное управление, диагностику, мониторинг состояния транспортных средств, навигационные системы и системы управления трафиком. M2M-технология также способна собирать и анализировать данные, что способствует повышению безопасности, экономичности и комфорта использования автомобилей. Тем не менее, стоит учитывать риски и ограничения, такие как уязвимость перед хакерскими атаками и риск нарушения конфиденциальности, которые могут возникнуть при использовании M2M-технологии.

Основы технологии M2M:

1. Взаимодействие устройств: Системы M2M обычно опираются на разнообразные каналы связи, включая беспроводные, проводные или интернет-соединения, для того чтобы устройства могли передавать данные друг другу.

2. Смарт-оборудование: В M2M-системах часто применяются специализированные устройства, такие как датчики, микроконтроллеры и средства сбора данных, для передачи информации между устройствами.

3. Софт: Для управления устройствами и обработки передаваемой информации в системах M2M необходимо специальное программное обеспечение.

4. Серверы и хранилище данных: В большинстве случаев M2M-системы используют серверы или облачные решения для хранения и обработки собранных данных.

5. Стандарты и протоколы: Для обеспечения взаимодействия различных устройств M2M-системы часто используют стандарты и протоколы, такие как TCP/IP, HTTP или MQTT [2].

Технология M2M основывается на сетях устройств, которые взаимодействуют между собой, используя разные типы связи. Её можно применять в самых разнообразных областях, таких как промышленная автоматизация, управление инфраструктурой, смарт-дома и прочее. Тем не менее, важно помнить о рисках, связанных с использованием M2M, таких как уязвимости в безопасности и риски конфиденциальности.

Модель M2M включает в себя три компонента: цифровое устройство A, канал связи B, и устройство C. Цифровое устройство A отвечает за сбор информации, канал связи B передает эту информацию устройству C, которое занимается её анализом и хранением. Такая конфигурация позволяет автоматически обмениваться данными между разными устройствами без необходимости вмешательства человека (рисунок 1).

Общие принципы M2M-технологии:

1. Связь между устройствами: M2M-системы обычно используют различные виды связи, такие как беспроводная связь, проводная связь или связь через Интернет, чтобы устройства могли обмениваться данными.

2. Интеллектуальное оборудование: M2M-системы часто используют специальное оборудование, такое как сенсоры, микроконтроллеры и устройства сбора данных, чтобы передавать информацию между устройствами.

3. Программное обеспечение (ПО): M2M-системы также требуют специального ПО, чтобы управлять устройствами и обрабатывать передаваемые данные.

4. Серверное оборудование: в большинстве случаев M2M-системы также требуют сервера или облачного хранилища для хранения и обработки данных.

5. Стандарты и протоколы: M2M-системы часто используют стандарты и протоколы, такие как TCP/IP, HTTP или MQTT [2], чтобы обеспечить совместимость между различными устройствами.

м2M-технология основана на сетях устройств, которые обмениваются данными между собой с помощью различных типов связи. Она может быть использована в различных областях, таких как автоматизация производства, управление инфраструктурой, умный дом и т.д. Однако необходимо учитывать, что использование M2M-технологий также сопряжено с рисками, такими как возможность взлома и нарушение конфиденциальности.

Схема M2M состоит из трех элементов: цифрового устройства A, канала связи B и устройства C. Цифровое устройство A собирает информацию, канал связи B передает ее на устройство C, которое анализирует и хранит данные. Эта схема позволяет обмениваться данными между различными устройствами автоматически, без участия человека (рисунок 1).

Сеть связи Рисунок 1. Схема М2М-технологии

Машина С

Преимущества беспроводных систем М2М включают:

1. Простота в развертывании: отсутствие необходимости прокладывать кабели делает процесс установки М2М-систем более простым и быстрым.

2. Вариативность: благодаря отсутствию физических ограничений, беспроводные М2М-системы могут быть развернуты практически где угодно, адаптируясь к разнообразным сценариям и условиям.

3. Экономичность: обычно, беспроводные М2М-системы обходятся дешевле в сравнении с проводными аналогами, так как нет необходимости в прокладке кабельных линий.

4. Высокая реактивность: способность работать в режиме реального времени позволяет беспроводным М2М-системам оперативно реагировать на происходящие события и своевременно предпринимать соответствующие действия.

Слабые стороны беспроводных М2М-систем включают:

1. Ограниченность диапазона: беспроводные М2М-си-стемы сталкиваются с ограничениями в дальности действия сети, что может снизить их эффективность в определенных условиях.

2. Угрозы безопасности: в связи с использованием беспроводных соединений, М2М-системы более подвержены рискам взлома и перехвата данных.

3. Отсутствие стабильности: беспроводные М2М-си-стемы могут страдать от нестабильности в силу влияния таких факторов, как помехи, плохая проходимость сигнала в зданиях или на значительных расстояниях, а также из-за изменчивых условий окружающей среды, например, колебаний температуры или влажности.

Стандартизация М2М

Унификация технологии М2М представляет собой процедуру создания норм и регламентов, определяющих методы коммуникации между электронными аппаратами. Этот процесс критически важен, так как способствует совместимости и

X X

о

го А с.

X

го m

о

2 О

м

CJ

fO CN О

cs иэ

о ш m

X

<

m О X X

обмену данными между устройствами от различных производителей.

Сегодня в сфере IoT существует несколько М2М-стандар-тов, регламентирующих обмен данными между электронными аппаратами. Самые распространенные из них:

1. GSM: норматив мобильной связи, применимый также для М2М-коммуникаций.

2. 3G: критерий мобильных коммуникаций, обеспечивающий высокую пропускную способность и более качественную связь по сравнению с GSM.

3. 4G: усовершенствованный критерий мобильных коммуникаций, который предлагает более высокую пропускную способность и качество связи, чем 3G.

4. LPWAN (Low Power Wide Area Network): стандарт беспроводной сети для устройств с низким энергопотреблением и дальним радиусом действия, таких как аппараты, интегрированные в элементы инфраструктуры, например, светофоры и сенсоры безопасности дорожного движения.

Унификация М2М играет ключевую роль в эволюции рынка IoT, обеспечивая возможность совместимости и обмена информацией между устройствами разных производителей. Тем не менее, многообразие стандартов М2М может порождать проблемы с совместимостью и замедлять прогресс на рынке. В связи с этим, крайне важно создавать универсальные стандарты для облегчения интеграции устройств и повышения их совместимости.

Архитектура ETSI М2М высокого уровня представляет собой модель, разработанную Европейским институтом стандартов телекоммуникаций (ETSI), которая определяет конструкцию и механизмы работы М2М-сетей. Она включает в себя три слоя: приложения, услуг и сетевой (Рисунок 2) [4].

1. Слой приложений: это ступень, на которой создаются и внедряются М2М-приложения, такие как системы отслеживания статуса устройств или системы регулирования потребления электроэнергии.

2. Слой услуг: на этом уровне осуществляются М2М-услуги, включая обработку и сохранение данных, обеспечение защиты, а также управление аппаратами.

3. Слой сети: на этой стадии реализуется сетевая поддержка М2М, включающая в себя беспроводные методы связи.

На сетевом уровне ETSI М2М применяются разнообразные беспроводные методы, вроде GSм, 3G, 4G, LPWAN и т.д. Эти технологии предоставляют возможность М2М-устрой-ствам обмениваться информацией через сетевые компоненты, такие как базовые станции, шлюзы и серверы.

На сервисном уровне ETSI М2М внедряются многообразные службы, способствующие функционированию М2М-сетей. Это может включать, к примеру, собирание и анализ данных, управление оборудованием, защиту данных и так далее.

На уровне приложений в ETSI М2М создаются разнообразные приложения, которые опираются на М2М-инфраструктуру для выполнения специфических заданий.

Точки интерфейса (узлы интерфейса) в функциональной архитектуре М2М представляют собой ключевые компоненты системы, отвечающие за обеспечение коммуникации между М2М-устройствами и внешними системами.

Существует несколько категорий точек интерфейса, которые могут быть применены в различных контекстах, например:

1. Агрегирующие узлы интерфейса - это устройства, ответственные за сбор и трансляцию данных от М2М-устройств к внешним системам.

2. Брокерские узлы интерфейса - это устройства, способствующие обмену информацией между устройствами.

3. Прокси-узлы интерфейса - это устройства, задействованные в обеспечении безопасности и приватности при передаче данных между М2М-устройствами и внешними системами.

Рисунок 2. Высокоуровневая архитектура ETSI М2М

Интерфейсные точки функциональной архитектуры М2М играют важную роль в реализации функций М2М-системы, таких как сбор и анализ данных, управление устройствами, предоставление услуг и т.д. Они позволяют устройствам М2М взаимодействовать с внешними системами и управлять ими, что обеспечивает реализацию широкого ряда приложений и сервисов, основанных на М2М-технологиях.

Кроме того, интерфейсные точки играют важную роль в обеспечении безопасности и конфиденциальности обмена данными в М2М-системах. Они могут использоваться для шифрования и аутентификации данных, а также для обеспечения контроля доступа к устройствам и сети.

В зависимости от конкретных требований к М2М-системе могут быть использованы различные типы интерфейсных точек, как отдельно, так и в сочетании друг с другом.

Интерфейсные точки функциональной архитектуры М2М включают: mla (между сетевым приложением и сервисными возможностями сетевого домена и приложений М2М), dla (между приложением устройства и сервисными возможностями М2М в текущем устройстве М2М или шлюзе, и приложением шлюза и сервисными возможностями М2М в том же шлюзе М2М) и mid (между устройством или шлюзом М2М и сервисными возможностями М2М в сетевом домене и приложений) (рисунок 3) [5].

Точки интерфейса в функциональной архитектуре М2М занимают центральное место в выполнении функций системы М2М, таких как сбор и обработка данных, управление оборудованием, предоставление услуг и так далее. Они обеспечивают возможность М2М-устройствам взаимодействовать и

управлять внешними системами, что дает возможность реализации множества приложений и служб на базе М2М-техноло-гий.

Сеть ядра А Сеть ядра В

Рисунок 3. Интерфейсные точки функциональной архитектуры М2М

К тому же, точки интерфейса имеют ключевое значение в гарантии безопасности и защите конфиденциальности при обмене данными в системах M2M. Они могут быть применены для шифрования данных, проверки подлинности, а также контроля доступа к устройствам и сетям.

В зависимости от специфических потребностей M2M-od-стемы можно использовать разные виды точек интерфейса, как по отдельности, так и в комбинации.

В рамках функциональной архитектуры M2M, точки интерфейса включают: mla (между сетевым приложением и сервисными ресурсами сетевой области и приложениями M2M), dla (между приложением устройства и сервисными ресурсами M2M на текущем M2M-устройстве или шлюзе, и между приложением шлюза и сервисными ресурсами M2M на том же M2M-шлюзе) и mid (между устройством или M2M-шлюзом и сервисными ресурсами M2M в сетевой области и приложениях) (см. рисунок 3) [5].

У-N/---- П ^L Ark под

\ \ \

М2М

/ / / / "А. /\ 1

М2М шлюз

Прямое подк

Домен приложения

Рисунок 1.4. Модель коммуникационной системы М2М Определения:

• dla - Приложение, локализованное на уровне устройства (Device Local Application);

• mla - Локальное M2M-приложение (M2M Local Application);

• mld - Локальное устройство M2M (M2M Local Device).

Структура oneM2M разделяется на три слоя:

1. Слой устройства M2M (M2M Device Layer) - этот слой характеризует функционал устройств, задействованных в сетях M2M, включая шлюзы, обеспечивающие связь с этими устройствами.

2. Слой сервисов M2M (M2M Service Layer) - на этом слое описываются услуги, предлагаемые M2M-устройствами, и использующиеся для коммуникации между этими устройствами.

3. Слой приложений M2M (M2M Application Layer) - здесь описаны приложения, которые используют сервисы M2M для взаимодействия с устройствами.

4. В целом, архитектурная модель системы M2M включает три зоны, основанные на предложениях ETSI: домен устройств M2M, сетевой домен и область приложений.

Схема системы коммуникации M2M представлена на рисунке 4.

Возможности М2М-приложений

Приложения M2M представляют собой системы, которые допускают передачу данных между устройствами без вмешательства человека. Они часто применяются для автоматизации различных задач, мониторинга и управления устройствами на расстоянии.

Примеры приложений M2M включают:

1. Автоматическая передача показаний счетчиков: Утилитарные счетчики (такие как водяные и электрические) могут быть оборудованы M2M-технологиями для автоматической передачи данных потребления сервис-провайдеру, что исключает необходимость ручного сбора данных и повышает точность выставления счетов.

2. Промышленная автоматизация: M2M-коммуникации могут применяться для автоматизированного контроля и управления промышленными процессами, такими как производственные линии.

3. Мониторинг на расстоянии: M2M-устройства могут быть использованы для дистанционного наблюдения и управления разнообразными системами, в том числе системами безопасности, системами отопления, вентиляции и кондиционирования, а также системами полива.

4. Мониторинг транспортных средств: Технологии M2M могут применяться для отслеживания положения и состояния транспортных средств, а также для мониторинга и управления различными системами на борту транспортного средства (например, двигателя, тормозов, шин).

5. Медицина: Приложения M2M могут быть применены для дистанционного мониторинга состояния пациентов и отправки оповещений медицинскому персоналу при возникновении экстренных ситуаций.

Сферы применения M2M-приложений невероятно разнообразны, и с развитием технологий появляются новые возможности.

Заключение

В итоге, технология M2M стала ключевым элементом в современном обществе, где автоматизация и коммуникация между устройствами занимают центральное место. Эта технология открывает уникальные шансы для усовершенствования рабочих процессов, повышения производительности и разработки новых услуг и приложений. M2M уже находит применение в разнообразных сферах, включая промышленность, авто-пром, медицину и многие другие, и ее возможности продолжают увеличиваться.

Тем не менее, в контексте разрастания M2M-технологий, необходимо уделять должное внимание вопросам безопасности и конфиденциальности. Взаимодействующие устройства

X

о

го >

п.

X

го m

о

ю .

2 О

Is) W

создают новые слабые точки, и критически важно предпринимать шаги по их защите от неправомерного доступа и злоупотребления информацией. Разработка и внедрение жестких стандартов безопасности, а также повышение уровня знаний и осведомленности среди пользователей, являются ключевыми аспектами для последующего благоприятного развития М2М-технологий.

В общей сложности, М2М-технология открывает новые горизонты для современного мира, где устройства становятся все более взаимосвязанными и умными. Эта технология вносит в нашу жизнь производительность, автоматизацию и новые уровни комфорта. При соблюдении строгих стандартов и эффективных мер безопасности, М2М-технология будет продолжать развиваться, способствуя прорыву в инновациях и улучшению качества жизни населения.

Литература

1. NB-IOT против LTE-М (4G), 5G. Каким будет "Интернет вещей"?. Дата просмотра 10.01.2023 itkvariat.com/o-raznom/886-nb-iot-protiv-lte-m-4g-5g-kakim-budet-internet-veschey.html.

2. Как общаются машины — протокол MQTT. Дата просмотра 10.01.2023 habr.com/ru/company/advantech/blog/452904/.

3. LPWAN. Дата просмотра 10.01.2023 ru.wikipedia.org/wiki/LPWAN.

4. ETSI М2М high-level architecture. Дата просмотра 10.01.2023

www.sitams.org/assets/pages/cse/material/R16/IVyearIIsem/IOT/I IIUNIT_IOT.pdf.

5. Стандартизация М2М. Дата просмотра 10.01.2023 ozlib.com/950136/tehnika/standartizatsiya.

Application of M2M technology for automation and systems management: an

overview and application examples Lebedev I.V., Gyunzikov A.B., Dzhangayev D.B., Tagirov N.U., Zabitov B.M.

Moscow Technical University of Communications and Informatics JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90

This article presents a synthesized assessment of the use of M2M (Machine-to-Machine) technology for automated system control. The key aspects of M2M technology, which allows devices to exchange information without direct human participation, are outlined. The analysis of the pros and cons of this technology is carried out, taking into account its application in different areas.

The article focuses on the potential of M2M applications in the fields of industry, transport, medicine and smart homes. Specific examples are presented demonstrating the application of M2M technology, such as automated data collection from utility meters, industrial automation, remote monitoring of systems, monitoring of the geolocation of vehicles and improving the quality of medical services.

For each example, a detailed presentation and analysis of the benefits that can be obtained through the use of M2M technology in the relevant area is provided. The benefits in automation, streamlining workflows, increasing productivity and improving user experience are considered.

The article concludes with a synthesizing conclusion about the importance and prospects of M2M technology in the context of automation and systems management. Advice is given on the future development of this area and potential areas for research.

Keywords: M2M, technology, automation, management, application examples, industry, transport, healthcare, smart home.

References

1. NB-IOT vs. LTE-M (4G), 5G. What will be the "Internet of Things"?. Viewed on

01/10/2023 itkvariat.com/o-raznom/886-nb-iot-protiv-lte-m-4g-5g-kakim-budet-internet-veschey.html.

2. How machines communicate - MQTT protocol. Viewed on 01/10/2023

habr.com/ru/company/advantech/blog/452904/.

3.LPWAN. Viewed on 01/10/2023 en.wikipedia.org/wiki/LPWAN.

4. ETSI M2M high-level architecture. Accessed 01/10/2023 www.sitams.org/assets/pages/cse/material/R16/IVyearIIsem/IOT/IIIUNIT_IOT.p df.

5. Standardization of M2M. Viewed on 01/10/2023 ozlib.com/950136/tehnika/standartizatsiya.

CO CS

о

CS <0

о ш m

X

<

m О X X