CC BY
15
УДК 004.031.4 https://doLorg/10.35546/kntu2078-4481.2020.3Л2
О.В. 1ВАНЧУК
Херсонський нацюнальний техшчний унiверситет
ORCID: 0000-0002-2058-4707 В.М. КОЗЕЛ
Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет
ORCID: 0000-0002-2627-2499 е.А. ДРОЗДОВА
Херсонський нацiональний технiчний унiверситет
ORCID: 0000-0003-0276-6387 ПРОБЛЕМИ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТ1 СИСТЕМ 1НТЕРНЕТУ РЕЧЕЙ
У робоmi розглянуто проблеми енергоефективностi 1оТ систем при використанш джерел живлення обмеженоИ eмностi. До таких джерел живлення вiдносяться акумулятори та одноразовi батареи. Невеликий обсяг енергИ у джерелi живлення 1оТ пристроив потребуе додаткового часу для проектування системи, що буде взаемодiяти з 1оТ пристроями. При правильному проектуваннi користувач буде рiдше втручатися у роботу системи для замши джерела живлення.
У системi 1нтернету речей пристроИ, що представляють собою датчики або контролери, об'еднанш одтею мережею. Ця система використовуеться для полiпшення умов кнування людини, та повинна працювати без втручання користувача. У таких системах джерела живлення мають надавати можливкть 1оТ пристроям працювати протягом декшькохроюв без необхiдностi ИхньоН замши.
При проектуваннi 1оТ системи необхiдно виконати анализ протоколiв обмту даними для вибору оптимальних для роботi у системi. Протоколи можна роздшити на двi категорИ: протоколи передачi сигналiв та протоколи структури даних.
Протоколи передачi сигналiв визначають середовище передачi даних, частотш характеристики сигналiв, методи кодування даних, структуру пакетiв даних.
Протоколи структури даних визначають метод опису даних для швидкого вiдокремлення одних даних вiд iнших тд час обробки.
Для вибору протоколiв необхiдно визначити данi, що будуть передаватися у мережi, далi провести анализ типiв даних, та на основi анализу визначити оптимальний протокол структури даних.
Також необхiдно визначити протокол передачi сигналiв. Вiн мае опиратися на протоколи структури даних, осюльки Их данi будуть передаватися у 1оТ сисmемi. Можна переглянути характеристики швидкосmi передачi даних та радiус покриття. Протоколи з великою швидюстю передачi даних швидше виснажують джерело живлення. Якщо немае необхiдносmi у великш швидкосmi, то так протоколи можна вiдразу вiдкинуmи.
Можливi ситуацИ, коли деюлька проmоколiв будуть давати однаковi результати. У такому випадку розробники системи повиннi вирШувати, який з них використовувати.
Ключовi слова: 1нтернет, 1нтернет речей, мережа, 1оТпристроИ, комп'ютерна система.
А.В. ИВАНЧУК
Херсонский национальный технический университет
ORCID: 0000-0002-2058-4707 ВН. КОЗЕЛ
Херсонский национальный технический университет
ORCID: 0000-0002-2627-2499 е.А. ДРОЗДОВА
Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет
ORCID: 0000-0003-0276-6387 ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ
В работе рассмотрены проблемы энергоэффективности 1оТ систем при использовании источников питания ограниченной емкости. К таким источникам питания относятся аккумуляторы и одноразовые батареи. Небольшой объем энергии в источнике питания 1оТ устройств требует дополнительного времени для проектирования системы, которая будет взаимодействовать с 1оТ устройствами. При правильном проектировании пользователь будет реже вмешиваться в работу системы для замены источника питания.
В системе Интернета вещей устройства, представляющие собой датчики или контроллеры, объединены одной сетью. Эта система используется для улучшения условий существования человека, и должна работать без вмешательства пользователя. В таких системах источники питания должны предоставлять возможность IoTустройствам работать в течение нескольких лет без необходимости замены.
При проектировании IoT системы необходимо выполнить анализ протоколов обмена данными для выбора оптимальных для работы в системе. Протоколы можно разделить на две категории: протоколы передачи сигналов и протоколы структуры данных.
Протоколы передачи сигналов определяют среду передачи данных, частотные характеристики сигналов, методы кодирования данных, структуру пакетов данных.
Протоколы структуры данных определяют метод описания данных для быстрого отделения одних данных от других во время обработки.
Для выбора протоколов необходимо определить данные, которые будут передаваться в сети, далее провести анализ типов даннях, и на основании анализа определить оптимальный протокол структуры данных.
Также необходимо определить протокол передачи сигналов. Он должен опираться на протоколы структуры данных, поскольку их данные будут передаваться в IoT системе. Можно просмотреть характеристики скорости передачи данных и радиус покрытия. Протоколы с большой скоростью передачи данных быстрее истощают источник питания. Если нет необходимости в большой скорости, то такие протоколы можно сразу отбросить.
Возможны ситуации, когда несколько протоколов будут давать одинаковые результаты. В таком случае разработчики системы должны решать, какой из них использовать.
Ключевые слова: Интернет, Интернет вещей, сеть, IoT устройства, компьютерная система.
O.V. IVANCHUK
Kherson National Technical University
ORCID: 0000-0002-2058-4707 V.M. KOZEL
Kherson National Technical University
ORCID: 0000-0002-2627-2499 Ye.A. DROZDOVA
Kherson National Technical University
ORCID: 0000-0003-0276-6387 PROBLEMS OF ENERGY EFFICIENCY OF IOT SYSTEMS
The paper considers the energy efficiency problems of IoT systems when using power supplies of limited capacity. Such power sources include batteries and disposable batteries. The small amount of energy in the power supply of IoT devices requires additional time to design a system that will interact with IoT devices. With proper design, a person will be less likely to interfere with the system to replace the power supply.
In the Internet of Things, devices that are sensors or controllers are connected by a single network. This system is used to improve the living conditions of man, and should work without human intervention. In such systems, power supplies should allow IoT devices to operate for several years without replacing the power supply.
When designing an IoT system, it is necessary to perform an analysis of data exchange protocols to select the optimal ones to work in the system. Protocols can be divided into two categories: signaling protocols and data structure protocols.
Signal transmission protocols determine the data transmission medium, frequency characteristics of signals, data encoding methods, the structure of data packets.
Data structure protocols define a method of describing data to quickly separate some data from others during processing.
To select protocols, you must define the data that will be transmitted over the network. Next, analyze the data types. Based on the analysis, determine the optimal data structure protocol.
Then you need to determine the signal transmission protocol. It must rely on the data structure protocol, as its data will be transmitted in the IoT system. You can view the baud rate and coverage radius. High-speed protocols deplete the power supply faster. If there is no need for high speed, then such protocols can be discarded immediately.
There may be situations where several protocols will give the same results. In this case, system developers must decide which one to use.
Keywords: Internet, Internet of Things, network, IoT devices, computer system.
Постановка проблеми
Розвиток технологш nproBiB до появи систем розумного будинку, що мають тдключення до мереж 1нтернет. Компоненти таких систем отримали назву IoT пристро! або пристро! 1нтернету речей.
Для обм^ даними у таких мережах використовуеться дротове або бездротове з'еднання. При використанш бездротового з'еднання можливе використання енергоефективних пристро!в, що мають власне джерело живлення. Це можуть бути акумулятори або одноразовi батаре!.
Проблемою таких пристро!в е час, за який джерело живлення буде виснажене. Це накладае обмеження на протоколи обмiну даними, що використовуватимуться у система
Обмiн даними буде постшно виснажувати джерело живлення, що може призвести до постшно! необхiдностi тдзарядки акумуляторiв або замiни батарей. Постшне оновлення нiвелюе можливiсть роботи системи незалежно вiд людини, що е головною концепщею IoT систем, за якою система працюе в автоматичному режимi без втручання людини.
Система в автоматичному режимi отримуе даш з IoT пристро!в, виконуе обробку даних та вщправляе команди на пристро! для тдтримки комфортного юнування людини.
Аналiз останшх дослiджень i публiкацiй
У роботi [1] приводиться дослщження оптимiзацп енерговитрат при використанш IoT систем. Впровадження рiзних видiв вiдновлюваних джерел енерги потребуе децентратзованих систем керування енергетичних систем. Для цього можливе використання IoT систем, як вщповщатимуть за окремi дмнки енергосистем, а також матимуть необов'язковi центри централiзованого керування.
У робот [2] виконано дослiдження для прогнозування енерговитрат систем, що використовують IoT пристро!, до 2025 року. Видшено 4 основних напрямки пристро!в, на яш приходяться основнi енерговитрати: системи освгглення з вiддаленим керуванням, камери безпеки, шлюзи керування та аудюсистеми.
Для IoT систем рекомендуеться зменшення показник1в енергоспоживання для вiдповiдностi стандарту MEPS (Minimum Energy Performance Standards), або угоди про використання стандарпв низько! потужносп у бездротових мережах.
У робот [3] приведено аналiз сенсорiв IoT пристро!в на основi енерговитрат пiд час роботи. Зпдно з отриманими результатами необхiдно виконати аналiз програмного забезпечення на вщповщшсть потребам IoT системи, що може дозволити зменшити енерговитрати, оск1льки не будуть виконуватися непотрiбнi дп. Для аналiзу використано протокол LoRa та платформа Arduino.
У роботi [4] приведено аналiз залежностi безпеки IoT систем вщ енерговитрат системи. У сучасних енергоефективних системах вузли IoT мають обмежеш ресурси для тдтримки безпеки обмшу даними. Через це необхщне дослiдження протоколiв безпеки, що не будуть навантажувати пристро! з обмеженими ресурсами.
В робоп [9] проводиться аналiз протоколiв структури даних. Мiнiмальний обсяг даних для передачi мае протокол CoAP, але протокол вимагае постшного очiкування пiдключення для оновлення даних, що збшьшуе енерговитрати. Протокол MQTT потребуе додатково! передачi пакету даних, але на це витрачаеться менша к1льк1сть енерги, нiж на постшну пiдтримку пiдключення вiд центру обробки.
Формулювання мети дослiдження
Метою роботи е дослщження проблем енерговитрат у системах з IoT пристроями, яш мають власнi джерела живлення обмеженого обсягу, що може призвести до нерентабельносп використання системи.
Викладення основного матерiалу дослiдження
1нтернет речей (IoT, Internet of Things) - це комп'ютерна система, що об'еднуе у собi фiзичнi об'екти, як1 мають вбудоваш датчики та програмне забезпечення, за допомогою комп'ютерних мереж.
Основним призначенням тако! системи е автоматизацiя процеав для забезпечення комфорту iснування людини, без втручання само! людини у систему.
Система мае власний центр обробки даних для забезпечення перевiрки даних, що отриман вщ пристро!в збору даних, для вщправки команд керування на пристро! виконання. На рисунку 1 зображена схема взаемодп у системi 1нтернету речей.
Процес передачi даних м1ж IoT пристроями та центром обробки вимагае значних енерговитрат, що формуе проблему швидкого виснаження джерела живлення.
За зоною покриття IoT системи можна роздшити на три категорп:
- Персональш - зона покриття радiусом до 10 метрiв. Дозволяе об'еднувати IoT пристро! в межах шмнати.
- Бездротовi мереж1 - зона покриття до 100 метрiв. Об'еднуе пристро! в межах будинку.
- Мереж1 з великомасштабним розгортанням - дозволяють виконувати передачу даних на вiдстань у дешлька кiлометрiв, що може покрити частину або усе мiсто.
Рис 1. Взаeмодiя у системi 1нтернету речей
У мережах з великомасштабним розгортанням сенсорних вузл1в або медичних 1мплантат1в термш служби 1оТ пристро!в повинен становити мюящ або роки. У деяких умовах експлуатацп часта замша батарей стае дорогою 1 недоцшьною, або неможливою. Тому з метою економп енергп пристро! (наприклад, сенсорш вузли) зазвичай функцюнують з дуже коротким робочим циклом 1 б1льшу частину часу перебувають в режим1 оч1кування або в сплячому режиму активуючись лише при необхвдносп або в1дпов1дно до розкладу.
У високопродуктивних пристроях i шлюзах на процесор, дисплей i бездротовi модулi припадае велика частина загального енергоспоживання. Цi пристро! оснащен шлькома бездротовими iнтерфейсами, i найчаспше вони для виконання бiльш складних завдань обробки повиннi перебувати в активному режимг
Для вирiшення те! проблеми необхiдно при формуваннi системи проводити аналiз даних, що будуть передаватися у системi, та площi територи, на як1й працюватиме система. На основi отриманих даних обираються протоколи, за якими працюватиме система, з оптимальним часом активносп IoT пристро!в.
Протоколи, як1 використовуються у IoT системах, можна роздiлити на дш категорп:
1) Протоколи передачi сигналiв.
2) Протоколи структури даних.
При розробт системи необхiдно використовувати обидвi категорп. Протоколи передачi сигналiв визначають середовище передачi даних, частотш характеристики сигнал1в, методи кодування даних, структуру пакепв даних.
Протоколи структури даних визначають метод опису даних для швидкого вщокремлення одних даних вщ iнших пiд час обробки.
До протоколiв передачi сигналiв вщносяться:
- Wi-Fi;
- Bluetooth;
- NB-IoT (Narrow Band Internet of Things);
- ZigBee;
- MeshLogic;
- 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks);
- WirelessHART (Wireless Highway Addressable Remote Transducer Protocol);
- rnmi.
Кожен з протоколiв мае опис методу з'еднання мiж пристроями для передачi даних, швидкiснi характеристики, вщстань передачi.
До протоколiв структури даних вщносяться:
- HTTP (HyperText Transfer Protocol);
- SOAP (Simple Object Access Protocol);
- XMPP (extensible Messaging and Presence Protocol);
- STOMP (Streaming Text Oriented Messaging Protocol);
- CoAP (Constrained Application Protocol);
- MQTT (Message Queue Telemetry Transport);
- MQTT-SN (Message Queue Telemetry Transport for Sensor Networks);
- Протоколи власно! розробки.
У деяких випадках тд час розробки системи може з'явитися необхщтсть спецiалiзованого опису даних тд час передача Це може зменшити час передачi та покращити енергоефективтсть.
Правильна комбшацгя протоколiв дозволяе уникнути проблем з енергоефектившстю пiд час обмiну даними.
Деякi з протоколiв вимагають постiйноi пiдтримки з'еднання IoT пристрою з системою. Якщо система не повинна негайно реагувати на змши стану, то протоколи з постшним з'еднанням лише виснажуватимуть джерело живлення.
Процес вибору протоколiв вiдображено на рисунку 2.
Анашз nporoKonie структур к даних для вибору оптимального Анал 11 прогокол i в передач! сигнал!в для вибору оптимального вар!анту A Hani з ком6|нашй протокол! в на оптимальшсть
г W
Рис 2. Процес вибору протоколiв
Можливi ситуацii, коли дешлька протоколiв будуть давати однаковi результати. У такому випадку вже розробники системи мають вирiшувати, який використовувати.
У таблицi 1 приведено вщстань передачi, час виснаження джерела живлення, швидкiсть передачi та об'ем пакету даних для протоколiв передачi сигналiв.
Таблиця 1
Теоретичний час роботи IoT пристро'Гв [5-8]_
Протокол Вiдстань передачi Час виснаження джерела живлення Швидшсть передачi Об'ем пакету даних
Wi-Fi < 100 м. декшька тсящв 2 Гбiт/сек. 32 байта
Bluetooth < 50 м. декшька тсящв 24 Мбiт/сек. 7 байт
NB-IoT < 50 км. 1-2 роки 250 Шт/сек. 7 байт
ZigBee < 100 м. 5-10 роки 250 Кбiт/сек. 31 байт
MeshLogic < 100 м. 4-7 рошв 250 Шт/сек. 31 байт
6LoWPAN < 800 м. дешлька тсящв 250 Шт/сек. 31 байт
WirelessHART < 255 м. 4-10 рошв 250 Шт/сек. 31 байт
Представлен даш спираються лише на теоретичний розрахунок часу роботи тд час проектування протоколiв.
При виборi протоколу для IoT системи важливо визначити перiодичнiсть передачi даних. Якщо система потребуе часто! передачi даних, то час виснаження джерела живлення може бути набагато меншим. Для таких випадшв потрiбне централiзоване постшне живлення, або джерела живлення з можливютю поновлення без втручання людини. Це може бути, наприклад, сонячна енергiя. Якщо на IoT пристрш потрапляе сонячне свiтло, то можливе поновлення запаав енерги для збшьшення часу роботи.
На основi даних таблиц 1 побудована порiвняльна дiаграма характеристик протоколiв передачi сигналiв. Дiаграма вiдображена на рисунку 3.
Рис 3. Дiаграма характеристик протоколiв передачi сигналiв
Згiдно з дiаграмою на рисунку 3 деяк протоколи, так як: Wi-Fi, Bluetooth та 6LoWPAN, мають досить малий час роботи вшносно iнших. Це пов'язано зi швидк1стю передачi даних цих протоколiв та технiчних даних у пакетах. Збшьшення швидкосп та велика кшьшсть технiчних даних зменшуе час роботи вш акумуляторiв та батарей.
В деяких випадках велика швидк1сть необхшна, оск1льки можливий потiк велико! кшькосп даних (наприклад, вiдеоспостереження). Але бшьштсть датчиков передають невелику к1льк1сть даних, тому велик! швидкосп !м не потрiбнi, що дозволяе вiдкидати швидш енерго- неефективнi протоколи.
Висновки
Проблема енергоефективносп IoT систем потребуе правильного вибору протоколiв обмiну даними пiд час проектування системи. При неправильному виборi виникне проблема замши джерел живлення у IoT пристро!в. Частi замiни джерел живлення значно пiдвищать вартiсть обслуговування тако! системи, що може зробити ii нерентабельною у використаннi.
Список використаноТ лiтератури
1. Naser Hossein Motlagh, Mahsa Mohammadrezaei, Julian Hunt, Behnam Zakeri. Internet of Things (IoT) and the Energy Sector. Energies. 2020. Vol. 13(2). p. 27.
2. Rainer Kyburz. Energy Efficiency of the Internet of Things. IEA 4EEDNA. 2016. p. 23.
3. Toni Perkovi'c, Slaven Damjanovi'c, Petar Soli'c, Luigi Patrono, and Joel J.P.C. Rodrigues. Meeting Challenges in IoT: Sensing, Energy Efficiency, and the Implementation. Fourth International Congress on Information and Communication Technology. 2020. p. 419-430.
4. Shreyas Sen, Jinkyu Koo, Saurabh Bagchi. TRIFECTA: Security, Energy Efficiency, and Communication Capacity Comparison for Wireless IoT Devices. IEEE Internet Computing. 2018. Vol. 22, Issue 1. p. 7481.
5. Yasin Kabalci, Ersan Kabalci, Sanjeevikumar Padmanaban, Jens Bo Holm-Nielsen, Frede Blaabjerg. Internet of Things Applications as Energy Internet in Smart Grids and Smart Environments. Electronics. 2019. № 8. p. 27.
6. Lee, J.S., Dong, M.F., Sun, Y.H. A preliminary study of low power wireless technologies: ZigBee and Bluetooth low energy. In Proceedings of the 2015 IEEE 10th Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA), 15-17 June 2015, Auckland, 2015. p. 135-139.
7. Tran Duc Chung, Rosdiazli Ibrahim, Vijanth Sagayan Asirvadam, Nordin Saad, Sabo Miya Hassan. Energy Consumption Analysis of WirelessHART Adaptor for Industrial Wireless Sensor Actuator Network. 2016 IEEE International Symposium on Robotics and Intelligent Sensors, IRIS 2016, 17-20 December 2016, Tokyo, Japan. Tokyo, 2016. p. 8.
8. Ardiansyah Musa Efendi, Seungkyo Oh, Ali Fahmi Perwira Negara, Deokjai Choi. Battery-Less 6LoWPAN-Based Wireless Home Automation byUse of Energy Harvesting. International Journal of Distributed Sensor Networks. 2013. № 4. p. 8.
9. 1ванчук О.В., Завгороднш В.В., Козел В.М., Дроздова £.А. Аналiз протоколiв обм^ даними для керування системами штернету речей. Вчет записки ТНУ 1мет В.1. Вернадського. Сер1я: Технгчнг науки. 2020. № 31. С. 99-104.
References
1. Naser Hossein Motlagh, Mahsa Mohammadrezaei, Julian Hunt, Behnam Zakeri. Internet of Things (IoT) and the Energy Sector. Energies, 2020, no.13(2), p. 27. doi: 10.3390/en13020494 .
2. Rainer Kyburz. Energy Efficiency of the Internet of Things. IEA 4E EDNA, 2016, p. 23.
3. Toni Perkovi'c, Slaven Damjanovi'c, Petar Soli'c, Luigi Patrono, and Joel J.P.C. Rodrigues. Meeting Challenges in IoT: Sensing, Energy Efficiency, and the Implementation. Fourth International Congress on Information and Communication Technology, 2020, pp. 419-430/ doi: 10.1007/978-981-15-0637-6_36 .
4. Shreyas Sen, Jinkyu Koo, Saurabh Bagchi. TRIFECTA: Security, Energy Efficiency, and Communication
Capacity Comparison for Wireless IoT Devices. IEEE Internet Computing, 2018, no. 22, p. 74-81. doi: 10.1109/MIC.2018.011581520 .
5. Yasin Kabalci, Ersan Kabalci, Sanjeevikumar Padmanaban, Jens Bo Holm-Nielsen, Frede Blaabjerg. Internet of Things Applications as Energy Internet in Smart Grids and Smart Environments. Electronics, 2019, no. 8, p. 27.
6. Lee, J.S., Dong, M.F., Sun, Y.H. A preliminary study of low power wireless technologies: ZigBee and Bluetooth low energy. In Proceedings of the 2015 IEEE 10th Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA), 2015,. pp. 135-139.
7. Tran Duc Chung, Rosdiazli Ibrahim, Vijanth Sagayan Asirvadam, Nordin Saad, Sabo Miya Hassan. Energy Consumption Analysis of WirelessHART Adaptor for Industrial Wireless Sensor Actuator Network. 2016 IEEE International Symposium on Robotics and Intelligent Sensors, IRIS 2016, 2016, p. 8. doi: 10.1016/j.procs.2017.01.215 .
8. Ardiansyah Musa Efendi, Seungkyo Oh, Ali Fahmi Perwira Negara, Deokjai Choi. Battery-Less 6LoWPAN-Based Wireless Home Automation byUse of Energy Harvesting. International Journal of Distributed Sensor Networks, 2013, no. 4, p. 8. doi: 10.1155/2013/924576 .
9 . Ivanchuk O.V., Zavgorodii V.V., Kozel V.M., Drozdova Ye.A. Analiz protokoliv obminu danymy dlia keruvannia systemamy internetu rechei [Analysis of data exchange protocols for managing Internet of Things systems]. Vcheni zapysky TNU imeni V.I. Vernadskoho. Seriia: Tekhnichni nauky - Scientific notes of TNU named after VI Vernadsky. Series: Technical Sciences, 2020, no.2(31). pp. 99-104. doi: 10.32838/2663-5941/2020.2-1/15 .
