CC BY
24
УДК 004.031.4
Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет
ORCID: 0000-0003-0276-6387
РОЗРОБКА СИСТЕМИ ЗБОРУ 1НФОРМАЦП В1Д IoT ПРИСТРО1В
У cmammi розглянуто проблеми поширення 1оТ-пристрош. Виконано до^дження використання 1оТ-пристро'1'в. Виявлен проблеми, що заважають широкому застосуванню 1оТ-пристро1в. Виконано огляд системи Orvibo Zigbee Minihub EU та виявлено, що система не дозволяе виконувати збiр даних з будь-яких 1оТ-пристрош. Orvibo Zigbee Minihub EU дозволяе ¡хне використання лише за допомогою власного протоколу ZigBee. Через це прийняте рiшення розробити систему, що виконуватиме збiр даних та не буде мати обмежень щодо роботи за одним протоколом. Розроблено програмно-апаратну систему, що виконуватиме збiр та передачу даних з 1оТ-пристрош, яка матиме одну IP-адресу, а також програмну реалiзацiю збору тформацп з 1оТ-пристрош з подальшою можливiстю аналiзувати та обробляти отримаш данi i виконувати запити вiд даних пристроiв. Для запропоновано'1' системи розроблено структурну схему на базi мжроконтролера ATMega328p для обмту даними мiж IoT-пристроями. Для роботи системи розроблено програмне забезпечення для пристрою та комп 'ютеру, яке дозволяе на сторiнцi кодiв задавати для кожного коду ункальне iм'я, для полегшення взаемодИ з кодами. Також програмне забезпечення виконуе запит на пошук 1оТ-пристро'1'в. Якщо IoT- пристрш у цей час виконуе передачу коду, то пристрш зафжсуе його у свое'1' пам'ятi та зможе з ним взаемодiяти. На сторiнцi дш можна додати вiдповiдну дт при отриманн певного коду, що дозволить автоматизувати дп, пов 'язанн з 1оТ-пристроями. Програма дозволяе переглянути останнi поди, що вiдбулися з 1оТ-пристроями.
Розроблена система збору тформацп дозволяе використовувати протокол передачi даних вiд р1зних IoT пристро'1'в через Wi-Fi канал. Зважаючи на те, що застосований в спроектоватй системi мжроконтролер е щлком доступним, вартiсть даного пристрою значно менша тж у ршень, ят представленi нинi на ринку пристро'1'в. Подальше удосконалення програмного забезпечення для розроблено'1' системи дозволить пiдвищити безпеку мереж за допомогою сучасних алгоритмiв шифрування.
Ключовi слова: 1нтернет, ттернет речей, IoT платформа, мережа пристро'1'в, розумний будинок, комп 'ютерна система, безпека, мжроконтролер, програмне забезпечення.
В статье рассмотрены проблемы распространения 1оТ-устройств. Выполнены исследования использования 1оТ-устройств. Выявлены проблемы, мешающие широкому применению 1оТ-устройств. Выполнен обзор системы О^Ьо Zigbee Minihub Еи и выявлено, что система не позволяет выполнять сбор данных с любых 1оТ-устройств. Orvibo Zigbee Minihub Еи позволяет их использование только с помощью собственного протокола ZigBee. Поэтому принято решение разработать систему, которая будет выполнять сбор данных, но не будет иметь ограничений для работы по одному протоколу. Разработана программно-аппаратная система, которая будет выполнять сбор и передачу данных с 1оТ-устройств и будет иметь один 1Р-адрес, а также программная реализация сбора информации с 1оТ-устройств с последующей возможностью анализировать и обрабатывать полученные данные и выполнять запросы от данных устройств. Для предложенной системы разработана структурная
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ СБОРА ИНФОРМАЦИИ ОТ IoT УСТРОЙСТВ
схема на базе микроконтроллера ATMega328p для обмена данными между IoT устройствами. Для работы системы разработано программное обеспечение для устройства и компьютера, которое позволяет на странице кодов задавать для каждого кода уникальное имя, для облегчения взаимодействия с кодами. Также программное обеспечение выполняет запрос на поиск IoT-устройств. Если IoT- устройство в это время выполняет передачу кода, то устройство зафиксирует его в своей памяти и сможет с ним взаимодействовать. На странице действий можно добавить соответствующее действие при получении определенного кода, что позволит автоматизировать действия, связанные с IoT устройствами. Программа позволяет просмотреть последние события, произошедшие с IoT устройствами.
Разработаная система сбора информации позволяет использовать протокол передачи данных от различных IoT устройств используя Wi-Fi канал. Благодаря тому, что примененный в спроектированной системе микроконтроллер является доступным, стоимость данного устройства значительно меньше, чем у решений, которые представлены сейчас на рынке устройств. Дальнейшее совершенствование программного обеспечения для разработанной системы позволит повысить безопасность сетей с помощью современных алгоритмов шифрования.
Ключевые слова: Интернет, интернет вещей, IoT платформа, сеть устройств, умный дом, компьютерная система, безопасность, микроконтроллер, программное обеспечение.
V.M. KOZEL
Kherson National Technical University
ORCID: 0000-0002-2627-2499 O.V. IVANCHUK
Kherson National Technical University
ORCID: 0000-0002-2058-4707 Ye.A. DROZDOVA
Kherson National Technical University
ORCID: 0000-0003-0276-6387 DEVELOPMENT OF SYSTEM FOR COLLECTING INFORMATION FROM IoT DEVICES
The article discusses the problems of distribution of IoT devices. A study on the use of IoT devices. Identified problems that impede the widespread use of IoT devices. A review of the Orvibo Zigbee Minihub EU system was performed and it was determined that the system does not allow data collection from arbitrary IoT devices. Orvibo Zigbee Minihub EU allows the use of IoT devices only using its own ZigBee protocol. In connection with this, a system was developed that performs data collection and does not require devices designed to operate on a single protocol. A hardware and software system has been developed that collects data from IoT devices and has one IP address, as well as a software implementation of data collection from IoT devices with the further ability to analyze and process the received data, and perform requests from these devices. For the proposed system, a block diagram has been developed based on the ATMega328p microcontroller for exchanging data between IoT devices. For the system to work, software was developed for the device and the computer, which allows you to set a unique name for each code, which simplifies interaction with codes. The software also performs a search request for IoT devices. When the IoT device transfers the code, the system will fix it in its memory and will be able to interact with it. The hardware-software complex allows you to add the appropriate action when you receive a specific code, which allows you to automate actions associated with IoT devices. The program allows you to view the latest events that have occurred with IoT devices. The program allows you to view the latest developments with IoT-devices.
The developed information collection system allows the use of data transfer protocol from various IoT devices using Wi-Fi channel. Due to the fact that the microcontroller used in the designed system is affordable, the cost of this device is significantly less than the solutions that are currently on the device market. Further improvement of the software for the developed system will improve network security using modern encryption algorithms.
Keywords: internet, internet of things, IoT platform, device network, smart home, computer system, security, microcontroller, software.
Постановка проблеми
Кожного дня розробляються нов! пристро!, що мають тдключення до глобально! мереж! 1нтернет. У 2009 рощ шльшсть пристро!в, тдключених до 1нтернет, зр!внялася з шльшстю населення Земл!, через що «штернет людей» став «штернетом речей». Вже у 2017 рощ шльшсть пристро!в досягла 20 млрд. По прогнозам компанп Cisco шльшсть пристро!в, що мають тдключення до мереж 1нтернет, в найближчий час складе 50 млрд.
Велика шльшсть розробнишв включае до сво!х пристро!в елементи «розумного будинку» для виконання дш, вказаних користувачем, через тдключення до мереж1 1нтернет.
Зважаючи на постшне зростання шлькосп пристро!в з елементами «розумного будинку», корпорацй' почали розробку систем взаемоди м1ж ними для реагування одних пристро!в на поди з шших пристро1в.
Системи, в яких вщбуваеться обмш даними м1ж пристроями, отримали назву «1нтернет речей». В таких системах уа пристро! здатт на обмш даними з мережею 1нтернет напряму або через концентратор, що мае тдключення до глобально! мереж!
Використовуючи моб1льн1 додатки або WEB-сторшки, користувач може отримати доступ до концентратора та виконати налаштування 1оТ-пристро!в, або обрати команду для виконання ними. При цьому немае необхвдносп присутносп б1ля концентратора, достатньо мати доступ до мереж! 1нтернет та знати IP чи WEB адресу для тдключення до концентратора.
Аналiз останшх дослщжень i публжацш
1нтернет речей (IoT) - це всесвггня павутина, в як1й електронш пристро! спшкуються м1ж собою без втручання людини. IoT-пристро! можуть виконувати збирання шформаци про зовтшне середовище, передачу з1браних даних та !хню обробку [1]. Використання цих можливостей дозволяе автоматизувати деяк1 дй' з повсякденного життя людини.
На даний час е калька проблем, що заважають подальшому поширенню IoT-пристро!в [2]:
- проблеми виконання вщдаленого тдключення;
- проблема безпеки [3];
- проблема стандартизации
Для щдключення до мереж1 1нтернет пристрш мае отримати власну IP-адресу. Нараз1 найпоширетшим е стандарт IPv4, який може видати близько 4,22 мшьярда адрес. Але шльшсть пристро!в, що потенцшно можуть здшснювати тдключення до мереж1 1нтернет, вже бшьше шлькосл наявних адрес.
Наявшсть проблеми безпеки 1нтернету речей призводить до можливост1 несанкцюнованого проникнення до систем будинк1в або до мереж! пвдприемства через IoT-пристро!.
Якщо ран1ше розробка комп'ютерних систем традицшно велася з урахуванням 1зольованого середовища, то нин1 IoT-пристро! потребують пост1йного доступу до глобально! мереж1 для взаемодй' з 1ншими пристроями.
Формулювання мети дослiдження
Метою роботи було дослщження використання IoT-пристро!в для виявлення проблем, що заважають !хньому подальшому поширенню, та розробка системи, що виконуватиме зб1р та передачу даних з !оТ-пристро!в, i при цьому матиме одну IP-адресу.
Викладення основного матерiалу дослiдження
Для !оТ-пристро!в безпека гарантуеться, перш за все, цшсшстю коду, перевiркою автентичностi користувачiв (пристро!в), встановленням права володiння, а також можливютю вiдбиття вiртуальних i фiзичних атак. Але бiльшiсть !оТ-пристро!в, що працюють сьогоднi, не забезпечеш елементами захисту, мають доступнi ззовш iнтерфейси управлiння, стандартнi паролi, тобто, мають ва ознаки веб-уразливосп [2,4].
Оск1льки 1нтернет речей - молодий i потенцшно дуже емний ринок, так! компани'-лвдери ринку, як Google, Intel, Apple, Microsoft пропонують сво! платформи для цiе! технологи.
Кожна розробка ново! платформи створюе новий стандарт, через що розробникам ^Т-пристроЛв доводиться обирати з наявно! безлiчi единий стандарт, за яким пристрш буде працювати. Це створюе проблему ввдсутносп сум!сност! м!ж уйма платформами.
Обмш даними з IoT-пристроями може виконуватися за технологiями:
- Bluetooth [5];
- Wi-Fi [6,7,8];
- Радюканал на частой 315 або 433 МГц [6].
Виршенню цих проблем сприятиме розробка системи, що буде виконувати з6!р та передачу даних (рис.1) з ^Т-пристроЛв. Особливютю розроблювано! системи е те, що вона мае використовувати одну IP-адресу та буде захищеною ввд атак через мережу.
Бездротова точка доступу
Рис. 1. Зв'язок 1оТ-пристро1в з системою збору даних
Пристрш виконуе збiр даних з 1оТ-пристро!в через радюканал на частотi 433 МГц. Використання такого методу передачi даних забезпечить сумюшсть з великою шльшстю пристро!в [4] i полегшить налаштування та збiр даних. Впровадження системи дозволить уникнути проблеми адресаци кожного 1оТ-пристрою, оск1льки для отримання даних з уах 1оТ-пристро1в буде необхвдна лише одна адреса.
Пропонована система передачi мае захист у виглядi шифрування даних, що забезпечить вiдсутнiсть зовшшнього впливу на данi та гарантуе захист 1оТ-пристро!в ввд зовнiшнього втручання.
Прикладом реал1заци подiбного пiдходу е система ОтЬо Zigbee Minihub Еи. Для обмiну даними з 1оТ-пристроями використовуються ретранслятори (рис. 2), що можуть створювати додатковi перешкоди при обмш даними через наявнiсть додаткових передавачiв.
Сервер
Ретранслятор
Рис. 2. Використання ретрансляторiв в протоколi ZigBee
Для взаемоди з системою використовуеться мережа Wi-Fi. Також система мае тдтримку протоколу ZigBee. ZigBee е протоколом верхнього рiвня, що базуеться на бездротовому стандартi 1ЕЕЕ 802.15.4. Наявнють протоколу створюе проблему вибору 1оТ-пристро!в, оск1льки необхвдно використовувати 1оТ-пристро1 лише з пiдтримкою цього протоколу. Сама система потребуе використання пристро!в з однаковою версiею протоколу, через що зменшуеться к1льк1сть пристро1в, яю можуть бути пiдключенi до системи.
Через те, що система ОтЬо Zigbee Minihub Еи значно обмежуе коло потенцiйно придатних для шдключення до не! 1оТ-пристро1'в через необхвдшсть використання лише протоколу ZigBee, було прийняте рiшення розробити систему, що виконуватиме збiр даних з пристро!в, створених для роботи за рiзними протоколами.
На основi аналiзу принцишв роботи та обмiну даними мiж 1оТ-пристроями була розроблена структурна схема пристрою (рис. 3), на якш зображеш основнi блоки та !хня взаемодiя.
Пристрiй мае так1 основш блоки:
- Мiкроконтролер ATMega328p;
- Мкроконтролер ESP8266;
- Передавач МХ-05У;
- Приймач MX-RF-5V (XD-RF-5V);
Допом1жш блоки пристрою:
- Стабшзатор напруги LM7805;
- Стабшзатор напруги LM1117-3.3v;
- Кварцовий резонатор 16 МГц;
Опис роботи пристрою.
Робота пристрою починаеться з подач живлення на стабшзатор напруги DA1. BiH виконуе зниження напруги до 5В. Напруга у 5В подаеться на елементи DA2, DD1 та модулi XD-RF-5V, MX-05V.
Стабiлiзатор напруги DA2 виконуе зменшення напруги до 3,3В. Напруга у 3,3В подаеться на модуль ESP8266 [6].
Шсля подачi напруги, модулi ESP8266, MX-05V, XD-RF-5V очiкують команди iнiцiалiзацil ввд мiкроконтролера DD1.
Мжроконтролер DD1 виконуе запуск програмного коду з внутршньо! пам'яп.
При стартi програми виконуеться передача команд на модуль ESP8266 для iнiцiалiзацil Wi-Fi мереж1. Пiсля пвдтвердження iнiцiалiзацil Wi-Fi мереж1 ввд модуля ESP8266, мжроконтролер DD1 виконуе iнiцiалiзацiю модулiв XD-RF-5V, MX-05V.
Отримавши тдтвердження шщатзацд модулiв, мiкроконтролер DD1 оч^е передачу даних з Wi-Fi мереж1 чи з модулю MX-RF-5V.
Коли вщ Wi-Fi мереж1 чи вщ 1оТ-пристро!в через радiоканал данi надходять до мiкроконтролера DD1, вiн виконуе 1хню обробку. При отриманi даних з Wi-Fi мереж1 вiдбуваеться обробка запиту. Пiсля обробки запиту мжроконтролер DD1 вщправляе вiдповiдь, якщо вона е необхщною згiдно запиту [7,11].
Для роботи з системою розроблене програмне забезпечення (рис. 4), до складу якого входить програма для системи збору шформаци ввд IoT пристро!в та програма вiддаленого керування системою.
На початку роботи програми вщдаленого керування необхвдно обрати IP-адресу тдключення, через яке вiдбуватиметься обмш даними з пристроем. Пiсля вибору адреси необх1дно натиснути кнопку «Шдключення». Пiсля успiшного пiдключення буде виконане завантаження даних з пристрою.
В лiвiй частинi вiкна знаходиться меню сторшок. Шляхом натискання на кнопки меню вщбуваеться перех1д на ввдповвдну сторiнку.
Рис. 3. Структурна схема пристрою
Рис. 4. Сторшка подш
На cropiH^ кодiв можна задати для кожного коду ушкальне iM'H, для полегшення взаемоди з кодами. Також можна виконати запит на пошук 1оТ-пристро!в. Якщо IoT- пристрiй у цей час виконуе передачу коду, то пристрiй зафжсуе його у свое! пам'ятi та зможе з ним взаемодiяти.
На сторiнцi дiй можна додати ввдповщну дiю при отриманнi певного коду, що дозволить автоматизувати ди, пов'язаш з 1оТ-пристроями. На сторiнцi подш можна переглянути останнi поду", що вщбулися з 1оТ-пристроями.
Висновки
Розроблена система збору шформацп дозволяе використовувати протокол передачi даних вiд рiзних IoT пристро!в через Wi-Fi канал. Зважаючи на те, що застосований в спроектованш системi мiкроконтролер е щлком доступним, вартiсть даного пристрою значно менша нiж у ршень, як1 представленi нинi на ринку пристро!в. Подальше удосконалення програмного забезпечення для розроблено! системи дозволить тдвищити безпеку мереж за допомогою сучасних алгоритмш шифрування.
Список використамоТ лiтератури
1. Семюел Грiнгард 1нтернет речей / пер. з англ. О.А. Герасимчук. Харшв : Книжний Клуб «Клуб Омейного Дозвшля», 2018. - 176 с.
2. 5 проблем интернета вещей, которые предстоит решить. [Электронный ресурс]/Режим доступа: http://cnews.ru/link/a4631 (дата звернення 07.05.2019).
3. Андрей Бирюков. Информационная безопасность: Защита и нападение. М.: ДМК-Пресс, 2017. -434 с.
4. David Rose. Enchanted Objects: Design, Human Desire, and the Internet of Things. New York : Scribner, 2014. - 320 p.
5. Tom Igoe. Making Things Talk: Using Sensors, Networks, and Arduino to See, Hear, and Feel Your World. Sebastolpol : Maker Media, 2017. - 496 p.
6. Marco Schwartz. Internet of Things with ESP8266. Birmingham : Packt Publishing, 2016. - 226 p.
7. Howard Johnson. High-Speed Signal Propagation: Advanced Black Magic. New Jersey : Prentice Hall, 2003. - 808 p.
8. Mark Geddes. Arduino Project Handbook: 25 Practical Projects to Get You Started. San Francisco : No Starch Press, 2016. - 272 p.
9. Brian Huang. Derek Runberg. The Arduino Inventor's Guide: Learn Electronics by Making 10 Awesome Projects. San Francisco : No Starch Press, 2017. - 335 p.
10. Howard Johnson. High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic. New Jersey : Prentice Hall, 1993. 464 p.
11. Simon Monk. Programming Arduino: Getting Started with Sketches : Second Edition. New York : McGraw-Hill, 2016. - 192 p.
12. Jeremy Blum. Exploring Arduino: Tools and Techniques for Engineering Wizardry. New York : Wiley, 2013. - 384 p.
13. John Boxall. Arduino Workshop: A Hands-On Introduction with 65 Projects. San Francisco : No Starch Press, 2013. - 392 p.
14. James Kurose, Keith Ross. Computer Networking: A Top-Down Approach : 7th Edition. London : Pearson, 2016. - 864 p.
15. Andrew Blum. Tubes: A Journey to the Center of the Internet. New York : Ecco, 2013. - 304 p.
16. Marc Goodman. Future Crimes: Inside the Digital Underground and the Battle for Our Connected World. New York : Anchor, 2016. - 608 p.
17. Foster Provost, Tom Fawcett. Data Science for Business: What You Need to Know about Data Mining and Data-Analytic Thinking. Sebastopol : ORelly Media, 2013. - 414 p.
18. Michael Howard, David LeBlanc, John Viega. 19 Deadly Sins of Software Security: Programming Flaws and How to Fix Them. New York : McGraw-Hill Osborne Media, 2005. - 304 p.
References
1. Greengard S. The Internet of Things. Cambridge, 2015. 230 p. (Ukr. ed.: Herasymchuk O.A. Internet rechei. Kharkiv, Knyzhnyi Klub «Klub Simeinoho Dozvillia», 2018. - 176 p.)
2. 5 problem interneta veschey, kotoryie predstoit reshit. (5 problems of the Internet of things to be solved) Available at: http://cnews.ru/link/a4631 (accessed 7 May 2019).
3. Biryukov A. Informatsionnaya bezopasnost: Zaschita i napadenie. Moscov [Information Security: Defense and Attack], DMK-Press, 2017. - 434 p.
4. Rose D. Enchanted Objects: Design, Human Desire, and the Internet of Things. New York, Scribner, 2014. 320 p.
5. Igoe T. Making Things Talk: Using Sensors, Networks, and Arduino to See, Hear, and Feel Your World. Sebastolpol, Maker Media, 2017. 496 p.
6. Schwartz M. Internet of Things with ESP8266. Birmingham, Packt Publishing, 2016. 226 p.
7. Johnson H. High-Speed Signal Propagation: Advanced Black Magic. New Jersey, Prentice Hall, 2003. 808 p.
8. Geddes M. Arduino Project Handbook: 25 Practical Projects to Get You Started. San Francisco, No Starch Press, 2016. - 272 p.
9. Huang B. Runberg D. The Arduino Inventor's Guide: Learn Electronics by Making 10 Awesome Projects. San Francisco, No Starch Press, 2017. - 335 p.
10. Johnson H. High-Speed Digital Design: A Handbook ofBlack Magic. New Jersey, Prentice Hall, 1993. - 464 p.
11. Monk S. Programming Arduino: Getting Started with Sketches, 2nd ed. New York, McGraw-Hill, 2016. - 192 p.
12. Blum J. Exploring Arduino: Tools and Techniques for Engineering Wizardry. New York, Wiley, 2013. - 384 p.
13. Boxall J. Arduino Workshop: A Hands-On Introduction with 65 Projects. San Francisco, No Starch Press, 2013. - 392 p.
14. Kurose J, Ross K. Computer Networking: A Top-Down Approach, 7th ed. London, Pearson, 2016. -864 p.
15. Blum A. Tubes: A Journey to the Center of the Internet. New York, Ecco, 2013. - 304 p.
16. Goodman M. Future Crimes: Inside the Digital Underground and the Battle for Our Connected World. New York, Anchor, 2016. - 608 p.
17. Provost F, Fawcett T. Data Science for Business: What You Need to Know about Data Mining and Data-Analytic Thinking. Sebastopol, ORelly Media, 2013. - 414 p.
18. Howard M, LeBlanc D, Viega J. 19 Deadly Sins of Software Security: Programming Flaws and How to Fix Them. New York, McGraw-Hill Osborne Media, 2005. - 304 p.
