Recent trends in IoT market: Analysis, Generalization and Prediction

Последние тенденции рынка IoT: анализ, обобщение и прогноз

06.03.2019

Почему IoT ?

Интернет вещей (IoT) — это набор «умных» электронных устройств, которые подключены к сети и могут беспрепятственно общаться через Интернет.

IoT может контролировать ваш дом, производство, ферму и даже частоту сердечных сокращений и насыщение крови кислородом. IoT также может наблюдать за погодой, качеством воды и действиями людей в той или иной области и уведомлять вас об опасных ситуациях — пожаре, наводнении, взломе, сердечном приступе, — что, в свою очередь, может предотвратить эти бедствия..

Более того, наличие распределенных и в то же время тесно связанных «умных» устройств приводит к удешевлению, повышению безопасности и ускорению отраслевых процессов, что в свою очередь устраняет риски человеческого фактора и высвобождает время для личностного роста и творчества.

Ключевым требованием к IoT-устройствам, не зависящим от приложения, является необходимость в хорошем интернет-соединении и взаимодействии через сеть.

Итак, давайте разберемся, как устроено и работает типичное IoT-устройство.

Типичная архитектура устройства и сети IoT

Первое поколение IoT-устройств было создано в инициативном порядке творческими IT-гиками, во время их обучения в MIT, стремившимися к автоматизации своего дома и частного бизнеса, поэтому изготавливались с использованием уже существующих и известных неспециализированных интегральных схем (ИС). На момент создания первых IoT-устройств это были 8-разрядные микроконтроллеры семейства Intel 8051 и Atmel ATMega (1), 2)].

Так как эти микроконтроллеры не были оснащены высокопроизводительными коммуникационными интерфейсами (USB, Ethernet, Wi-Fi или Bluetooth), а только интерфейсами для межсхемного взаимодействия (USART, SPI, I2C и т. д.), связь осуществлялась с использованием отдельных ИС (ENC28J60, RF2540, BC417, ESP8266, даже GSM SIM800) со встроенными хост-контроллерами, которые подключался к MCU через низкоскоростной интерфейс и протокол обмена текстовыми сообщениями.

Типовые датчики с аналоговым выходом подключались к ядру АЦП низкого разрешения, встроенному в МК, или к внешнему аналоговому интерфейсу, а управление вводом/выводом общего назначения выполнялось с помощью гальванически связанных с МК реле, переключателей или симисторов.

Например, типичная структура устройства «умного освещения», реализованная с использованием 16-битного маломощного микроконтроллера и внешнего аналогового интерфейса для обработки звука, показана ниже (3)]:

Текущее поколение IoT-устройств включает большинство этих устройств в единую ИС, а ядро MCU представляет собой мощное 32-битное устройство Cortex-M4 на базе ARM, которое может работать с числами с плавающей запятой, имеет несколько режимов энергопотребления и встроенные проводной (TM4C1294) и беспроводной (nRF52832 или EFR32BG13P532F512GM32-C) уровни MAC и PHY, для которых требуется только разъем или антенна для интеграции в сеть IoT. Кроме того, некоторые модели содержат схему управления для вторичного питания (4), 5)].

В ближайшем будущем можно предположить, что отдельное IoT-устройство, в первую очередь, применительно к летательным аппаратам или замкнутому производственному процессу, будет строиться на базе многоядерных SoC или процессоров (6), 7)].

Сетевая архитектура

Архитектура системы IoT состоит из трех уровней устройств: строго говоря устройства, пограничные шлюзы и облако.

Различные устройства включают в себя датчики, исполнительные механизмы, реле, оборудование ручного ввода и визуализации, часто используют беспроводные протоколы, такие как ZigBee, Bluetooth, или проводные CAN, Modbus для подключения к Edge Gateway.

Пограничный шлюз содержит подсистему агрегации данных датчиков, которая обеспечивает такие функции, как предварительная обработка данных, безопасное подключение к облаку и даже, в некоторых случаях, пограничная аналитика или туманные вычисления.

Верхний уровень содержит облачное приложение, созданное для IoT-кластеризации с использованием полностью независимой от платформы архитектуры микросервисов на основе протоколов HTTPS или OAuth.

Туманные вычисления — это хороший подход к предотвращению массового распространения необработанных данных через Интернет. Вычислительная мощность периферийных устройств обычно используется для сбора, обработки и регистрации данных. Он также включает в себя различные системы баз данных (Postgres), в которых хранятся обработанные данные с датчиков.

С чрезвычайно растущим количеством IoT-устройств (до миллиардов), каждое из которых сохраняет возможность стать частью общедоступного адресного пространства Интернета, протокол сетевого уровня IPv6 начинает играть главную роль в обеспечении масштабируемости сетевого уровня. Для облегченной передачи данных часто используются протоколы ограниченных приложений IETF, ZeroMQ и MQTT.

Архитектура программного стека

Первые IoT-устройства комплектовались автономной прошивкой, которая отличалась у каждого разработчика, часто библиотеки были нестекированными и непереносимыми, поэтому разработка IoT-программ была экзотическим и неэффективным процессом даже в мире встраиваемого программирования.

Дополнительные программные библиотеки разрабатываются для встроенной реализации USB HID, TCP/IP, Bluetooth, Zig-Bee и многих других стеков протоколов, когда их совместное использование приводит к непереносимому, сложно модифицируемому и неоптимальному жесткому коду. Это, в свою очередь, приводит к использованию операционных систем реального времени для MCU с целью управления всеми программными частями и обеспечения безопасного взаимодействия между частями кода.

Например, Amazon обеспечивает разработку IoT-ориентированной ветки самой популярной операционной системы FreeRTOS [8]] с открытым исходным кодом [9)]. Среди расширений ОС: безопасность, подключаемость и возможность обновления. Кроме того, все решения с открытым исходным кодом, разработанные в большом сообществе, начинают соответствовать закону Линуса [10)], поэтому имеют минимум ошибок. Расширенный API используется для немедленного (защищенного и отказоустойчивого) подключения к:

Облачным сервисам с использованием TLS v1.2 [AWS IoT Core];
Беспроводным и мобильным устройствам (с использованием стеков Bluetooth Low Energy или Wi-Fi);
Периферийным бортовым устройствам (сенсорные экраны, LCD и TFT дисплеи, камеры и т.д.);

Одновременно с увеличением вычислительной производительности и степени интеграции встроенной аппаратной платформы ранние написанные программные библиотеки, написанные на неэффективных, но столь гибких интерпретируемых языках, таких как Java, C# и другие, получили возможность выполняться на встроенной платформе и конкретном аппаратном обеспечении. В некоторые ядра ARM MCU были добавлены функции для ускорения Java Machine.

На сетевом уровне независимость от платформы достигается за счет использования модели OSI в качестве основы для взаимосвязи узлов. Более того, их доступность в качестве веб-сервисов делает IoT-устройства независимыми не только от аппаратных, но и от особенностей программного стека.

Поскольку IoT стал массовым явлением, возник публичный запрос на упрощение IoT-программирования со стороны пользователей. Это приводит к созданию множества визуальных сред программирования, доступных даже детям и малоквалифицированным людям для высокоуровневого редактирования приложений и сбора пользовательского набора датчиков для конкретного устройства.

Устройства IoT на базе SoC (увеличение степени интеграции)

Очередная веха в эволюции IoT-устройств наступила, когда процессы производства SoC удешевились в разы. Одно из первых поколений недорогих SoC, получивших широкое распространение в IoT-приложениях, было произведено Cypress [https://www.cypress.com/] и включает в себя MCU-Core, различные аналоговые интерфейсы, ядра беспроводной связи и IP-ядра специального назначения для взаимодействия с емкостными сенсорными тачскринами и жидкокристаллическими дисплеями, размещенные на гибкой матрице шин, что дает уникальные возможности гибкой коммутации периферийных устройств.

На hight-end рынке первые IoT-подобные устройства были оснащены Xilinx® Zynq® и Intel Altera® Arria® SoC, которые были встроены, но их цена оставалась слишком высокой для широкого рынка вплоть до последних нескольких лет. Они также позволяют устанавливать полнофункциональный Linux с аппаратным ускорением функций MMU и/или MPU.

Анализ состояния рынка

Резкое увеличение количества узлов IoT и их использование в широчайшем спектре опасных областей применения с высокой степенью риска приводит к концентрации внимания на новом наборе неизвестных до сих пор проблем. Среди них три основные, требующие всестороннего решения:

Отсутствие внешнего проводного источника питания и отказ от использования аккумуляторов. Обычно IoT-устройства имеют беспроводной основной интерфейс связи, поэтому наличие проводного питания целесообразно только в том случае, если устройство находится в непосредственной близости от источников электропитания. Однако в большинстве приложений такая ситуация недостижима. Поэтому процесс проектирования пошел по пути предельного энергосбережения, что на самом деле коснулось производителей кремния [https://rlpvlsi.ece.virginia.edu/battery-less-internet-things-iot-system-chip-soc-0]. В качестве источника питания для IoT-устройств в зависимости от применения выбираются фотоэлектрические панели, ветровая генерация, постоянный перепад температур. В качестве энергоаккумулирующего элемента аккумуляторы были вытеснены суперконденсаторами (ионисторами). В случае низкого уровня электромагнитных помех используется беспроводная зарядка с помощью электрического (воздушные конденсаторы) или магнитного (воздушная индукция) полей.

Полностью автономная процедура обновления программного обеспечения. Набор неавтономных разнородных устройств, распределенных на большой территории, начинает нуждаться в большом коллективе обслуживающего персонала, что сводит на нет все экономические выгоды от автоматизации IoT. Это, в свою очередь, имеет аспекты надежности, безопасности и правильной последовательности.

Повышение степени интеграции. Позволяет уменьшить геометрические размеры и энергопотребление устройства, что также упрощает разводку печатных плат и приводит к повышению надежности конечного устройства. В настоящее время один чип включает в себя не только ядро микроконтроллера, различные типы памяти (Flash, SRAM, Secured EEPROM), физические микросхемы беспроводных интерфейсов и специализированные аналоговые интерфейсы для различных типов датчиков, но и импульсный источник питания (SMPS). ) контроллеры, программируемую логику и специализированные ядра для цифровой обработки сигналов (DSP), включая ядра MAC, CORDIC, FFT и Histogram.

Необычные сферы применения IoT

Сегодня остается все меньше и меньше областей применения, где IoT-устройства являются неординарными, поэтому давайте пройдемся по самому последнему приложению, где IoT-технологии появились, но уже зарекомендовали себя.

Здравоохранение и экология

IoT-устройства могут быть использованы в качестве хост-процессора для мусоросортировочных заводов или для распределённой сети мониторинга уровня биологической опасности на мусорных полигонах. Недавно выпущенные решения касаются автономных (с точки зрения энергоснабжения) роботизированных установок для интеллектуального обнаружения, локализации, сбора и обезвреживания отходов, которые распределяются миллиардами по поверхности Тихого океана (11)].

Производство и сбор энергии

Интерфейс IoT может быть реализован как канал взаимосвязи между распределенными возобновляемыми источниками энергии, объединенными в интеллектуальную сеть. Потребители получают полную информацию о заряде в каждой точке, а значит, могут выбрать ближайший расположенный источник энергии с достаточным объемом заряда.

Услуги удаленного интеллектуального производства

Обычно собранные IoT данные с входных датчиков управляющих и исполнительных механизмов доступны в виде веб-сервиса, поэтому клиенты могут не только удаленно наблюдать за текущим состоянием производства, но и удаленно выполнять заказ и динамически выбирать начальные настройки будущего продукта. Например, IoT-кластер может успешно выполнять процесс изготовления печатных плат (ПП) (12), 13)].

Body Area Networks и киборги

Данная сенсорная сеть позволяет наблюдать за большинством типичных параметров жизнедеятельности человека: оксигенацией крови и артериальным давлением, ритмом пульса, мышечной активностью, фактическим положением и динамикой тела в пространстве, что открывает возможность дистанционного управления в жизненно важных зонах (поля сражений, реанимации и хосписы).

Более того, эта сеть может быть частично встроена в тело человека временно (эндоскопическая камера внутри планшета) или пожизненно (эндопротез хрусталика, кардиостимулятор или слуховой аппарат), что позволяет настраивать чувствительность или некоторые референсные значения после установки в нерабочих условиях неинвазивным способом. Здесь остро встает проблема безаккумуляторных устройств, которая будет раскрыта ниже по тексту (14), 15)].

Сельское хозяйство

Сегодня в современных корпоративных и частных хозяйствах интенсивно используются IoT-устройства, что революционным образом снижает или полностью исключает участие человека (16), 17)].

Огромное количество интеллектуальных датчиков, рассредоточенных на большой площади, может регистрировать погодные условия, качество почвы, ход роста цветов или здоровье животных, что, в свою очередь, может быть использовано для учета работы персонала и эффективности оборудования, либо для прогнозирования необходимости одновременно проводимого полива, удобрения или уничтожения вредителей.

Активный и непрерывный контроль как за жизненным циклом овощей и фруктовых деревьев, так и за животными приводит не только к лучшему контролю над текущими потребностями, но и к снижению производственных рисков (ранее обнаруживаемых аномалий здоровья и погоды) и лучшему распределению конечных продуктов. Кроме того, это приводит к увеличению объемов производства в сочетании с лучшим качеством каждой единицы продукции.

Сельскохозяйственное применение IoT-устройств также граничит с тематикой дронов и «умного дома» за счет распространения вышеперечисленных технологий на хозяйственные постройки и автоматизации обработки урожая и полей.

Прогноз развития IoT-рынка

На основании утвержденных маркетинговых исследований можно утверждать, что в ближайшие три года IoT-рынок вырастет в три раза и достигнет более 560 миллионов долларов США в 2022 году и завоюет такие целевые аудитории, как: M2M и телеком-провайдеры, API и сторонние интеграторы, Регулирующие и государственные органы.

Однако наиболее емкими и перспективными целевыми аудиториями являются услуги «Автономная доставка» и «Беспроводная зарядка» (18), 19)].

Автономные службы доставки

Автономные службы доставки могут использовать воздушные, морские и колесные дроны, которые могут использовать как глобальную систему позиционирования, GPS (и глобальную навигационную спутниковую систему, GNSS), так и использовать инерциальную навигацию или кинематику в реальном времени для точного движения на короткие расстояния во время их путешествия.

Позволят доставлять грузы от десятков граммов (медикаменты и продукты питания) до тонн (строительные блоки и промышленное оборудование) без участия человека. Нам нужно только установить IoT-устройства в пунктах отправления и назначения и, очевидно, на борту дрона [20], 21)].

Беспроводная зарядка на расстоянии

Чрезвычайно интенсивное развитие альтернативных и возобновляемых источников энергии (прежде всего, производство фотоэлектрических и ветряных турбин) в сочетании с одновременным удешевлением технологий воплощает в жизнь концепции «Smart Grid» и Electric Vehicle. Второй элемент представлен не только знаменитой «Теслой», но и разработан «БМВ», «Тойотой» и многими другими корпорациями.

Это, в свою очередь, приводит к необходимости в зарядных станциях для любых типов электромобилей (велосипедов, автомобилей, трамваев и т. д.), а энергия, собранная в частных или муниципальных интеллектуальных сетях, может быть своеобразной интеллектуальной зарядной установкой.

При этом каждый Электромобиль, оснащенный IoT-устройством, может быть не только приемником электрического заряда, но и транспортировать его от одной персональной станции к другой и заправлять разряженные станции, тем самым выполняя функции балансировки заряда.

Следующим шагом является устранение деятельности человека во время процесса зарядки. Здесь можно применить мощные индуктивные беспроводные зарядные устройства WiTricity и более дешевые Meredot.

Безопасность для Интернета вещей

Безопасность — относительно современная ключевая особенность IoT-устройств, обусловленная их размещением в корпоративных и ответственных приложениях, где считывание вредоносом прошивки устройства или ее замена на вредоносную приводит к краже интеллектуальной собственности, резкому и значительному экономическому ущербу или, в случае терроризма, к гибели людей. Сегодня базовые необходимые функции безопасности для IoT-устройств включают в себя:

зашифрованное соединение между узлами точка-точка;
зашифрованную двунаправленную передачу данных и команд и управление ключами безопасности;
аутентификацию по сертификату.

Но самым важным действием с точки зрения безопасности является процедура обновления прошивки, которая должна устранить все возможные ошибки с возможностью отказоустойчивого отката на более старые версии прошивки.

Большинство широко используемых аппаратных платформ MCU (устройства Cortex-Mx) имеют широкий набор функций удаленного обновления практически по всем интерфейсам (UART, I2C, CAN, USB, Ethernet и т. д.). Кроме того, современные устройства поддерживают шифрование встроенного ПО с использованием предварительно запрограммированных аппаратных UID, SoC и FPGA, а программные процессоры имеют возможности для создания пользовательского алгоритма последовательности дешифрования.

IoT-шлюзы высокого уровня должны включать в себя набор инструментов, позволяющих обнаруживать небезопасное поведение конечных IoT-узлов (нарушение политик безопасности), оповещать инженеров службы поддержки и разрешать опасную ситуацию путем изоляции подсети или делегирования полномочий другим узлам.

Интеграция IoT с технологиями искусственного интеллекта

Чрезвычайное удешевление платформ IoT побуждает крупных игроков рынка встраивать поддержку IoT в свои устройства массового производства. Это, в свою очередь, приводит к сбору статистики использования из большой репрезентативной выборки для обслуживания больших данных. Кроме того, такая большая статистика, предварительно подготовленная особым образом, может быть использована в процессе обучения нейронных сетей или, что более распространено сейчас, в подходе машинного обучения, приводящем к прогнозированию поведения устройств (и даже общества пользователей).

Заключение

Подводя итог вышеприведенному обзору, можно сказать, что за концепцией «Интернет вещей» сияет будущее, ожидается, что в ближайшее десятилетие все больше и больше аспектов жизни людей будут контролироваться IoT-устройствами. Эти миниатюрные, но еще более интеллектуальные устройства, объединенные сетью в мощный умный кластер, проникают во все стихии: землю, воздух, воду и даже в организм человека. IoT-подсистема составляет значительную часть большинства современных электронных устройств. Более того, каждый новый день приносит нам новую область применения IoT.