Курс по цифровой грамотности
Встречаются как-то у вас дома Алиса, Кортана, Сири и Алекса. Вы просите их сделать кофе, а, оказывается, Google-ассистент уже все сделал. Еще узнал погоду, купил зонтик и Терафлю, заранее.
4.1 ИНТЕРНЕТ ВЕЩЕЙ
Интернет вещей — собирательное название технологий, которые позволяют бытовым предметам соединяться друг с другом через интернет или локальные сети и обмениваться информацией. «Умные» дома и отечественная новинка Яндекс.Станция — это верхушка айсберга. В перспективе, интернет вещей может упростить нашу жизнь и исключить ошибку из-за человеческого фактора.
В теории
История
Впервые концепция сформулирована в 1999 году. Автор термина — Кевин Эштон, основатель исследовательской группы Auto-ID при Массачуссетском технологическом институте. Он проводил презентацию для руководства компании P&G, в которой рассказывал о том, как радиочастотные метки позволят упростить логистику компании.
Радиочастотные метки или RFID-метки (Radio Frequency IDentification, радиочастотная идентификация) — это миниатюрные маячки, которые излучают радиоволны или откликаются на радиоволны считывателя. В простейшем виде RFID — замена штрихкодам и QR-кодам, только более безопасное и срабатывающее на большом расстоянии.
Мы научились производить метки эффективно и дешево, сейчас они не толще листа бумаги, их даже можно вшить под кожу. В метке две детали — антенна, которая ловит сигнал, и чип, который хранит информацию. В силу низкой стоимости производства простые пассивные метки, которые считываются при приближении, можно вставить в продукт или упаковку, упрощая контроль за местонахождением товара, поиск на складе, учет и инвентаризацию в точках продаж.
RFID уже повсюду — на вещах в магазинах, на книгах в библиотеках, в телефонах, проездных, пропусках и некоторых документах. Пожалуй, в Москве мы чаще всего сталкиваемся с RFID, прикладывая билет к считывателю, встроенному в турникет.
Рассказывая о перспективах применения RFID-меток для логистики в P&G, Кевин упомянул словосочетание Internet of Things, интернет вещей. Он имел в виду, что со временем, когда у многих предметов появится возможность взаимодействовать друг с другом, между ними возникнет собственная сеть — аналог интернета для людей. Концепция появилась в медиапространстве в конце двухтысячных, сегодня интернет вещей — устойчивый технологический тренд.

Первая научная статья, посвященная интернету вещей, вышла в 2004 году в Scientific American. В ней описывались существующие примеры примитивных информационных систем домашних приборов: системы охраны, садового полива, объемного звука. Авторы статьи приводили возможные варианты их совмещения в единую вычислительную сеть, работающую на интернет-протоколах. Объединяя существующие разработки, удалось нарисовать теоретическую инновационную модель интернета вещей: показания датчиков всех систем оцифровывались и использовались ими совместно.
Хотите узнать больше?
Посмотрите выступление про интернет вещей от Дмитрия Сошникова, технологического евангелиста Microsoft.
Умные здания и умное производство
Концепция интернета вещей шагнула из дома в промышленность на рубеже десятых годов. Сегодня существуют проекты целых зданий, которые оснащены внутренней операционной системой и могут передать информацию о людях внутри обслуживающим устройствам. О таких проектах обычно говорят Building Internet of Things, интернет вещей в здании.

Возможность взаимодействия между системами внутри здания несет несколько ключевых плюсов:
1. повышение энергоэффективности;
2. сбор больших данных;
3. повышение безопасности;
4. улучшение качества жизни.

Первые примеры «умных зданий», построенных с нуля, появятся в следующем году, такие проекты разрабатываются в США, Японии и Сингапуре. Частичное внедрение «умных систем», рассчитанных на целые здания, уже происходит, в США есть больницы и образовательные учреждения, в которых применяются:
1. Control building lighting, контроль за освещением. Система позволяет задать общее правило для всех осветительных приборов или раздельные правила для каждого этажа или комнаты, также выключать свет дистанционно.
2. Pre-program heating and cooling, контроль за отоплением. Система позволяет задавать правила отопления для отдельных этажей или комнат, также она может реагировать на изменения погоды автоматически.
3. Control plug load, контроль за электричеством. Система позволяет задать правило для обесточивания отдельных розеток в нерабочие часы, например, ночью.
Хотите узнать больше?
С развитием блокчейна и распределенных систем хранения данных появилась концепция Industrial Internet of Things, промышленного (индустриального) интернета вещей. В теории, на любом предприятии можно установить датчики, которые следят за ключевыми частями оборудования и собирают информацию о выработке и износе. Датчики подключаются к системе контроля, блокчейн используется для обеспечения последовательности операций.

Такая система может быстро отреагировать на брак или поломку в оборудовании, послав сигнал остальным станкам о том, что какой-то узел прекратил работу или работает некорректно. В свою очередь, распределенная система базы данных перенаправит производственный поток так, чтобы минимизировать потерю производительности. Или самостоятельно вызовет ремонтную бригаду, если обойти поломку нельзя.
Агенты и правила
Теоретическая основа «умных систем» — программные агенты и правила. Агент — это цифровое представление объектов реального мира: людей, самих устройств или целых систем устройств. Агенты принимают информацию о реальном мире через датчики и сенсоры, обрабатывают ее и действуют согласно заранее заложенным правилам. Например, если существует правило: «агент термометра говорит, что за окном +25, агент кондиционера включает кондиционер», то, когда температурный датчик передаст показания в систему, автоматически включится кондиционер.
Схема цикла работы агента в системе интернета вещей
Когда мы включаем свет, в систему приходит сообщение: «агент человека дал команду агенту света включить лампочки 1, 2 и 3». В «умном доме» наш агент постоянно общается с агентами разных устройств: холодильника, люстры, стиральной машины. Представим, что вы хотите запустить стирку, но, когда начали засыпать порошок отметили, что его недостаточно. Вы идете в магазин, покупаете порошок, наконец запускаете стирку.

Рассмотрим это действия с точки зрения двух агентов, которые следят за состоянием стиральной машины и количеством порошка в доме. Агент порошка подаст сигнал, что количество порошка изменилось, сразу после предыдущей стирки, подсчитает, что запасов теперь недостаточно и свяжется с вами. Можно продолжить систему, введя нового агента, предположим, это агент вашего смартфона, он умеет принимать заявки на покупки и сам создает заметку «Надо купить» в вашем смартфоне. Сценарий еще лучше: есть агент «заказать доставку», который вообще сделает все за вас. Вам останется только принять порошок от курьера, открыв дверь.
Пример цикла агента в случае отсутствия порошка
Подобная схема кажется далеким будущим. На самом деле, такая теоретическая модель будет работать, если дать ей достаточно данных и обеспечить датчиками. Программное обеспечение, которое необходимо для ее работы, несложно написать в текущих реалиях развития IT-технологий.
На практике
Технологические средства
Рассмотрим технологии, которые помогают реализовать системы интернета вещей. Для подобной системы необходимы:
1. средства идентификации;
2. средства измерения;
3. средства обработки информации.

Вещи должны уметь идентифицировать друг друга в реальности и в сети. Для идентификации предметов в реальном мире используется уже известная вам из теоретического введения технология RFID. Но существуют и другие индикаторы: оптические, это штрих-коды, DataMatrix, QR-коды и локационные, например, RTLS. Обо всём по порядку.

DataMartix — матрица данных — это такой же штрих-код, только представленный в виде двухмерной матрицы из черных и белых пятен. Прообраз более сложного оптического индикатора, QR-кода, появился в начале девяностых. Сейчас штрих-коды матричного типа применяются для маркировки в электронике, автомобилестроении, пищевой промышленности, авиакосмической и оборонной промышленности, энергетическом машиностроении. С помощью DataMatrix можно закодировать как текст, так и другие типы данных — веб-ссылки, адреса электронной почты, телефонные номера и SMS.

QR-код — это усовершенствованный тип матричных штрих-кодов, который, кроме информации, может вместить в себя дополнительный шаг для считывателя, например «сначала открой браузер, потом вставь содержимое кода в адресную строку». Он был изобретен в Японии и применялся для маркировки автомобильных деталей и слежения за ними во время производства. QR-код получил более широкое распространение в медиа-индустрии, потому что позволяет кодировать веб-страницы.
DataMatrix и QR-код легко различить по внешнему виду
RTLS — Real-time Locating Systems, система позиционирования в режиме реального времени — другой идентификатор, который может работать в системах интернета вещей. Суть RTLS — слежение за передвижением объектов с метками внутри замкнутого пространства. Для работы системы нужно расставить на объектах метки, а по периметру — реперные точки, еще установить программное обеспечение на сервер или на персональный компьютер. Наиболее широкое применение RTLS нашли в медицине, промышленности, газо- и нефтедобыче, энергетике, строительстве, на транспорте и в логистике. Основное направление использования — оптимизация и контроль технологических и бизнес-процессов.

Для идентификации объектов в виртуальном мире можно использовать MAC-адрес сетевого адаптера, с которым устройство выходит с конвейера. Диапазон доступных адресов будет достаточным — 248 адресов в пространстве MAC-48. Он подойдет для локальных сетей, для выхода в интернет каждому устройству будет присвоен новый адрес по протоколу IPv4 или, в будущем, IPv6.
Хотите узнать больше?
К средствам измерения относятся устройства, которые позволяют системе интернета вещей собирать данные о реальном мире и преобразовывать их в цифровой вид. Это элементарные датчики температуры, давления или освещенности, приборы учета потребления и сложные интегрированные измерительные системы. В рамках концепции интернета вещей принципиально объединение средств измерения в единой сети для построения систем межмашинного взаимодействия.
Ключевая практическая проблема внедрения интернета вещей — обеспечение максимальной автономности средств измерения. Прежде всего, бесперебойное энергоснабжение датчиков.
Для передачи данных используются проводные и беспроводные сети. Самая важная вещь для средств передачи данных в сетях интернета вещей — эффективность в условии низких скоростей. Среди проводных технологий важную роль в проникновении интернета вещей играют PLC-решения. Это технологии, которые позволяют передавать данные по линиям электропередачи. PLC полезны во многих местах, где пригодится интернет вещей, но нет доступа к интернету, хотя есть доступ к электросетям. Например, у банкоматов, кассовых аппаратов, отделений почты.
Фитнес трекеры
Рассмотрим несколько продуктов, которые научились взаимодействовать между собой. Самый доступный пример интернета вещей — фитнес-трекер. Устройство, которое носят на запястье формирует связь со смартфоном и передает данные, чаще всего их можно смотреть и анализировать в специальном приложении. Рассмотрим все средства этой миниатюрной системы интернета вещей. Сенсоры фитнес-трекера собирают данные о количестве шагов или пульсе, чем больше сенсоров, тем точнее трекер.

Xiaomi Mi Band 2
Самый распространенный фитнес-трекер в мире
Кейс
Технологическое средство для связи и идентификации устройств — Bluetooth. Перечислим основные средства для измерения в этой системе интернета вещей:
1. Акселерометр. Используется для определения количество шагов, в большинство современных трекеров встроен трехосевой акселерометр, для вычисления позиции сразу во всех трех измерениях. Вместе с акселерометром может использоваться гироскоп для уточнения показаний по направлению движения или угловой скорости.
2. GPS. Датчики спутниковой навигации позволяют отслеживать пройденное расстояние и учитывать высотность пройденного пути, опираясь на картографические данные.
3. Датчик пульса. Это может быть оптический сенсор, гальванический датчик реакции кожи, или биоимпедансный датчик, все эти устройства позволяют измерять частоту сердцебиения во время нагрузок.

Средство обработки информации — ваш смартфон. Статистика перерабатывается процессором вашего телефона и выводится на экран. Это самая простая и распространенная система интернета вещей, которая содержит в себе все ключевые элементы. Устройства связаны между собой, есть средства идентификации, сбора данных и обработки информации.
Умные колонки
Тренд 2018 года — умные колонки для дома, их выпустили все IT-гиганты: Apple, Google и Amazon. Российский IT-гигант тоже Яндекс представил свое решение, Яндекс.Станцию. Появление подобных устройств связывают с развитием технологий интернета вещей и прогнозируют рост рынка «умных» домашних устройств, которые интегрированы с колонками.

Колонки умеют подключаться к устройствам по Wi-Fi, Bluetooth или NFC. Кроме динамиков, в них встроены процессор и сверхчувствительные микрофоны: они управляются голосом и могут поддержать простой диалог через голосового ассистента. У каждой компании он свой, ассистента Яндекса зовут Алиса, в Apple HomePod установлена Siri.

К сожалению, на российском рынке колонки зарубежных производителей фактически не нужны: ни один из ассистентов, кроме Google-ассистента не поддерживается русский, кроме того колонка не сможет звонить на наши городские и мобильные номера. Яндекс. Станция тоже не умеет звонить, однако, ее можно связать с телевизором по hdmi-кабелю и использовать не как основу для системы интернета вещей, а хотя бы как медиастанцию для поиска и воспроизведения музыки и фильмов.

Интернет вещей — концепция, которая пока существует в вакууме относительно конечного пользователя. Существуют профильные научные конференции, ведущие эксперты, первые коммерческие продукты. Однако, пока у ключевых элементов систем «умного дома» нет стандартизированного протокола подключения ко всем домашним устройствам, да и не каждое из них имеет датчик для сбора информации о реальном мире, интернет вещей вряд ли придет к вам домой.
Хотите узнать больше?
Ключевые мысли урока
1
Интернет вещей — скорее теоретическая концепция, чем реальность, нам еще придется подождать 5−10 лет до полноценных систем взаимодействия хотя бы домашних бытовых устройств.
2
Интернет вещей — это не только про «умные дома», уже есть первые попытки внедрить системы взаимодействия машин на уровне зданий или производств. Это безопасно и бережет электроэнергию.
3
Интернет вещей строится на агентах и правилах. Агенты — цифровые представители реальных вещей или людей в виртуальной системе.
4
Чтобы общаться, устройствам нужны средства идентификации, средства измерения и средства обработки информации. Например, RFID-метка, термометр и микропроцессор.
5
Самый доступный интернет вещей — фитнес-трекеры и умные колонки для дома. Если интересно, как это работает на практике, попробуйте Xiaomi Mi Band 2 или Яндекс.Станцию.
Задание
Мы подготовили тест из 6 вопросов, основанных на материалах урока по интернету вещей.
Начать
Что такое интернет вещей?
Если очень коротко, то да
Гипотетически, это было бы решением в духе интернета вещей. Но это неудачное определение
Они пригодятся в решениях, связанных с интернетом вещей, но это неудачное определение
Звучит как достаточно близкое будущее, но это неудачное определение
Дальше
Проверить
Узнать результат
Выберите два варианта, в которых описаны способы применения RFID
Тут не нужно радиоизлучение
Там тоже излучение, но это не RFID технологии
Верно
Верно
Дальше
Проверить
Узнать результат
Какие две концепции возникли в ходе эволюции парадигмы интернета вещей?
Верно
Верно
Такого пока не было
Нет, это абракадабра. Интернет вещей, как ни парадоксально, это в принципе всегда про пользователя, про людей. Нет отдельной концепции только для пользователей
Дальше
Проверить
Узнать результат
Какие элементы нужны для функционирования системы интернета вещей?
Верно
Почти, два последних слова — лишние
Дальше
Проверить
Узнать результат
Выберите виды технологических средств, которые необходимы системе интернета вещей
Такие не нужны
Верно
Такие средства мы не обсуждали в уроках, они не нужны
Верно
Верно
Дальше
Проверить
Узнать результат
Какая из приведенных ниже систем укладывается в парадигму интернета вещей?
Нет, наушники не собирают никакой информации о внешнем мире
Все верно
Скорее нет. Только если беспроводная зарядка умеет что-то делать с данными, которые собирает смартфон или может отличить ваш смартфон от вашего планшета
Нет. Это шутка
Дальше
Проверить
Узнать результат
Вы еще не готовы жить в эпоху интернета вещей
Вы набрали мало правильных ответов. Лучше перечитать урок и перепройти тест, обратите внимание на технологические средства для работы систем интернета вещей и на описание реальных примеров таких систем.
Еще раз
Вас не напугать «умной» кофеваркой, но еще есть, над чем работать
Вы правильно ответили на основные вопросы. Чтобы лучше усвоить материал урока, можете перечитать теоретическую часть еще раз.
Еще раз
Вы, кажется, уже живете в «умном» доме
Вы успешно прошли тест и теперь знаете, что такое интернет вещей, и почему о нем так много говорят. За общительными приборами будущее, но пока остается только ждать и надеяться
Еще раз