Хабрахабр

Интернет вещей: от проектирования бэкенда до абсорбции энергии

Боевое оснащение современной коровы

Умное всё, должно бы по идее избавить человека от всех забот, но пока, чтобы это всё могло поумнеть, разработчикам интернета вещей приходится очень много думать и решать самые разные задачи.

Какие именно, обсуждали на InoThings++. Это была открытая конференция, поэтому записи всех докладов доступны на канале, а ниже обзоры некоторых интересных докладов.

Антипаттерны разработки программных комплексов для интернета вещей

Так обозначил свою тему Сергей Аксенов из компании Стриж, и действительно рассказывал об общих для IoT принципах без привязки к какому-то конкретному кейсу.

Хотя «смешные» истории из практики тоже приводил, например, как радиомодемы из одной партии присылали в одном из 16 пакетов полную ерунду: 21 м 3, 22 м3, а потом температура на обшивке МКС. Было выпущено несколько сотен таких устройств и некоторые из них до сих пор работают у живых платящих клиентов, т.е. надо было найти какое-то решение уже постфактум.

Начинается обсуждение с одного из вопросов, которые надо решить на подготовительном этапе проектирования бэкенда, – выбора базы данных. Специфика интернета вещей в том, что устройства никогда не отправляют данные в одном и том же формате (даже счетчики воды компании Стриж имеют разные версии прошивки и разную структуру посылаемых данных). При этом данных десятки/сотни миллионов строк, что для реляционных БД из коробки много, с другой стороны можно потерять чуть-чуть данных и не нужно сложных вычислений. В итоге выбрали MongoDB, видимо пропустив холивары типа этого, и довольны. Сейчас актуальным вариантом является ClickHouse, в особенности для конечных бизнес данных распределенных по времени.

Переходя к тестированию Алексей приводит пример ошибки в передаче данных от микроконтроллера до модема в электросчетчиках, которые используются в глуши в 300 км от города Пермь, куда можно добраться только по зимнику или на КрАЗе, т. е. быстро заменить устройства невозможно. Это, в совокупности с тем, что устройствами пользуются живые люди и реальные бизнесы, которые от них зависят, радикально уменьшает право на ошибку. И Стриж предпринимает действительно серьезные меры, начиная от сквозного тестирования прохождения данных и до параноидального мониторинга.

Последний, но от этого не менее важный, аспект, который освящался в докладе, – это безопасность. По мнению Алексея, безопасность – это основное, на что будут в ближайшее время обращать внимание потенциальные потребители. И производители должны руководствоваться принципом «security first», т. е. сразу думать о том, как можно взломать устройство и как этому противостоять, и если не придумали способ защиты, то может быть такое устройство не стоит выпускать.

В итоге, Алексей сравнивает разработчиков бэкенда с последним рубежом обороны, потому что они реализуют последнюю возможность скорректировать ошибочные данные, отфильтровать, отсортировать и сделать что-то еще, и передать заказчик данные, которые ему жизненно нужны.

Цифровое животноводство: как и зачем?

Доклад Евгения Белова и Олега Артамонова о совместной работе в лучших её проявлениях, когда каждый занят своим делом и при этом нацелен на общий результат.

Центр компетенций группы МТС по интернету вещей получил задачу сделать продукт в сельскохозяйственной отрасли, и чтобы проект получился востребованный, обратился в агропромышленный комплекс с вопросом: «где болит и чем помочь?». Чтобы получить развернутый ответ, специалисты компании высадились на ферму и жили там две недели. Этакий консалтинг наоборот, разобрались в устройстве фермы в полной мере и приступили к автоматизации процессов, связанных с диагностикой здоровья коровы. Ведь выявление заболеваний на ранней стадии позволит вовремя принять меры, избежать существенного падения удоя молока и, как следствие, увеличить маржинальность производства.

Чтобы собрать данные, которые потом можно будет анализировать, обратились в компанию Unwired Devices с задачей: «Помогите нам посчитать движение коровы и её аппетит». Потому что, если корова меньше ходит и меньше ест, то пора начинать её лечить. О части проекта, связанной с изготовлением датчиков, рассказывал уже Олег. Упускать этот момент из виду никак нельзя, необходимые для анализа данные должно быть физически возможно собрать, причем разумными средствами. Например, на корову не повесишь gps-модуль, потому что, при среднем энергопотреблении в 5 мА, на 3 года работы ему нужно 95,4 А*ч, а это примерно автоаккумулятор – коровы будут возражать.

Помимо веса (30 г на ухо – максимум) есть и другие требования к датчику: 3-6 лет от батарейки, как минимум защита IP67, дальность передачи данных до 10 км, идентификация конкретной коровы, позиционирование на местности. Таким образом проектирование датчика сводится к поиску равновесного состояние с учетом всех ограничений и возможности физической реализации.

Неизвестно, спрашивали ли мнение коров напрямую, но тем не менее, разработчики считают, что схема оснащения, как на рисунке, им не понравится.

Проект в пилотной стадии, но уже реализован ушной датчик, в процессе – шейный, который, в частности, с помощью ларингофона будет определять, что корова сейчас жуёт. Пока технология отрабатывается в закрытых стойлах без позиционирования, передача данных осуществляется по протоколу LoRa, на будущее планируется использование 6LoWPAN. Хотя в коровнике маловероятно вторжение злоумышленников в передачу данных, информационная безопасность заложена по умолчанию: шифрование пользовательских данных в AE128, подписывание сообщений SHA256, защита от атак повторного воспроизведения и т.д.

Отвечая на вопрос о возможном потребителе такой цифровой фермы, Евгений уверенно говорит о востребованности системы. Более того, МТС планируют подключить к «Smart Farming» стадии переработки, хранения и логистики, чтобы покупатель мог считать QR-код и узнать, не только, что режим хранения строго соблюдался, но и чем вакцинировали корову. Возможно в скором времени, можно будет поставить коровам лайки, делиться рекомендациями и прочее безумие.

Абсорбция энергии для электропитания автономных сенсоров

Рассказ Андрея Дюсьмикеева можно назвать приветом из будущего. Национальный эксперт по солнечной энергетике для Программы развития ООН в Беларуси рассказывал о возможностях абсорбции энергии из окружающей нас среды для питания автономных устройств IoT.

За примером, почему проблема актуальна, далеко ходить не надо: в обзоре, выпущенном в конце 2017 года IoT aNalytics, говорится, что Samsung отозвало 600 000 устройств, которые согласно анонсу должны были проработать 10 лет от батарейки, а выдержали лишь от 3 до 6 месяцев. Осложняется дело еще и тем, что поставленные датчики может быть трудно заменить, как в случае «Контроля экологических параметров» в чернобыльской зоне, когда бригаде специалистов пришлось весь сезон менять батарейки, которые якобы были рассчитаны на те же 10 лет.

Аккумуляторные технологии не поспевают за темпом миниатюризации и производительности процессоров, к тому же электрогенерация из возобновляемых источников позволяет снизить нагрузку на экологию. Хотя в России, к сожалению, не очень озабоченны вопросом утилизации батареек, для неравнодушных это очень важный момент.

В качестве решения докладчик предлагает грабить то множество неиспользованной энергии, которое находится вокруг нас. Наиболее выгодные технологии с точки зрения плотности энергии – это солнечные элементы, термоэлектрические и электромагнитные, а сочетание этих видов позволяет еще повысить эффективность. На карте инсоляции видно, что солнце в России очень даже есть и его энергию смело можно использовать в качестве основной в разных комбинациях.

Знакомую нам всем сезонность, в виде низких зимних температур, SolarEnrg компенсирует элементом Пельтье, который собирает тепловую мощность и практически удваивает солнечную энергию при разности температур окружающей среды и солнечного модуля в 40 градусов. Лабораторное устройство готово и все присутствующие могли на него посмотреть и даже, возможно, потрогать.

Как и другие докладчики Андрей приводит несколько важных рекомендаций для производителей IoT устройств:

  1. Использование последних версий микропроцессоров и чипов с самым низким электропотреблением.
  2. Гибкая настройка частоты передачи данных там, где это возможно.
  3. Обязательное использование спящих режимов процессоров и модулей связи.
  4. Адаптивное энергопотребление (например, изменение частоты передачи, в зависимости от напряжения на аккумуляторе).

А выводом является утверждение, что строить системы и платформы IoT на базе сенсоров с использованием устройств для сбора энергии (energy harvesting) возможно. Однако, поскольку харвестер не может обеспечить избыточное потребление, необходимо проектировать системы сбалансированные с точки зрения электропотребления и абсорбируемой мощности.

А на закуску слушателям показали еще одно разработанное устройство – комплексный кардиомонитор, сбор энергии для записи экг-сигнала в котором производится с потенциала рук человека, без использования какого-либо аккумулятора.

Точное позиционирование персонала на примере особо опасного производства

Объектом для внедрения системы позиционирования, о которой рассказывал Константин Нехаев из Гейзер-Телеком является металлургический комбинат. В нем собран целый набор осложняющих факторов для радиосистем: большое количество металла, высокое напряжение и электромагнитные шумы в котором. Помимо основной цели повышение уровня промышленной безопасности и повышения производственной дисциплины, реализация проекта преследует и другие цели, например, улучшение общественного мнения и повышение авторитета градообразующего предприятия.

В ранее выполненных проектах Гейзер-Телеком уже сталкивались с позиционированием в металлических контейнерах, с отсутствием видимости, низкими температурами, подземным позиционированием и другими сложностями.

На первых объектах использовалась технология nanoLoc, но, когда в 2016 стабилизировалась UWB (Ultra-Wide Band), перешли на неё. Самое главное её преимущество в данном случае – это широкая полоса частот 500 МГц или 900 МГц, которая позволяет не то чтобы не замечать железа, но тем не менее неплохо с ни справляться. Для определения координат применяют оба основных метода: TDoA (Time Difference of Arrival) и ToF (Time of Flight). Такая технологическая связка на сегодняшний момент продлевает время жизни метки до 12 месяцев работы при ежесекундном опросе. Это вкупе с предварительным тестированием на самом сложном участке объекта и подтолкнуло к решению взяться за новый столь сложный проект.

Как ни странно, ни мало сложности добавила бюрократия, но это нормально для объектов повышенной опасности. Кроме того, требовалось установить все оборудование, а это 70 базовых станций, с первого раза, возможности перекладывать необходимые кабели не было бы.

По результатам четырехмесячной работы системы в режиме набора статистики выяснилось, что 40% персонала ежедневно совершают хотя бы одно нарушение, такое как, покинули пост, зашли в недопустимую зону или смело идут с пищащим датчиком газа. А еще, в среднем 66% времени персонал находится вне опасных зон, и это в большой степени соответствует целям заказчика по оптимизации оплаты труда – окупаемость проекта очень хорошая. Ну а безопасность нельзя переоценить, хоть её не окупишь.

Завершая свое выступление Константин напоминает о том, что точную информацию о возможностях технологий или устройств можно получить только на практике и что тестирование на сложных участках в итоге позволит сделать все правильно с первого раза.

А мы, завершая свой обзор, хотим отметить, что интернет вещей – не единственная тема за пределами высоконагруженных систем, которой мы посвящаем и планируем посвящать свои мероприятия. Так что следите за новостями и до новых встреч.


P.S.: Задать возникшие вопросы и обсудить собственные кейсы можно не только в комментариях к этой статье, но и в Telegram-чате, в котором есть большая часть докладчиков и участников конференции и просто много интересных людей.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Кнопка «Наверх»
Закрыть