УДК 004

Выбор протоколов передачи данных при внедрении IoT в жилых комплексах

Егоров Михаил Александрович – студент МИРЭА – Российского Технологического Университета,

Белов Вячеслав Викторович – магистр Института Информационных Технологий МИРЭА – Российского Технологического Университета.

Аннотация: Статья анализирует ключевые аспекты выбора протоколов передачи данных для интеграции Интернета вещей (IoT) в жилых комплексах, обеспечивая эффективную, безопасную и надежную коммуникацию между устройствами. Приводятся примеры практического применения этих протоколов в автоматизации умного дома, управлении энергопотреблением и системах безопасности.

Ключевые слова: интернет вещей, MQTT, CoAP, OPC UA, Zigbee, Z-Wave, Bluetooth, BLE, протоколы передачи данных.

Интеграция Интернета вещей (IoT) в жилые комплексы требует тщательного рассмотрения протоколов передачи данных для обеспечения эффективной, безопасной и надежной связи между устройствами. Выбор подходящих протоколов зависит от конкретных требований, таких как дальность действия, энергопотребление, пропускная способность данных и потребности в безопасности.

 Ключевые протоколы Интернета вещей.

  1. MQTT (Message Queuing Telemetry Transport).

Использование MQTT для реализации Интернета вещей в жилых комплексах является эффективным выбором благодаря нескольким преимуществам, присущим протоколу. MQTT — это легкий протокол обмена сообщениями, разработанный специально для устройств с ограниченной емкостью, что делает его идеальным для приложений Интернета вещей в жилых помещениях, где многочисленным устройствам необходимо эффективно взаимодействовать.

Ключевые преимущества MQTT в IoT для жилых комплексов [1].

  1. Эффективность и низкое использование полосы пропускания. MQTT спроектирован так, чтобы использовать минимальную полосу пропускания и заряд батареи, что крайне важно для устройств Интернета вещей, таких как датчики и интеллектуальные устройства в жилых комплексах. Он позволяет устройствам обмениваться короткими сообщениями и имеет небольшие заголовки сообщений.
  2. Надежность и качество обслуживания (QoS): MQTT поддерживает несколько уровней QoS, чтобы гарантировать доставку сообщений даже в нестабильных сетевых средах. Это особенно важно в бытовых приложениях IoT, где обеспечение получения и подтверждения команд и данных может иметь решающее значение для функциональности систем домашней автоматизации. MQTT передает учетные данные в открытом тексте, что делает протокол уязвимым без дополнительных мер безопасности, таких как использование TLS для шифрования данных.
  3. Гибкость при колебаниях сети: В жилых комплексах стабильность сети может варьироваться. Способность MQTT обрабатывать прерывистые подключения и поддерживать состояние клиента во время сеансов помогает надежно управлять домашними устройствами даже при частых отключениях.
  4. Масштабируемость: MQTT может поддерживать тысячи устройств на одном сервере, что делает его подходящим для крупных жилых комплексов с обширным внедрением Интернета вещей. Маршрутизация сообщений на основе тем обеспечивает организованную и масштабируемую связь между широким спектром устройств.
  5. Простота интеграции: простая конструкция MQTT позволяет легко интегрировать его с различными системами домашней автоматизации и другими протоколами, которые могут использоваться в жилом комплексе. Его также можно безопасно туннелировать через другие протоколы, если необходимы дополнительные меры безопасности.

Эти атрибуты делают MQTT предпочтительным протоколом для управления устройствами Интернета вещей в жилых комплексах, расширяя возможности умных домов за счет эффективной и надежной передачи данных между устройствами. Для тех, кто хочет внедрить или обновить решения Интернета вещей в таких средах, использование MQTT может привести к значительному улучшению производительности системы и пользовательского опыта.

  1. CoAP (Constrained Application Protocol).

Протокол ограниченных приложений (CoAP) предлагает подходящую основу для внедрения Интернета вещей в жилых комплексах, особенно при работе с ограниченными средами и устройствами, такими как датчики и исполнительные механизмы, участвующими в системах домашней автоматизации. CoAP — это легкий протокол на основе UDP, предназначенный для облегчения простой и эффективной связи через Интернет, что особенно полезно для устройств с ограниченными ресурсами.

Ключевые преимущества использования CoAP в жилом Интернете вещей.

  1. Низкие накладные расходы и эффективность использования ресурсов: CoAP специально разработан для ограниченных устройств и сетей и использует простой двоичный заголовок для минимизации накладных расходов при передаче данных. Эта функция экономит полосу пропускания, что делает CoAP хорошо подходящим для таких сред, как жилые комплексы, где многочисленные устройства IoT могут работать с ограниченной мощностью и вычислительной мощностью [2,3,4].
  2. Надежная передача данных. Несмотря на свою легковесность, CoAP включает в себя механизмы надежной связи, такие как подтверждаемые сообщения, которые обеспечивают доставку данных посредством подтверждений. Эта надежность имеет решающее значение для критически важных функций домашней автоматизации, таких как системы безопасности или экстренные оповещения, где потеря данных не может быть допущена [2].
  3. Взаимодействие и масштабируемость: CoAP поддерживает обработку URI и типов контента, а также возможности прокси-сервера и кэширования, что повышает его совместимость с другими веб-технологиями. Для жилых комплексов это означает, что CoAP может легко интегрироваться с существующими интернет-стандартами и поддерживать растущую сеть устройств IoT.
  4. Асинхронная связь и отсутствие состояния: CoAP работает асинхронно, что обеспечивает эффективную связь без сохранения состояния, не требующую постоянного поддержания каждого соединения. Это снижает нагрузку на ресурсы сервера и упрощает сетевую архитектуру, обеспечивая более масштабируемое и надежное развертывание Интернета вещей в жилых помещениях [3].

Приложения и варианты использования.

В жилых комплексах CoAP можно использовать для различных целей, в том числе:

  • Автоматизация умного дома: автоматизация и удаленное управление бытовыми системами, такими как освещение, отопление и камеры видеонаблюдения.
  • Управление энергопотреблением: более эффективный мониторинг и управление энергопотреблением с помощью интеллектуальных счетчиков и подключенных приборов.

Несмотря на свои преимущества, CoAP имеет и недостатки, например меньшая совершенность по сравнению с такими протоколами, как MQTT, потенциальные проблемы с обходом NAT и подверженность фрагментации. Это может повлиять на надежность протокола и простоту развертывания в определенных сетевых условиях [5].

CoAP представляет собой привлекательный вариант для домашних систем Интернета вещей благодаря своей легкой конструкции, надежности и простоте интеграции со стандартными веб-технологиями.

  1. OPC UA (OPC Unified Architecture).

OPC UA (унифицированная архитектура открытых платформ коммуникаций) — это усовершенствованный, независимый от платформы протокол, широко признанный за свою надежность в приложениях промышленной автоматизации и Интернета вещей. Его интеграция в жилые комплексы для Интернета вещей может принести многочисленные преимущества благодаря безопасной, масштабируемой и совместимой структуре.

Ключевые преимущества использования OPC UA в жилом Интернете вещей.

  1. Взаимодействие: OPC UA превосходно обеспечивает связь между устройствами различных производителей, создавая среду, в которой различные системы и устройства могут беспрепятственно взаимодействовать. Это крайне важно для жилых комплексов, которые могут включать в себя разнообразный набор устройств и систем Интернета вещей [6].
  2. Безопасность: OPC UA обеспечивает комплексные функции безопасности, включая шифрование, аутентификацию и авторизацию устройств. Это обеспечивает целостность и безопасность данных, которые имеют решающее значение в бытовых приложениях IoT, где задействованы личные и операционные данные [7].
  3. Масштабируемость: протокол поддерживает масштабируемое развертывание, позволяя интегрировать дополнительные устройства без существенных изменений в существующей инфраструктуре. Это делает его идеальным для жилых комплексов, которые планируют масштабировать свои IoT-решения.
  4. Независимость от платформы. Будучи независимым от платформы, OPC UA может быть реализован в различных системах и устройствах, независимо от базового оборудования или операционной системы. Такая гибкость выгодна для интеграции различных технологий в жилом комплексе.
  5. Операции и контроль в реальном времени: OPC UA поддерживает обмен данными и контроль в реальном времени, способствуя эффективной эксплуатации и управлению системами автоматизации зданий, такими как системы отопления, вентиляции и кондиционирования, освещения и безопасности в жилых комплексах.
  6. Стандартизация и перспективность: OPC UA помогает стандартизировать модели данных на разных устройствах, что может иметь решающее значение для долгосрочного управления и анализа данных. Эта стандартизация также гарантирует, что система останется жизнеспособной и совместимой с будущими технологиями.

Практическое применение.

В жилых комплексах OPC UA можно использовать для:

  • Автоматизация зданий: повышение эффективности и результативности систем управления зданием за счет предоставления возможностей мониторинга и контроля в реальном времени.
  • Управление энергопотреблением: оптимизация энергопотребления за счет интеграции различных энергетических систем с помощью единого протокола, поддерживающего эффективный обмен данными.
  • Безопасность и наблюдение: усиление мер безопасности за счет обеспечения бесперебойной связи между различными устройствами и системами безопасности.

Благодаря OPC UA жилые комплексы смогут не только повысить эксплуатационную эффективность и безопасность, но также обеспечить надежность, безопасность и способность своей системы IoT развиваться вместе с технологическими достижениями. Этот подход соответствует более широким тенденциям в технологиях умных зданий, где совместимость и безопасность имеют первостепенное значение.

  1. Zigbee и Z-Wave.

При внедрении Интернета вещей в жилых комплексах Zigbee и Z-Wave обладают уникальными преимуществами благодаря своим специфическим характеристикам и пригодности для различных приложений «умного дома».

 Zigbee:

  • Диапазон и размер сети: Zigbee работает на частоте 2,4 ГГц с базовым радиусом действия около 10–20 метров в помещении, который можно расширить с помощью ретрансляторов. Он поддерживает обширную сеть, насчитывающую более 65000 устройств, что делает его пригодным для более крупных установок [8, 9].
  • Взаимодействие: природа Zigbee с открытым исходным кодом обеспечивает широкое внедрение производителями, хотя проблемы совместимости могут возникнуть с устройствами, которые не полностью соответствуют стандартам Zigbee. Это один из ключевых протоколов, поддерживающих новый стандарт Matter, целью которого является улучшение взаимодействия между устройствами умного дома.
  • Энергопотребление: Zigbee, как правило, более энергоэффективен и хорошо подходит для устройств с батарейным питанием. Однако его более высокая частота иногда может приводить к помехам в работе других бытовых устройств, таких как маршрутизаторы Wi-Fi.

 Z-Wave:

  • Диапазон и конструкция сети: Z-Wave использует более низкую частоту 908,42 МГц, которая обычно испытывает меньше помех и может покрывать расстояние до 100 метров вне помещения. Он поддерживает до 232 устройств с ограничением в четыре перехода между контроллером и целевым устройством, что достаточно для большинства бытовых целей [8, 9].
  • Взаимодействие и безопасность. Будучи запатентованным стандартом, устройства Z-Wave должны соответствовать строгим процессам сертификации, обеспечивая высокую совместимость и безопасность всех продуктов. Это делает Z-Wave очень надежным и безопасным, часто предпочтительным для критически важных приложений, таких как системы безопасности.
  • Стоимость и настройка. Устройства Z-Wave, как правило, дороже, что связано со строгим контролем и сертификацией, требуемыми Z-Wave Alliance. Настройка сети, как правило, проста, обеспечивает высокую стабильность производительности устройств и меньше беспокойства о несовместимости устройств.

Практические соображения:

Выбор между Zigbee и Z-Wave может зависеть от конкретных потребностей жилого комплекса. Zigbee может быть более подходящим для более крупных и сложных сред, требующих подключения большого количества устройств. Z-Wave может быть лучше для приложений, где надежная безопасность и совместимость устройств являются приоритетами, особенно в средах, где плотность устройств умеренная, а высокая стабильность сети имеет решающее значение [10].

И Zigbee, и Z-Wave предлагают эффективные решения для автоматизации умного дома с их сильными сторонами в радиусе действия, совместимости, безопасности и управлении питанием. Выбор между ними должен соответствовать конкретным требованиям и масштабу внедрения Интернета вещей в жилых комплексах.

  1. Bluetooth и Bluetooth Low Energy.

Bluetooth и Bluetooth Low Energy (BLE) — это высокоэффективные протоколы для внедрения Интернета вещей в жилых комплексах, предлагающие преимущества в подключении, энергоэффективности и масштабируемости.

Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE):

  • Низкое энергопотребление: BLE специально разработан для обеспечения низкого энергопотребления, что идеально подходит для устройств Интернета вещей с батарейным питанием, таких как датчики и интеллектуальные замки. Это позволяет устройствам работать дольше на одном заряде аккумулятора, что делает его практичным для бытовых приложений IoT, где частая замена аккумулятора была бы обременительной [11, 12].
  • Масштабируемость и ячеистая сеть: BLE поддерживает ячеистую сеть, ключевую функцию для домашнего Интернета вещей, поскольку она позволяет устройствам напрямую взаимодействовать друг с другом без необходимости использования центрального концентратора. Эта ячеистая сеть может поддерживать неограниченное количество узлов, что делает ее масштабируемой и устойчивой к точкам сбоя. Метод «управляемой лавинной рассылки», используемый в сетке BLE, обеспечивает эффективную доставку сообщений по сети, повышая надежность и дальность действия [13].
  • Позиционирование в помещении: BLE полезен для систем позиционирования внутри помещений, которые могут улучшить домашнюю автоматизацию, позволяя управлять устройствами IoT на основе местоположения. Например, свет может автоматически включаться и выключаться, когда кто-то перемещается по разным комнатам [14].

Bluetooth:

  • Интеграция шлюза: технология Bluetooth хорошо интегрируется с интернет-шлюзами, позволяя устройствам BLE подключаться к Интернету. Это крайне важно для домашних решений IoT, где устройствам необходимо отправлять данные в облачные приложения для обработки и анализа.
  • Взаимодействие: почти 40% устройств Интернета вещей используют Bluetooth, что говорит о его широком распространении и совместимости. Такое широкое использование подчеркивает эффективность Bluetooth в обеспечении надежного стандарта связи для устройств Интернета вещей в различных приложениях, включая умные дома [15].

И Bluetooth, и BLE предназначены для поддержки широкого спектра приложений: от базовой передачи данных до сложных систем домашней автоматизации. Они предлагают гибкость и безопасность, необходимые для развертывания масштабируемых и энергоэффективных решений Интернета вещей в жилых помещениях.

Выбор протокола передачи данных должен соответствовать конкретным требованиям развертывания Интернета вещей в жилых комплексах. При этом учитываются масштаб реализации, типы задействованных устройств и приложений, энергопотребление, потребности в безопасности и физическая среда. Комбинация этих протоколов часто может использоваться для использования сильных сторон каждого из них, обеспечивая надежную, эффективную и масштабируемую систему Интернета вещей.

Список литературы

  1. Грабель, Мирко. Установка простого стандарта: использование MQTT на периферии / Industrial IoT. - 2020. - 18 февр. [Электронный ресурс] URL: https://blogs.cisco.com/industrial-iot/setting-a-simple-standard-using-mqtt-at-the-edge (дата обращения: 30.04.2024).
  2. Аццола, Франческо. Протокол CoAP: Пошаговое руководство / DZone. - Обновлено 08 ноября. 2018. [Электронный ресурс] URL: https://dzone.com/articles/coap-protocol-step-by-step-guide (дата обращения: 30.04.2024).
  3. Команда EMQX. Протокол CoAP: ключевые особенности, примеры использования и плюсы/минусы / EMQX. - 2023. - 13 дек. [Электронный ресурс] URL: https://www.emqx.com/en/blog/coap-protocol (дата обращения: 30.04.2024).
  4. Сола, Раджеш. CoAP: начать работу с протоколами Интернета вещей / Open Source For You. - 2016. - 30 сент. [Электронный ресурс] URL: https://www.opensourceforu.com/2016/09/coap-get-started-with-iot-protocols/ (дата обращения: 30.04.2024).
  5. Тарик, М. А., Хан, М., Хан, М. Т. Р., и Ким, Д. (2020). Усовершенствования и вызовы в CoAP — Обзор. Датчики, 20(21), 6391. [Электронный ресурс] URL: https://doi.org/10.3390/s20216391 (дата обращения: 30.04.2024).
  6. Камал, Р. Протоколы связи Интернета вещей: OPC UA против MQTT. Опубликовано 14 ноября 2022 года. [Электронный ресурс]. URL: https://www.intuz.com/blog/iot-communication-protocols-opc-ua-vs.-mqtt (дата обращения: 30.04.2024).
  7. Берлин К. и Барнстедт Э. Как OPC UA дополняет наш открытый подход IoT. Опубликовано 30 января 2020 года. [Электронный ресурс]. URL: https://www.microsoft.com/en-us/industry/blog/manufacturing-and-mobility/2020/01/30/how-opc-ua-complements-our-open-iiot-approach/ (дата обращения: 30.04.2024).
  8. Уолш, Д. Zigbee против Z-Wave: комплексное сравнение протоколов умного дома в 2024 году. Опубликовано 29 апреля 2024 года. [Электронный ресурс]. URL: https://www.smarthomeperfected.com/zigbee-vs-z-wave/ (дата обращения: 30.04.2024).
  9. Аоли. Z-Wave против Zigbee: в чем разница. Опубликовано 25 апреля 2024 года. [Электронный ресурс]. URL: https://reolink.com/blog/z-wave-vs-zigbee/ (дата обращения 30.04.2024).
  10. Брэдфорд А. В чем разница между Zigbee и Z-Wave? Опубликовано 8 марта 2024 года. [Электронный ресурс]. URL: https://www.safewise.com/blog/zigbee-vs-zwave-review/ (дата обращения: 30.04.2024).
  11. Афанех, М. Bluetooth Low Energy (BLE): полное руководство. Опубликовано 6 сентября 2022 года. [Электронный ресурс]. URL: https://novelbits.io/bluetooth-low-energy-ble-complete-guide/ (дата обращения: 30.04.2024).
  12. Дэнс А. Bluetooth с низким энергопотреблением и Интернет вещей. Опубликовано 25 марта 2022 года. [Электронный ресурс]. URL: https://theiotpad.com/bluetooth-low-energy-and-internet-of-things/ (дата обращения: 30.04.2024).
  13. Уэдд, М. Приложения Bluetooth IoT: от BLE к Mesh. Опубликовано 25 июня 2020 года. [Электронный ресурс]. URL: https://www.iotforall.com/bluetooth-iot-applications (дата обращения: 30.04.2024).
  14. Позиционирование в помещении с помощью Bluetooth Low Energy (BLE). Опубликовано 4 января 2019 года. [Электронный ресурс]. URL: https://www.iotforall.com/indoor-positioning-bluetooth-low-energy-ble (дата обращения: 30.04.2024).
  15. Bluetooth-сигнал. «Понимание интернет-шлюзов Bluetooth для решений Интернета вещей». [Электронный ресурс]. URL: https://www.bluetooth.com/bluetooth-resources/understanding-bluetooth-internet-gateways-for-iot-solutions/ (дата обращения: 30.04.2024).