Новый рубеж, первая миля и другие IoT-штучки

Собственно, в этом и заключается сущность Edge Computing. Обработка, по крайней мере частичная, сырых данных непосредственно в месте их получения, то есть «на краю», позволяет разгрузить коммуникационные каналы, мгновенно реагировать на ситуации, которые требуют быстрых решений, и сузить круг возможностей для несанкционированного вмешательства в работу IoT-устройств. Собственно, на этом можно было бы и закончить обзор IoT Edge, но…

…но почему же граничные вычисления до сих пор не получили большого распространения, что мешает их воплощению и что вообще происходит в области современного «Интернета вещей»?

Внедрение IoT и вызовы

Прежде всего, следует определиться, что современное толкование IoT пошло значительно дальше простой межмашинной коммуникации устройств без вмешательства человека (M2M). Сейчас «Интернет вещей» представляется как сложная экосистема, объединяющая несколько уровней взаимодействия устройств с целью автоматизации процессов (как производственных, так и бизнес операций, аналитики и т. д.). Самое простое толкование сущности «Интернета вещей» (по мнению специалистов аналитического агентства Frost & Sullivan из Кремниевой долины) можно свести к трем уровням (рис. 1). Первый уровень должен обеспечить физическое подключение устройств IoT к сети, чтобы они имели физическую возможность передавать полученные «с поля» данные для дальнейшей обработки. Поскольку физического подключения мало, учитывая большое количество различных протоколов, которые используются в проводных и беспроводных сетях, отдельным уровнем вынесена интеграция, которая поддерживает передачу данных и, что сейчас очень важно, обеспечивает их безопасность. Третий уровень — обработка собранных данных, в частности с привлечением распиаренных инструментов вроде искусственного интеллекта или машинного обучения.

Рис 1. Уровни экосистемы IoT. Источник: Frost & Sullivan

Иерархия уровней IoT накладывается на карту ИT-процессов, которая объединяет собственно «Интернет вещей», ИT и инфраструктуру предприятия и систему управления процессами (OT) предприятия. Современное понимание автоматизации подразумевает интеграцию этих составляющих в одно целое (рис. 2). Понятно, что такое сочетание ставит перед командой внедрения (перед ИT-отделом) немало вызовов. По мнению экспертов, главными среди них являются недостаточное понимание ИT операциями, которые они пытаются автоматизировать, попытка подменить объективные цели по управлению операциями технологическими целями (внедрение ради внедрения, без привязки к потребностям предприятия), попытка решать методами ИT проблемы операционного порядка (которые должны решать менеджеры, а не ИT-специалисты). Есть и еще одна проблема — интеграция новых IoT-систем с существующими системами (рис. 3).

Рис 2. Сочетание экосистемы IoT, ИT-системы и система управления процессами (OT) предприятия. Источник: Frost & Sullivan

Рис 3. Вызовы при внедрении IoT. Источник: Frost & Sullivan

Не надо быть Нострадамусом, чтобы спрогнозировать неудачу большинства попыток внедрить такую сложную систему, как IoT, «с наскока». И действительно, по данным агентства IDC, около 75% проектов по внедрению заканчиваются провалом (из них, по данным Microsoft, около 30% — еще на этапе проверки концепции). Каковы основные причины неудач?

• Неготовность. Предприниматели пытаются интегрировать в собственные системы управления системы IoT, не имея четкого представления, сколько ресурсов для этого потребуется: человеческих, финансовых, технологических. Как результат, проекты зависают, это создает напряжение и потерю доверия среди специалистов и часто завершается развалом команды по внедрению.
• Отсутствие планирования. Даже имея достаточные ресурсы, но не задокументировав основные этапы, цели и метрики внедрения, организация рискует завязнуть в проекте, не достигнув поставленных целей (нечетко сформулированных).
• Безопасность. Ряд проектов терпит неудачу из-за неучтенных аспектов кибербезопасности. В лучшем случае проекты закрываются, когда становится понятным, что меры по безопасности не были спланированы, а их имплементация в действующий проект получится слишком сложной и дорогостоящей. В худшем случае проект становится целью для несанкционированного вмешательства. По данным Microsoft, около 97% пользователей IoT (!) говорят о проблемах с безопасностью.
• Отсутствие стратегии. Без дальновидного планирования существует угроза, что определенная технология устареет еще до того, когда заработает в полную силу.
• Сложности интеграции. Так, внедрение IoT — это не только полевой уровень, но и сеть, облако, аналитические инструменты. Успешное развертывание одного из элементов не гарантирует успеха на других.
• Отсутствие квалифицированных специалистов. Эту причину следовало бы вынести на первое место. Именно недостаток мозгов становится причиной провалов, а все чаще — нежелание начинать проект. Опрос Microsoft показывает, что 47% предприятий отказываются или отсрочивают внедрение IoT из-за недостатка специалистов.

IDC прогнозирует, что к 2025 году в мире будет 55,7 млрд подключенных к Интернету устройств, львиная доля которых будет устройствами IoT. Поток генерируемых ими данных превысит 73,1 Збайт. Возможно ли это, учитывая вышеупомянутые сложности с внедрением и как переварит» такие безумные объемы данных? Ответом должны стать широкое применение IoT-платформ и перенос части вычислений «на край», в Edge IoT.

Что думают стейкхолдеры об EDGE IOT?

Накануне пандемии COVID-19 специалисты Mobile World Live, информационно маркетингового конгломерата, базирующегося в Барселоне, Лос-Анжелесе и Шанхае и структурно подчиненного GSM Association, провели довольно интересный опрос по заказу Telit Communications. Название исследования красноречиво: «IoT Edge: The Next Frontier».

Цель исследования — выяснить отношение к концепции предельных вычислений наиболее заинтересованных лиц. Поскольку по данным GSMA Intelligence количество соединений «Интернета вещей» должно было вырасти с 6,3 млрд в 2016 году до 25 млрд в 2025-м, IoT Edge как средство справиться с огромным потоком данных приобретает особое значение (добавим, что согласно отчету State of the IoT Q4 2020 & 2021 outlook по состоянию на конец 2020 года количество подключенных IoT-устройств уже превысило количество пользовательских приборов и гаджетов и составляло 11,7 млрд от общего числа 21,7 млрд активных подключений. По улучшенным прогнозам IoT Analytics, в 2025 году в мире будет работать до 31 млрд подключенных IoT-устройств).

В опросе приняли участие 202 респондента, руководители компаний из отрасли сотовой связи. Около 20% респондентов представляли поставщиков оборудования, 14% — поставщиков программного обеспечения, 9% — операторов связи первого уровня, 5% — операторов связи второго уровня и 3% — операторов виртуальных сетей. Остальные 48% респондентов были представителями других участников экосистемы мобильной связи — промышленности, научных, исследовательских, образовательных институтов, регулирующих органов, разработчиков, инсталляторов и т. д. Географически исследование охватило в основном Европу (48% респондентов), а также Северную Америку (26%), Азию (15%), Африку (5%) и Южную Америку (3%).

Что же выяснилось в ходе опроса? Основные цифры: 80% респондентов отметили желание и готовность воплощать предельные вычисления в своих проектах в течение ближайших трех лет (рис. 4). Хорошая новость, да? Но почти треть опрошенных не имеет достаточно информации о технологиях IoT Edge, а 20% вообще не знают о них (рис. 5).

Рис 4. Как быстро вы планируете внедрение Edge IoT. Источник: Mobile World Live

Рис 5. Слышали ли вы об Edge IoT. Источник: Mobile World Live

Что касается цели внедрения новых технологий, то 27% видят в IoT Edge возможность сэкономить средства и увеличить эффективность, 25% — возможность осуществить проекты, не реализуемые с применением нынешних (читай: облачных) технологий, а 24% заинтересованы в получении данных в режиме реального времени (рис. 6). Что касается отраслевого распределения (рис. 7), то главными сферами внедрения IoT Edge должны стать «умные» города и «умные» здания (27%), потребительская электроника (25%) и автомобильная промышленность (16%). Среди главных вызовов (рис. 8) при внедрении проектов предельных вычислений (или даже барьеров к внедрению) респонденты называют безопасность (более 50%), с большим отрывом идут надежность (12%) и стоимость (11%). Как видим, результаты исследования довольно противоречивы.

Рис 6. Какую ценность принесет Edge IoT по сравнению с централизованной облачной моделью. Источник: Mobile World Live

Рис 7. Какие отрасли больше всего выиграют от внедрения Edge IoT. Источник: Mobile World Live

Рис 8. Что самое главное при внедрении Edge IoT. Источник: Mobile World Live

Интересно, что респонденты (напомню, люди, непосредственно вовлеченные в дела отрасли) не имеют четкого мнения относительно того, где же проходит граница тех самых «вычислений на краю». Шлюз, разграничивающий локальную сеть и облако, называют 43%, в то время как 53% считают «краем» само полевое устройство или его контроллер, или процессор (рис. 9). По мнению большинства (72%), подавляющая доля вычислений в ближайшие пять лет будет оставаться в облаке, в то время как 27% оптимистов предсказывают переход более половины вычислений на полевой уровень (рис. 10).

Рис 9. Где начинается Edge IoT. Источник: Mobile World Live

Рис 10. Какая часть вычислений перейдет из облака в Edge IoT в течение следующих пяти лет? Источник: Mobile World Live

Проблемы первой мили

Всем известно выражение «последняя миля», благодаря провайдерам локальных сетей вошедшее в широкое употребление как синоним проблемного участка (в случае провайдеров — наиболее сложного в инсталляции и обслуживании отрезка сети между шлюзом провайдера и потребительскими устройствами). Между тем, в IoT наиболее сложным и решающим участком является «первая миля», которая соединяет полевое устройство как источник данных, и облако с его вычислительными возможностями (рис. 11). Обеспечение сбора, верификации, обработки, кодирования и передачи данных зависит именно от оборудования и ПО полевого уровня.

Рис 11. Четыре составляющих «первой мили» IoT. Источник: Telit Communications

По мнению специалистов Telit Communications, именно проблемы «первой мили» становятся причиной подавляющего количества неудач во внедрении проектов IoT. В частности, среди этих проблем следует назвать существование большого количества протоколов, которыми «разговаривают» полевые устройства и их несовместимость как между собой, так и с сетевыми протоколами OPC и MQTT для передачи данных в облако. Для того чтобы интегрировать эти устройства, необходимо писать код, много заказного кода, требующего времени, ресурсов и создающего дополнительные проблемы с безопасностью и масштабируемостью.

Между тем решением проблем должно стать применение промежуточных IoT-платформ, которые транслировали бы данные с датчиков на более высокий уровень. Примером такой платформы может служить программная платформа. Ориентированная на данные, платформа позволяет транслировать сведения с сенсоров, использующих стандартные протоколы ModBus, CAN, MT Connect и т. д., или проприетарные протоколы Siemens, Rock­well, Omron, Mitsubishi, FANUC, Ab Понятно, что devceWISE поддерживает OPC UA и OPC DA. Также devceWISE умеет «разговаривать» с ПК на ОС Microsoft Windows, Linux, IBM AIX, Raspberry Pi и позволяет отправлять данные с сенсоров непосредственно к системам MES, SCADA, ERP, MRP и т. п. При этом конфигурирование платформы проводится в интуитивно понятной графической среде и не требует написания кода. Система легко масштабируется, конфигурируется и уже содержит все необходимые драйверы для поддержки протоколов и приложений.

Вопрос обмена данными, управления устройствами и безопасности на «первой миле» решается также за счет использования встроенного непосредственно в беспроводные модули ПО вроде Telit OneEdge — программного пакета, включающего разработанный Open Mobile Alliance протокол LwM2M, виртуальную LPWA-карту Telit. В частности, модуль Telit IoT AppZone позволяет запускать пользовательские код и приложения непосредственно на модуле, а Telit’s Connection Manager упрощает подключение к сетям различных провайдеров.

Беспроводные модули IoT с глобальным покрытием

Примером беспроводных модулей со встроенным программным пакетом Telit OneEdge являются модули LE910Cx LTE (рис. 12). В частности, в этом году начато производство новых модулей LE910Cx ThreadX с поддержкой сетей 2G–4G с созданным GNSS-приемником и с глобальным покрытием. Модули LE910C1 (WWX и LE910C4) обеспечивают соответствие стандарту LTE 3GPP Release 10 (LTE/Advanced) и предназначены для работы в сетях LTE, HSPA и GSM/GPRS по всему миру, выполненные на их основе устройства применяются в любом уголке планеты, где вообще есть хоть какое-то покрытие сотовой связью.

Рис 12. Внешний вид LTE-модуля серии LE910C1. Источник: Telit Communications

Модули LTE 4 категории LE910C4 WWX обеспечивают скорости передачи данных 150/50 Мбит/c в сетях 4G (LTE), в то время как работа в 3G (HSPA) позволяет действовать на скоростях до 42/5,76 Мбит/c. Модули 1-й категории LE910C1 WWX работают на скорости 10/5 Мбит/с. Обратная совместимость с сетями 2G и 3G позволяет модулям автоматически переключаться на сети предыдущих поколений, если LTE-сеть недоступна. Кроме прочего, LE910Cx TX поддерживают технологию пространственной кодировки сигнала MIMO (Multiple 6input multiple output), позволяющую увеличить ширину пропускания канала LTE.

Модули выполнены в стандартном 181 правительственном корпусе LGA — 28,2×28,2×2,2 мм, они полностью совместимы с множеством других модулей Telit в форм-факторе xE910. Этот подход упрощает миграцию для применения устройств на разных рынках без изменения дизайна.

Модули LE910C1­WWX и LE910C4­WWX в глобальном исполнении поддерживают диапазоны LTE B1, B2, B3, B4, B5, B7, B8, B12, B13, B14, B26, B19, B20 и B28, диапазоны UMTS/HSPA B1, B2, B4, B5, B8 і B19 и диапазоны GSM/GPRS B2, B3, B5, B8. Они также имеют на борту встроенный GNSS-приемник, способный одновременно отслеживать сигналы из глобальных спутниковых группировок GPS, Glonass, Beidou, Galileo и QZSS.

Модули поддерживают голосовой режим VoLTE и SMS over IMS, имеют встроенный Pv4/IPv6 и UDP/TCP/FTP/SMTP-подборки. Питание модуля производится при напряжении 3,8 (3,4–4,2) В.

Новые модули легко интегрируются с периферией, для чего на борту есть интерфейсы USB 2.0 HS/HSIC, UART, SPI, PCM, I²C и GPIO. Технология разнесенного приема (RF divercity) увеличивает производительность соединения. Модуль адаптирован для применения в outdoor-приложениях M2M, имеет компактный дизайн и расширенный температурный диапазон эксплуатации (–40…+85 °C).

NB2, LTE CAT.M1 и GSM в одном модуле

Еще один интересный пример носителя с программным пакетом Telit OneEdge — беспроводной модуль ML865G1 WW (рис. 13), который в одном встраиваемом устройстве IoT использует сети мобильной связи второго и четвертого поколений.

Рис 13. LTE-модуль ML865G1 WW. Источник: Telit Communications

Модуль серии ML865G1 WW был представлен публике в апреле прошлого года. Устройство обеспечивает передачу данных в сетях GSM/GPRS (диапазоны B2, B3, B5, B8) и LTE (B1, B2, B3, B4, B5, B8, B12, B13, B18, B19, B20, B25, B26, B27, B28, B66, B71, B85), причем в зависимости от задач может использовать узкие диапазоны LTE<unk> (3GPP Release 14) шириной до 180 кГц и скоростью до 160/120 кбит/с (полудуплекс) или более быстрые LTE Cat.M1 (3GPP Release 14) шириной до 1,4 МГц и скоростью до 1 Мбит/с/588 кбит/с (полный или полудуплекс). Там, куда сети 4G еще не пришли, устройство сможет работать в 2G со скоростью до 210/264 кбит/с.

Кроме коммуникационного, на борту модуля есть и блок навигации GNSS (GPS, GLO (NASS, Beidou, Galileo). Модуль поддерживает мощность передачи до 23 дБм в сетях LTE (Класс 3) и 33 дБм в сетях GSM/GPRS (Класс 4).

Габариты LTE модуля стандартные: 24,4×24,4×2,6 мм, он программно совместим с другими модулями Telit линейки xL865 и позволяет быстро перейти от 2G- и 3G-технологий к новейшим технологиям передачи данных для «Интернета вещей», оставляя при этом «страховку» в виде поддержки 2G.

Новый модуль имеет IPv4/IPv6-стек с поддержкой протоколов TCP и UDP, обеспечивает режимы энергосбережения eDRX и PSM, обновляется «на лету» с FOTA, передает SMS, а производитель планирует и поддержку голоса поверх данных в LTE. Набор поддерживаемых интерфейсов включает USB 2.0 HS, UART, SPI, I²C, GPIO, ADC и 1.8 SIM interface. Температурный диапазон эксплуатации –40…+85 °C.

Новые модули могут прекрасно заменить (без необходимости доработок) модули GL865, UL865 и NL865 (2G, 3G и 4G) в приложениях, которые не требуют больших объемов передачи данных, таких как «умные» счетчики, автомобильные трекеры, медицинские мониторы, системы отслеживания активов, промышленные сенсоры, средства бытовой автоматизации и другие.

NE310L2: модули NB IOT с низким эенргопотреблением

Новый модуль NE310L2 (рис. 14) имеет на борту «облегченный» программный пакет Telit OneEdge — Light, что, впрочем, не делает его неинтересными. У каждого модуля свои преимущества. У нового модуля узкополосной связи сверхнизкое, как для сегмента NB IoT, энергопотребление.

Рис 14. Внешний вид NB IoT-модуля NE310L2. Источник: Telit Communications

Потребление в режиме энергосбережения PSM модуля серии NE310L2 составляет всего 1,5 мкА, а в eDRX (81.92 с) растет лишь до 45 мкА. Столь низкое энергопотребление позволяет увеличить срок службы устройств с автономным питанием до 15 лет без замены источника питания (батарейки).

Модуль по размерам и попиново совместим с другими модулями семейства xE310. В данный момент серия насчитывает две модели: NB2-модуль NE310L2 W1, а также комбинированный NB2/GSM-модуль NE310L2 WW. Устройства созданы на базе чипсета ALT1255, выпущенного Sony Altair, и рассчитаны на работу в 20 частотных диапазонах, поэтому география их применения практически ничем не ограничивается.

Модули поддерживают 13 и 14.1 релизы 3GPP, достаточно неприхотливы к уровню напряжения питания и обеспечивают высокое усиление исходного сигнала. Скорость передачи данных в узкополосном доступе составляет до 160/120 кбит/с, в GPRS — до 42,8/85,6 кбит/с.

Ключевые особенности новых модулей — малые размеры и низкое потребление — делают эти решения отличным выбором для компактных полевых устройств IIoT и IoT на батарейках: «умных» счетчиков, мониторов здоровья, мониторов окружающей среды и т. д. В предварительной спецификации производитель также указывает возможность применения NE310L2 в трекинговых системах, но, возможно, это просто ошибка составителей документа, поскольку новый модуль не имеет встроенного GNSS-приемника. Впрочем, для этих целей семейство NB/IoT-модулей xE310 имеет другие решения (табл).

ME310G1­W2: теперь и с европейской сертификацией

Облегченная версия ПО Telit OneEdge — Light встроена в самый миниатюрный на рынке модуль NB IoT диапазона 450 МГц. Бюджетный ультракомпактный модуль ME310G1 W2 (рис. 15) является наименьшим в своем классе и довольно перспективным: он поддерживает LTE Cat.M1/NB2 + опционально GPRS и имеет встроенный GNSS-приемник. Недавно модуль стал первым модулем LTE на 450 МГц, который получил сертификацию на соответствие требованиям Radio Equipment Directive (RED).

Рис 15. Ультракомпактный модуль ME310G1. Источник: Telit Communications

ME310G1 (W2) построен на современном чипсете Qualcomm MDM9205 и работает в режимах M1/NB2 в диапазонах B1, B3, B5, B8, B20, B28, B31 и 72, причем в двух последних он обеспечивает исходную мощность до 26 дБм, что намного увеличивает дальность действия изделий, созданных на базе этого модуля.

Основные характеристики модулей ME310G1 W2:

• ультракомпактный комбомодуль LTE M1/NB2 со встроенным GNSS-приемником (GPS, GLONASS, Beidou, Galileo);
• поддерживаемые диапазоны: 4G: B1, B3, B5, B8, B20, B28, B31, B72;
• передача данных: LTE Cat.M1 (Rel.14) до 1 Мбит/с/588 кбит/с; LTE Cat.NB2 (Rel.14) до 160/120 кбит/с;
• понижен логический уровень GPIO: 1,8 В, поддержка USB 2.0 HS, UART, SPI, I²C;
• упрощенная миграция со всеми модулями семейства xE310;
• поддержка передачи голоса VoLTE;
• встроенный стек UDP/TCP, под которым AppZone C;
• SMT упущенный корпус LGA: 15×18×2,6 мм.

Что дальше?

Конечно, на одних только беспроводных модулях, пусть даже и со встроенными программными функциями, построение экосистемы IoT не вытянешь. Будь-то классическая облачная конфигурация, или конфигурация, построенная на предельных вычислениях IoT Edge, или какой-то промежуточный вариант (а скорее всего, именно по такому принципу и будет развиваться IoT в дальнейшем). Критическим является наличие квалифицированных специалистов. Мир «разумных вещей» способны создавать только умные люди. И даже им будет его ой как непросто строить.

И как бы ни пытались разработчики IoT-платформ и беспроводных модулей упростить жизнь разработчикам и инсталляторам систем IoT, простым оно никогда не станет. При любых самых прекрасных решениях дело это всегда будет сложное и кое-где недешевое. Это с одной стороны, а с другой — использование IoT уже сегодня предоставляет конкурентные преимущества многим предприятиям. Из области теоретических соображений облачные сервисы уже давно стали частью бизнес-ландшафта во всем мире, не только в развитых странах. Применение предельных вычислений IoT Edge также принесет выгоду тем, кто способен использовать преимущества технологии. Так что оно того стоит…