Разработка модели обращения данных в сфере ЖКХ при использовании концепции Интернета вещей

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Технологии с каждым годом развиваются все стремительнее и стремительнее. Еще недавно людям было сложно представить, что для оплаты различных услуг не надо будет выходить из дома, что для того, чтобы узнать какую-либо информацию, достаточно просто написать запрос в приложении, а для общения не нужен живой человек. Наша жизнь кардинально изменилась за последние десятилетия и продолжает изменяться дальше. Никого уже не удивить роботами, онлайн покупками или молниеносной отправкой письма на другой конец мира. Но все же, даже сейчас человечеству есть к чему стремиться.

Люди всегда пытались улучшить и облегчить условия жизни. Наши предки изобрели колесо, на основе которого создали возможность переносить большие грузы и передвигаться быстрее, создали электричество, чтобы имелась возможность функционировать в темноте, полетели в космос, чтобы была возможность расширить свой мир. Но что дальше? А дальше настал век интернет-вещей.

Интернет-вещей стал новым шагом развития. С ним можно сравнить изобретение парового двигателя или индустриализацию электричества. Данная концепция позволяет различным предметам, оснащенным технологиями взаимодействовать друг с другом, обмениваться процессами и «общаться» между собой. Стоит отметить, что работы в этой области только ведутся. То, что можно достичь и то, что есть сейчас - это совершенно разные вещи. Однажды планируется, что интернет-вещей активно будут участвовать в различных процессах: информационных, социальных, экономических, бизнес. Они будут обмениваться информацией об окружающей среде и происходящих ситуациях, анализировать и реагировать, не привлекая к этому человека.

Интернет-вещей могут помогать, замещать человека практически в любой сфере: экономике, финансах, ИТ технологиях и так далее. И в каждой области это будет незаменимый помощник, облегчающий жизнь людей. Главное же, что такая технология избавит от множества проблем, с который человек сталкивается так или иначе в повседневной жизни. Сложные технологичные процессы, кропотливые работы - это вещи, которые замечают в первую очередь и над которыми более активно ведутся наработки. Но мало кто вспоминает то, что все привыкли делать - домашние дела, походы в магазин, оплата жилищно-коммунальное хозяйство (здесь и далее - ЖКХ). Если первые два заменить концепцией интернет-вещей сложнее, то о последнем как раз и пойдет речь в данной работе.

Рисунок 1. Интернет Вещей в сфере ЖКХ

Услуги ЖКХ - это то, с чем пересекается любой человек, и все понимают, как процесс оказания данных услуг бывает не приятен, со сколькими проблемами приходится сталкиваться ежемесячно. Снятие показателей с датчиков, оплата - все кажется простым и легким. Но стоит только углубиться в процесс, то тут же замечаются тысячи недостатков - неверные показания этих самых датчиков, не верный расчет со стороны непосредственно ЖКХ, обход в показаниях, переплата и так далее. Сложно найти того, кто ни разу не возмущался на процесс работы этих самых служб. А что, если жилая площадь находится за несколько километров от текущего местоположения и отследить достоверность датчиков не предоставляется возможным? И вот тут как раз «вступает в игру» интернет-вещей.

В ходе данной работы будут рассматриваться способы снятия показаний с датчиков, возможности предоставления их пользователю и оплата за оказанные услуги онлайн.

Объектом исследования является модель обращения данных в сфере ЖКХ при использовании IoT.

Предметом исследования являются технологии процесса передачи данных от конечных узлов к базам данных.

Основной целью данной работы является выбор оптимальных технологий для решения задачи агрегации данных.

Практическая значимость данного исследования заключается в обеспечении возможности мониторинга состояния датчиков ЖКХ для обеспечения качественного обслуживания конечных пользователей, возможности проверки данных и их автоматизированный сбор.

1. Интернет-вещей

Рассмотрим более подробно, что же такое подразумевается под этим странным словосочетанием, которое вначале ставит людей в ступор.

Как говорил Роб Ван Краненбург: «IOT (она же Интернет вещей) -- концепция пространства, в котором все из аналогового и цифрового миров может быть совмещено - это переопределит наши отношения с объектами, а также свойства и суть самих объектов».

Интернет вещей - это концепция вычислительной сети технологически оснащенных предметов взаимодействовать друг с другом, обмениваться информацией и на основе ее правильно реагировать. Данная концепция подразумевает под собой то, что при правильной и корректной разработке вмешательство человека не потребуется вовсе, и все будет работать только на технологиях.

Разработка этой сферы станет новым скачком развития нашего общества и продвинет технологичный прогресс вперед. Цифровые технологии уже достигли значительных целей, и сложно сказать, что ждет нас дальше. Но все понимают, что мы находимся только в начале пути в этом развитии, что впереди ждет что-то действительно грандиозное, что позволит не только улучшить качество жизни, то и поможет человечеству познать новые, ранее не изведанные стороны разных областей.

К сожалению, любое развитие происходит неравномерно, прорабатывая какие-то части вначале лучше других. Такие сферы, как электроника, логистика, финансы, транспорт готовы к изменениям в любой момент, у них есть основа, позволяющая технологиям быстрее и точнее включить их в реализацию нового этапа, то есть в концепцию интернет-вещей. С сельским хозяйством же, например, дела обстоят куда сложнее. Данная сфера с давних пор основывалась в первую очередь на человека, нежели на машины, от чего технологии тут сложнее интегрировать. Но и в данной области создаются интересные и полезные доработки, ожидающие нас в скорейшем будущем, что означает, что «замещение» человечества сумеет коснуться всех частей нашей жизни, какими бы своеобразными и зависящими от человека ни были.

Для более наглядного рассмотрения работы IoT рассмотрим «умный город». Согласно исследованиям Beecham Research, Pike Research, iSupply Telematics и министерства транспорта США в рамках данных проектов существует миллиарды устройств, отвечающие за городские системы: управление транспортом, водоснабжение, безопасность, здравоохранение и так далее. Сюда же стоит включить умные парковки, позволяющие оптимизировать использование мест для стоянки. Стали встречаться умные остановки для городского общественного транспорта, показывающие информацию о времени ожидания транспорта. Эта лишь малая часть, внедренная и разрабатывающая на основе интернет вещей.

В промышленности также функционирует множество устройств, готовых внедриться в нашу повседневную жизнь. Также стоит сделать акцент на сфере энергетики и ЖКХ. На данный момент уже существуют «умные» предметы, облегчающие работу с этими областями. Разработаны множество счетчиков, элементов автоматики распределительных сетей, электрозарядная инфраструктура, улучшена часть возобновляемых и распределительных источников энергии.

Планируется увеличение количества машинных подключений примерно на 25% в год. По примерным показаниям к 2021 году нас ожидает около 28 миллиардов различных технологичных устройств, где только 13 миллиардом придется на уже примитивные пользовательские гаджеты (планшеты, смартфоны, персональные компьютеры и так далее). Остальные 15 миллиардов составят промышленные устройств. Сюда стоит включить различные терминалы для продаж, индикаторы, автомобили, датчики и так далее [1].

С каждым годом цифры подключаемых устройств к IoT растут. В скором времени к 2020 году ожидается запуск сетей 5G, что также позволит подключить еще больше устройств. В связи с этим прогнозируют, что будет более 50 миллиардов «вещей», которые обретут способность делиться друг с другом информацией для обмена ей и выполнения различных функций.

Массовый характер подключений и различные сценарии использования диктуют требования к сетевым технологиям IoT в самом широком диапазоне. Скорости передачи данных, задержки, надежность (гарантированность) передачи определяются особенностями конкретного применения. И тем не менее есть ряд общих целевых показателей, которые требуют от нас отдельно рассматривать сетевые технологии для IoT и их отличия от традиционных сетей мобильной связи.

Вначале стоит отметить стоимость реализации сетевой технологии. Ее показатели, как предполагается, должны быть значительно меньше существующих сегодня моделей GSM/WCDMA/LTE, которые используются во всех смартфонах и модемах на сегодняшний день. Но пока массовая реализация подключенных устройств прерывается на моменте той же стоимости, а именно цена чипсета, реализующего полной стек сетевых технологий, в том числе управление голосом и многие другие функциональности, являющиеся неотъемлемой частью интернет вещей [2].

Также положительным качеством интернет вещей является низкое электропотребление и продолжительное время автономной работы. Были рассмотрены многие стороны использования IoT, и почти все предусматривают автономное питание подключенных устройств от встроенных элементов питания. Дизайн таких «вещей» будет энергоэффективным, а сетевые модели упрощены, что позволит добиться времени автономной работы до 10 лет, когда емкость питания будет составлять всего 5 Вт*ч. Всего этого получается достичь за счет того, что снижается объем передаваемых данных и используется продолжительный период «тишины», то есть время, в течении которого устройство не переделает и не получает информацию, а значит не потребляет энергию. Но, стоит отметить, что все эти показателя сильно условны, так как зависят от конкретного устройства, технологии и сферы их деятельности.

Что же касается покрытия сети? На сегодняшний день покрытие мобильной сети обеспечивает устойчивую передачу данных как снаружи, так и внутри помещений. Но устройства могут быть не только там, где поток людей нескончаемый - города, торговые центры, дома, но и там, где людей нет - железнодорожные перегоны, подвалы, поверхность водоемов, металлические и бетонные короба, отдаленные районы, лифтовые шахты и так далее, перечислять можно долго. Для решения этой задачи предприняты попытки улучшения бюджета линии на 20 dB относительно традиционных сетей GSM, являющихся лидером по покрытию среди мобильных технологий сегодня.

Каждая область требует разных сценариев использования Интернета вещей. Любая технология разработана по своему принципу, и ей необходим индивидуальный подход, зависящий непосредственно от того, в какой индустрии её предполагается использовать. В том числе, использование подключаемых устройств напрямую зависит от сложности проработки и сферы. Если для полива виноградника надо использовать простые датчики, то в области здравоохранения дела обстоят совершенно иначе. Например, оборудование для телемедицины. Такие комплексы используются для проведения дистанционной диагностики, мониторинга сложных медицинских манипуляций и удаленного обучения с использованием видеосвязи в режиме реального времени. Такие конструкциям необходимо совершенно другие требования для передачи данных, задержки сигнала, безопасности и тому подобное. При разработке комплекса устройств IoT нельзя с точностью сказать обо всех потребляемых ресурсах, энергии и так далее, каждый механизм надо рассматривать на частном уровне, что несколько усложняет процесс развития и прогнозирования.

Концепция Интернета вещей должна быть гибкой, чтобы обеспечить любой набор технологичных характеристик, основываясь на области использования. Миллионы подключенных устройств, десятки сценариев использования, гибкое управление и контроль - все это должно быть реализовано в рамках единой сети.

Последние года отданы на попытки поиска решений всех поставленных задач в сфере беспроводной передачи данных. Люди рассматривают возможности адаптировать уже созданные сетевые архитектуры для возможности разработки IoT, а также пытаются придумать новые решения с нуля. Уже мы видим успешные шаги в этой области, которые позволяют решать задачи Интернета вещей коммуникаций в размах ограниченной территории. Например, к этому этапу можно причислить Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee и другие аналоги.

Но в тоже время современные мобильные технологии находятся вне конкуренции со стороны обеспечения покрытия сети и масштабируемости управляемой инфраструктуры. Согласно исследованию Ericsson Mobility Report, покрытие GSM составляет 90% населенной территории планеты, сети WCDMA и LTE 65% и 40% соответственно при активно продолжающемся строительстве сетей.

В рамках развития стандартов мобильной сети как раз направлены на решение задач в области Интернет вещей при сохранении тех положительных сторон использования глобальной экосистемы. Эволюция этих технологий станет основой будущих модификаций стандартов мобильной связи, в том числе стандартов сетей пятого поколения (5G) [3].

Другие альтернативы более низкой мощности для частного спектра направлены же на более узкое применение. Поэтому перед нами, человечеством, в частности, стоит задача создания новой инфраструктуры для распространения и реализации концепции интернет вещей во всех областях нашей жизнедеятельности.

Рисунок 2. Сферы, использующие Интернет Вещей

2. Зачем IoT банкам

Как было сказано выше, IoT сейчас активно развивается, заполоняя собой все сферы деятельности. И не стоит забывать о такой важной сфере, как банк. Без финансов человек никто. Ничего нельзя получить за просто так, а «работать за еду» получается не у каждого, да и не каждый готов идти на такое. Именно поэтому нельзя отрицать, что деньги - это основная потребность человека. А где деньги, там, естественно, и банки.

Банк - это финансовая организация, деятельностью которой является привлечение и размещение денежных средств, и проведение расчетов. По сути, банк - это посредник между деньгами и человеком. И для того, чтобы люди продолжали доверять банку быть этим посредником, такой организации приходится постоянно развиваться в области как финансовой, так и IT. А появление такого концепта, как Интернет Вещей очень удобной и реализуемой вещью для трансформации банковской сферы в то, что сейчас называется FinTech.

Все больше цифровых технологий и инноваций вкладываются в банковскую систему и формируют операционные модели этого сектора. Big Data, ML, блокчейн, AI, автоматизация процессов, IoT - это самые популярные облачные технологии, образующие некие новшества банковской системы. Все банки стремятся сейчас перейти на более надежную цифровую базу. Без этого ни одна организация даже не сможет попасть в список конкурентоспособных и развитых/развивающихся учреждений.

Еще несколько лет назад сложно было представить, что человек сможет управлять своими счетами при помощи даже просто компьютера. Поход в банк являлся неотъемлемой частью жизни любого человека, получающего какое-либо финансирование. Сейчас же мы имеем возможности на управление финансами не только через компьютер, но и через планшет, смартфон, даже часы!

Чем больше развивается беспроводная связь, тем больше разрабатывается IoT-приложения, которая позволяют собирать информацию о неких потребностях и предпочтениях клиентов. С каждым годом технологии прогрессируют все больше, а значит потребность в Интернет Вещей как в целом, так и для банков возрастает. Сейчас ни один банк, который готов позиционировать себя как надежный, выгодный и так далее, можно сказать, обязан использовать IoT в своей сфере.

Кроме того, чем больше развитие технологий в мире, тем больше клиентский спрос на удобный мобильный банковский сервис. А чем больше спрос, тем, что уже не раз доказывалось множеством формул и графиков, больше предложений от банков, для его удовлетворения.

Рисунок 3. График спроса и предложения

IoT технологии позволяют обеспечивать это предложение. Интернет Вещей помогает при сборе и анализе больших массивов банковской информации, благодаря чему банк может предоставить индивидуальные услуги, тарифы или скидки на уже имеющиеся услуги. Также это позволяет разработать программы поощрений, опять же индивидуальные для каждого клиента, что способствует лояльности.

При помощи Интернета Вещей можно не только отслеживать поведение клиента, его предпочтения и так далее, но также IoT помогает улучшать внутренние процессы. Лучше всего это отображается на принятии решений по продуктовой стратегии и в кредитовании. Данные, которые собираются Интернетом Вещей, можно использовать для прогнозирования целевых предложений по банковским продуктам или для определения кредитного риска потенциальных заемщиков, особенно, если те не имеют под собой кредитной истории, а также для принятия различных коммерческих решений.

Благодаря технологии Интернета Вещей у банков появляется преобразовать всю полученную и проанализированную информацию в денежный эквивалент, то есть в личную прибыль, что также и позволяет им подняться на финансовом рынке.

Из всего этого следует следующее: с развитием инновационных решений в IoT банки имеют возможность улучшить персональный уровень обслуживания клиентов всех сфер и уровней на новую ступень.

Технологии Интернет Вещей собирают и анализируют большие массивы информации. Таким образом, банковские организации получают больше данных о клиентах, за счет чего улучшают собственные внутренние процессы принятия решений со стороны предоставляемых услуг, инвестиций и продуктовой стратегии. Примером может послужить то, что при помощи информации, взятой с IoT банк, может использовать ее для определения более четкой детализации картины персонального кредитного риска. Те же данные могут служить для разработки индивидуальной программы поощрения клиента, что станет толчком для повышения собственной лояльности. Это может позволить банкам поднять индивидуальный подход обслуживания клиентов на новый уровень.

На практике использовать IoT в банковской сфере можно в различных областях. Уже на сегодняшний день клиента можно распознать сразу же, как только он входит в помещение. Происходит это за счет установленных в отделениях биометрических и позиционных данных, «сотрудничающих» с видеокамерами. Датчики, размещенные на банкоматах, собирают информацию, анализ которой позволяет определить оптимальные зоны для постановки банковских аппаратов. За счет информации непосредственно о клиенте и его местоположении, организации могут предоставлять свои продукты и помогать принять выгодные для обоих сторон решения в финансовой деятельности.

Через пару лет уже массово люди будут проводить транзакции из дома при помощи повседневных устройств. Базовые операции можно будет использовать при помощи специальных приложения, установленных на персональные и носимые устройства, такие как смартфоны, финес-трекеры, smart-часы, а также при помощи голосовых устройств, таких как GPS-системы, установленные на автомобильных устройствах. Оплаты за любые услуги уже становятся быстрее и удобнее, а в течении пары лет и вовсе перестанут отнимать время и станут легко реализуемыми. Сейчас уже можно оплачивать транспортные услуги такси, просто привязав банковскую карту к приложению, а датчики NFC позволяют обычным прикосновением телефона или smart-часов к платежному аппарату перечислить деньги на счет компании, оказывающей услуги. Еще недавно было сложно себе представить оплату различных услуг без наличных денежных средств, когда в настоящем становится уже необязательным использование даже банковской карты.

По данным исследований аналитической компании iKS Consulting в 2016 году количество реализованных IoT-проектов в финансовой сфере повысилось на 10%. В 2017 году объем рынка составил свыше 1,2 миллиардов рублей. Темпы роста с 2017 по 2020 года не снижаются с уровня 5%. Десятки решений различных финансовых и банковский IoT приложений разрабатываются, и с каждым годом рост этих решений растет [4].

3. IoT в ЖКХ

ЖКХ - это те буквы, которые почти у каждого вызывают неприятные ощущения и воспоминания. И проблема заключается не столько в самой организации, сколько в неожиданностях, которые она преподносит. Сколько людей, получая квитанцию, испытывали удивление, увидев собственные счета за воду? Конечно, счетчики помогают отслеживать потребление ресурсов, но все же и это не всегда помогает точно понять, откуда взялась такая стоимость. Причина таких «удивлений» в несовершенстве системе учета потребляемых ресурсов, где потребитель должен сам высчитывать и отправлять в компанию показатели счетчиков, что не является идеальным для учета. Как минимум человеческий ресурс - это всегда нестабильная вещь. И дело не в том, что люди любят приврать, а в том, что ошибки - это повседневная вещь.

Именно тут в дело и вступает технология Интернет Вещей. Уже появились модели «умных» счетчиков, которые с постоянной регулярностью передают показания в ЖКХ, а у клиентов есть возможность отслеживать статистику расхода потребляемых ресурсов.

По примерным данным потери ресурсов в сфере жилищно-коммунальных услуг составляют около 10-15% на воду, 30-40% на электричество и до 60% на газ. Эти потери огромны. Множество компаний, например, Мособлгаз, не могут выйти в плюс за счет того, что большинство поставленного компанией ресурса не оплачивается. Кто не умеет корректно считывать показания, некоторые не могут правильно определить, например, из-за плохого возраста или зрения, некоторые не хотят/забывают ежемесячно заходить на уже созданный сайт (лично ходить в ЖКХ и оплачивать нет необходимости) для отправки показаний и их оплаты. К тому же множество случаев незаконные подключения, установка магнитов на счетчики для уменьшения численности исключительно визуально и так далее.

Рисунок 4. Реальная реклама магнитов, останавливающих показания счетчика

Основная причина таких потерь для компаний - это то, что за показаниями счетчиков следят исключительно пользователи. Компании не выделяют от себя людей, которые бы делали это самостоятельно, а люди, как известно, не всегда готовы платить из своего кармана, если есть возможность этого не делать.

А сколько людей видели, что их счета оказываются значительно больше, чем они потребляли? Где-то компания не корректно сделала расчеты, где-то «добрые соседи», подключающиеся к чужим счетчикам, где-то еще какие-либо причины. Все это показывает, что вмешательство технологий в сферу оказания жилищно-коммунальных услуг не просто желательно, а необходимо. И именно тут на помощь приходит проект Интернета вещей. На сегодняшний момент попыток для создания удобного сервиса для мониторинга и оплаты ресурсов ЖКХ было немного, но в скором времени и эта сфера не останется без внимания прогресса [5].

В рамках данного проекта будет рассмотрен тот частный случай, когда технология IoT необходима для оплаты услуг ЖКХ. В эту область входит и снятие показателей с датчиков, отслеживание их в любой момент времени, получение информации с них и непосредственная оплата с мобильного устройства или персонального компьютера. Для реализации такой задачи необходимо рассмотреть все существующие концепции решений и технологий и на их основе определить, по какому пути развития пойдет будущая разработка.

4. Протоколы связи

Протоколы связи - набор соглашений интерфейса на логическом уровне, определяющий обмен данными между различными программами и технологиями. Данные соглашения создают единый способ передачи информации и обрабатывают ошибки при взаимодействии программного обеспечения.

Сейчас существует множество протоколов для передачи данных, каждый из которых удобен в разных областях, разных сферах и даже отдельно для каждого устройства, количества этих устройств. Стоит рассмотреть подробнее основные протоколы для определения того, какой из них наиболее подходит для решения нашей задачи.

CoAP.

CoAP (Contrained Application Protocol) - это протокол сервисного уровня. Он предназначен для использования в различных интернет-устройствах, содержащих ограниченные ресурсы. Например, узлы беспроводной сенсорной сети. Если говорить простыми словами, то CoAP предназначен для использования на очень простом и на ограниченном оборудовании, например, на 8-битном микроконтроллере или на датчиках низкой мощности и так далее, которые не могут работать на HTTP или TLS. Данный протокол основан на протоколе HTTP, но в отличие от последнего, который использует TCP и является текстовым протоколом, CoAP - бинарный протокол, который работает поверх UDP. Это отличие позволяет уменьшить объем передаваемой информации. Сервер предоставляет свои ресурсы адресам URL, после чего пользователи обращаются к ним посредством стандартных методов: GET, PUT, POST и DELETE.

Рисунок 5. Схема работы протокола CoAP

К преимуществам данного протокола можно отнести поддержку URI и content-type, что дает более простое использование для клиентов и работы на стандартных методах [6].

Также стоит упомянуть небольшие объемы передаваемых сообщений. Достаточно сравнить количество объемов для информации еще десять лет назад и сейчас, и все увидят, как сильно увеличилась цифра. Не удивительно, что сейчас много ресурсов отдано на то, чтобы ужать объем сообщений без уменьшения его качества. При помощи данного протокола такая задача несколько упрощается.

Так же положительной стороной является простота в разработке, а значит уменьшение сроков реализации проекта, нормализация поддержки и отсутствие критичных ошибок, появляющихся именно на стороне разработки.

Плюсами CoAP в том числе являются простота подписки, поддержка push-уведомлений и простое кэширование. Также, как уже говорилось выше, этот прокол использует UDP и поддерживает IPv6 и 6LoWPAN.

Если устройство не имеет возможности запустить HTTP или TLS, то тут как раз выручает CoAP. Этот протокол делает практически тоже, что и должен был бы делать HTTP. Миграция не является сложным процессом, если до этого человек хоть немного был знаком с HTTP API. Безопасность протокола работает на DTLS.

Также хорошо этот протокол будет использоваться на устройствах, требующих батарею. CoAP улучшает производительность данного элемента, протокол UDP сохраняет пропускную способность и делает наш протокол наиболее эффективным.

Еще одним примером, при котором незаменим CoAP - это невозможность запуска MQTT и HTTP, как говорилось выше. Несомненно, такой протокол, был бы полезен для использования разработки концепции интернет-вещей в сфере жилищно-коммунального хозяйства [7].

XMPP.

XMPP - это открытый протокол, основанный на XML. Он свободен для использования мгновенного обмена информацией в режиме максимально приближенном к реальному времени.

Данный протокол с изначальной разработки легко расширяемый и передает не только текстовую информацию, но и воспринимает передачу голосу, видео и файлы по сети. XMPP можно назвать открытой федеративной системой. Абсолютно любой человек может открыть сервер для мгновенного обмена сообщениями, регистрации пользователей и взаимодействия с другими серверами XMPP [8].

Рисунок 6. Схема работы протокола XMPP

Основными преимуществами такого протокола являются:

Децентрализация. То есть любой человек может без особых трудностей запустить собственный сервер без необходимости дополнительного центрального сервера. Такая возможность упрощает работу и уменьшает потребляемые ресурсы.

Открытый стандарт. На данный момент существует множество реализаций серверов и пользователей. Сюда же можно включить уже существующие библиотеки с открытым исходным кодом. Это означает, что такой протокол прост в использовании и не требует дополнительных навыков.

Бесконечная расширяемость. Абсолютно любой человек может свободно написать свое собственное расширение XEP, а после добавить его в протокол без дополнительных настроек и каких-то трудностей.

Безопасность. Серверы данного протокола могут быть изолированы от публичных сетей XMPP, а также хорошо защищены встроенными в ядро спецификациями.

Гибкость. Любая настраиваемая функциональность может быть надстроена поверх протокола.

Однако, любая система, любой протокол, имеет как свои плюсы, так и минусы. Поговорим более подробно о недостатках XMPP:

Неэффективность передачи бинарных данных. XMPP является, по сути, XML-документом, через который невозможно передавать не модифицированную двоичную информацию, что усложняет процесс работы с ним.

Избыточность передаваемой информации. Протокол создает избыточный трафик для передачи сообщений о присутствии нескольким пользователям, что увеличивает объем передаваемой информации [9].

Modbus.

Modbus - набор протоколов, которые используют различные способы физической связи устройств. Для примера можно привести интерфейс RS-485. В основе данных реализаций стоит последовательный протокол, использующий модель «ведущий - ведомый». «Ведущий» отправляет «ведомому» запрос, а второй уже ему отвечает.

В стандартной сети присутствует один главный узел и до 247 дополнительных, подчиненных, которые отвечают на запрос основного. Но двухбайтовая система адресации способна ослабить данное ограничение [10].

Рисунок 7. Схема работы протокола Modbus

Интерфейс RS-485 осуществляет связь основного и подчиненных устройств при помощи пакетов, содержащих в себе код функции и различные данные. Данный код указывает, какое следующее действие необходимо будет предпринять. Для примера, команда на прочтение дискретных входных данных, данных из FIFO-очереди, выполнение диагностической операции. А уже дополнительные, ведомые устройства, получив задание, исполняют ее, отвечают, после отправляют пакет с простой структурой данных. За счет низкой вычислительной нагрузки, передача данных может быть для любых устройств - от элементарных датчиков до интеллектуальных контроллеров.

На основании данной информации можно сказать, что Modbus довольно прост в использовании, что позволяет упрощенно работать с ним. Любой пользователь на основе данного протокола может создать сервер для обмена информацией между устройствами без дополнительных навыков и затрат. Но открытость Modbus делает его стандартном де-факто для индустриальных и SCADA-систем [11].

MQTT.

MQTT -- упрощённый сетевой протокол, работающий поверх TCP/IP. Он ориентирован для обмена информацией между устройствами, используя принцип «издатель - подписчик». MQTT прост в использовании, что является несомненным преимуществом использования данного протокола. Также к положительным сторонам данного протокола стоит отнести невысокую нагрузку на каналы связи, что не затруднит работу передачи данных, и работа в условиях постоянной потери связи, что позволит устройствам беспрерывно обмениваться сообщениями, несмотря на какие-то форс-мажорные факторы, связанные именно с потерей сети. В том числе, стоит упомянуть легкую встраиваемость в любую систему[12].

Основным предназначением MQTT является работа с телеметрией от различных устройств. Использование шаблона подписчика позволяет устройствам выходить на связь и выставлять сообщения, информация о которых не была предопределена заранее. Также протокол не вводит ограничений на формат передаваемых данных.

Протокол разработан для маломощных встроенных устройств, а потому вычислительные требования, необходимые для реализации, минимальны. В том числе, в дополнение к низкой нагрузке системы, MQTT имеет высокую эффективность связи в любых сетях, в том числе с низкой пропускной способностью. При всем при этом в структуре передаваемых данных содержится мало служебность информации. Если сравнивать, например, с HTTP, то MQTT почти не нагружает сети передачей информации, которая необходима исключительно для функционирования протокола. По измерениям, сделанным в 3G-сетях, пропускная способность MQTT в 93 раза выше, чем протокола REST (Representational State Transfer), работающего поверх HTTP [13].

Рисунок 8. Схема работы протокола MQTT

Этот протокол использует минимальное количество методов, которые служат для указания действий, необходимых для выполнения. Данные действия сводятся к какому-либо взаимодействию с брокерами и к работе с такими сообщениями. Агенты подключаются и публикуют темы с сообщениями или подписываются на них, получая информацию из сообщения. При окончательном завершении работы, агент отключается от брокера [14].

5. Технологии передачи данных

Компьютерные сети - совокупность различных устройств, например, персонального компьютера и так далее, объединенных между собой для возможности передачи данных между ними. Работу сетей обеспечивают такие составляющие как компьютеры, средства передачи (например, сетевые кабели) и совокупность процедур (например, протоколы) [15].

Сейчас идет активное использование интернет сетей для передачи информации на большое расстояние и за короткий промежуток времени. Но даже таких сетей существует несколько с различными преимуществами и недостатками. Рассмотрим основные из них.

Wi-Fi.

Wi-Fi - это технология беспроводной передачи данных, основанная на стандарте IEEE 802.11. Эта технология берет свое начало с 1998 года из лаборатории CSIRO. Принцип работы таков: существует точка доступа, которая передает свой идентификатор сети SSID при помощи сигнальных пакетов со скоростью 0,1 Мбит/с. На основе SSID приемник определяет существование возможности подключения в этой сети. Если происходит попадание в зону покрытия двух точек доступа с идентичными SSID, то приемник самостоятельно определяем, к какой из этих двух точек доступа он будет взаимодействовать, основываясь на уровне сигнала [16][17].

У данной технологии передачи данных имеется множество преимуществ. Основные из них - это то, что Wi-Fi не требует прокладки сетевого кабеля для подключения пользователей к сети. Таким образом, человек может подключиться в любой точке, не погружаясь в «атмосферу» нескончаемых проводов. В том числе, за счет этого подключение может осуществлять не один пользователь, а несколько, так как такие ограничения, как кабель, отсутствуют.

Сюда же относим и то, что у Wi-Fi гарантированная стоимость и большое распространение аппаратуры, поддерживающей данный стандарт. Почти любое устройство сейчас содержит возможность подключения к этой сети без дополнительных затрат средств [18].

И Wi-Fi имеет низкий уровень излучения устройств, что благоприятно влияет на экологию и здравоохранение.

Рисунок 9. Топология сети Wi-Fi

Но стоит и посмотреть на недостатки такой сети. В диапазоне 2,4 Гц работает огромное количество устройств, из-за чего увеличиваются помехи и ухудшается сигнал, прерывая передаваемую информацию, а иногда и вовсе теряя ее. Также Wi-Fi использует большое количество служебного трафика, а точки доступа с эквивалентной изотропно-излучаемой мощностью выше 100 мВт подлежат регистрации, что затрудняет свободное использование такой сети в масштабах крупных проектов и большого количества устройств. Еще одним недостатком служит то, что радиус действия такой сети сильно ограничен. Можно использовать несколько модемов для переключения между друг другом, но такая реализация хороша для простых устройств, например, смартфонов, но может быть критична в крупных проектах [19].

ZigBee.

ZigBee -- спецификация сетевых протоколов верхнего уровня, то есть уровня приложений APS и сетевого уровня NWK. ZigBee использует сервисы нижних уровней (то есть уровней управления доступом к среде MAC и физического уровня PHY, которые регламентированы стандартом IEEE 802.15.4. ZigBee и IEEE 802.15.4 и описывают беспроводные персональные вычислительные сети).[20] Спецификация ZigBee основывается на приложения, которые требуют гарантированную безопасность передачи информации при небольшой скорости и длительной работы устройств от автономного источника питания, то есть батареи [21].

Особенностью такой технологии является то, что при малом энергопотреблении ZigBee поддерживает не только простые топологии сети (например, дерево, звезда и так далее), но также и самоорганизующиеся и самовосстанавливающиеся ячеистые топологии с маршрутизацией сообщений [22].

Рисунок 10. Топология сети ZigBee

Также данная спецификация содержит в себе возможность выбора алгоритма маршрутизации, основываясь на требования устройств, на состояние сети и механизм стандартизации устройств, то есть профили приложений, библиотеки, конечные точки, механизмы безопасности. ZigBee в том числе обеспечивает простоту развертывания, обслуживания и модернизации [23].

6LoWPAN.

6LoWPAN - открытый стандарт, изначально разработанный для поддержки маломощных беспроводных сетей. Хотя сейчас этот стандарт адаптирован и под другие средства сетевой передачи [24].

6LoWPAN подключается большое количество устройств к облачному хранилищу, откуда уже поступает информация на сервера и обратно. У описываемого стандарта есть ряд преимуществ, которые делают его прекрасным для технологии Интернет Вещей, а именно - 6LoWPAN поддерживает большие ячеистые сети, имеет малую мощность и IP-адресуемые узлы. Стандарт напрямую связывается с IP, не изменяя формат и коннектится с другими сетями через стандартные маршрутизаторы [25].

Рисунок 11. Топология сети 6LoWPAN

В стандартной конфигурации к точке доступа коннектится сразу несколько устройств, например, персональные компьютеры, серверы. Смартфоны и так далее. Сеть нашего стандарта за счет использования граничного маршрутизатора связывается и IPv6-сетью. Маршрутизатор же служит для того, чтобы осуществить обменять данными между устройствами, подключенными к 6LoWPAN и Интернетом, позволяет локально обмениваться данными между самими устройствами, а также формирует и обслуживает различные радио подсети [26].

6LoWLAN часто используют для проектов IoT как один из самых удобных протоколов, хотя последнее время Thread (стандарт, созданный на основе этого) отодвигает его.

LoRa.

LoRa -- это технология связи на большие (Long Range) расстояния, запатентованная компанией Semtech. LoRa использует LoRaWAN - MAC протокол канального уровня для сетей с множеством узлов с большим радиусом действия и низким энергопотреблением [27].

Рисунок 12. Топология сети LoRa

Так как LoRa определяет нижний физический уровень, верхние сетевые слои отсутствуют [28]. LoRaWAN был разработан для определения верхних слоев сети. LoRaWAN -- это протокол уровня управления доступом к MAC, но действует в основном как протокол сетевого уровня для управления связью между шлюзами LPWAN и устройствами конечного узла как протокол маршрутизации [29].

XNB.

Существует множество протоколов и стандартов сетей иностранных компаний, которые используются для создания приложений Интернета Вещей. Но стоит поговорить и о протоколе отечественного производства, который уверенно выходит на рынок и активно конкурирует со своими заграничными товарищами [30].

LPWAN протокол компании Стриж - это энергоэффективный беспроводной протокол, в основе которого лежит передача данных с применением узкополосного метода в полосе частот 868 МГц. Протокол действует на большие расстояния, но передает лишь небольшие пакеты данных, что окупается за счет возможности передачи большого количества этих самых пакетов. В первую очередь протокол компании «стриж» создан для подключения к Интернету Вещей, а также для дистанционного обмена информацией в M2M сетях [31].

Рисунок 13. Топология сети Стриж

Сейчас компания «стриж» ориентирована на работу в России и странах СНГ и покрывает все города-миллионики и примыкающие к ним территории.

Для того, чтобы охват сети был увеличен вместе с производительностью базовых станций, используются алгоритмы параллельной обработки радиочастотного спектра.

Bluetooth.

Кто не знает про Bluetooth? Bluetooth - это спецификация беспроводных сетей. Она обеспечивает передачу информации между персональными компьютерами, ноутбуками, планшетами, смартфонами, принтерами и другими устройствами на беспроводной бесплатной доступной радиочастоте для ближней связи. Устройства могут обмениваться информацией только при условии, что они не находятся дальше 100 метров друг от друга, при этом нет никаких значимых преград или помех, которые могут прервать связь в любой момент передачи данных.

Принцип работы Bluetooth заключается в использовании радиоволн и связь корректно осуществляется в ISM-диапазоне, который используется во множестве повседневных устройствах [32].

Рисунок 14. Топология сети Bluetooth

При передачи цифровой информации используются разные виды кодирования, при которых аудиосигнал обычно не повторяется, а данные передаются повторно, если пакет был утерян.

Также протокол использует соединение «point-to-point» и «point-to-multipoint» [33].

Thread.

Thread - это технология ячеистых сетей передачи данных. В своей значительной части Thread основан на 6LoWPAN, но основным отличием и одновременно преимуществом перед последним является наиболее упрощенный процесс разработки и улучшения взаимодействия с пользователем.

Топология сети обеспечивает соединение «устройство-устройство» и «устройство-облако». Данный протокол поддерживает адресацию IPv6 и предоставляет каждому узлу в сети IP-адрес [34].

Основным преимуществом Thread является надежная защита информации на шифровании AES и при этом низкое электропотребление.

Действует такая технология на расстоянии до 30 метров и может обеспечивать одновременно до 300 устройств, что является удобным для использования в больших компаниях. Скорость передачи данных также довольно высокая - около 250 кбит/сек, а частота 2,4 ГГц.

Рисунок 15. Топология сети Thread

Также к преимуществам стоит отнести простую установку при помощи любого ПК, планшета или смартфона. Так как данная технология разрабатывалась специально для системы «умный дом», то для установки Thread достаточно просто сканировать QR код и авторизоваться [35].

6. Сравнение протоколов передачи данных

В данном разделе приведён сравнительный анализ рассматриваемых протоколов передачи информации для сетей IoT. Представленные в данной таблице протоколы, на данный момент, являются одними из основных протоколов передачи данных в системах интернета вещей. В таблице приведены основные параметры протоколов, необходимы для принятия решения. Данное сравнение проходит по следующим параметрам: транспорт, назначение и особенности.

Таблица 1. Сравнение протоколов передачи данных

Протокол	Транспорт	Назначение	Особенность
COAP	UDP	Для сети с ограниченными ресурсами	Для идентификации используются JID, по формату похожий на адрес электронной почты
XMPP	TCP	Для адресации в небольшой пользовательской сети	Для идентификации используются простые идентификаторы
Modbus	TCP	Для организации промышленной сети	основанный на архитектуре ведущий - ведомый
MQTT	TCP	Для загруженных сетей с большим количеством клиентов и брокером	Использование очереди сообщений

Из сравнения видно, что одним из самых подходящих протоколов для передачи данных является MQTT. Он отлично подходит для работы с большим количеством элементов в сети и большим количеством запросов [36].

7. Сравнение стандартов сетей передачи данных

В данном разделе приведён сравнительный анализ рассматриваемых технологий передачи информации для сетей IoT. В данной исследовании представлены одни из самых перспективных и интересных для интернета вещей стандарты передачи информации. В приведённой таблице отражены основные параметры необходимые для принятия решения по выбору сетевого протокола. Данное сравнение проходит по следующим параметрам: дальность действия, скорость передачи, частотный диапазон и потребление энергии, а также, стандарт связи, поддержка IP и топология [37].

Таблица 2. Сравнение технологий передачи данных

Технология	Дальность действия	Скорость передачи	Частотный диапазон	Потребление энергии	Стандарт связи	Поддержка IP-технологий	Топология
ZigBee	100 м	250 кбит/с	868 MHz 2.4 GHz	Низкое	IEEE 802.15.4	нет	mesh
6LoWPAN	800 м	200 кбит/с	868 MHz	Низкое	IEEE 802.15.4	да	mesh
LoRa	15 км	50 кбит/с	868 MHz	Низкое	IEEE 802.15.4	нет	звезда
Стриж	10 км	10 кбит/с	868 MHz	Низкое	IEEE 802.15.4	нет	mesh
Wi-Fi	140 м 400 м	54 мбит/с 6930 мбит/с	2.4 GHz 5 GHz	Высокое	IEEE 802.11	да	звезда
Bluetooth	100 м	3 мбит/с	2.4 GHz	Пониженное	IEEE 802.15.4	нет	звезда
Thread	30 м	250 Кбит/с	2.4 GHz	Низкое	IEEE 802.15.4	да	mesh

Из проведённого исследования видно, что для реализации данной системы отлично подходят два стандарта связи: LoRa и Стриж. Они способны передавать небольшие сообщения на большие расстояния что позволит сократить стоимость подключения новых клиентов. А также, данные стандарты не требовательны к размерам аккумуляторной батареи, что позволит использовать минимальное количество энергии на отправку сообщений [38] [39] [40].

8. Модель системы

В рамках данной работы разрабатывается модель системы оплаты в сфере ЖКХ. Ниже приведено описание схемы с указанием необходимых деталей для разработки конечного продукта.

Модель.

Рисунок 16. Структурная схема системы сбора информации и оплаты

Предлагаемая модель состоит из пять частей основных частей:

· Сбор данных - отвечает за получение информации на датчиках

· Балансировка - отвечает за распределение нагрузки внутри имеющейся архитектуры

· Обработка - отвечает за обработку поступающих запросов от пользователей и работу с данными от датчиков.

· Агрегация - отвечает за сохранение и анализированные данных пользователей и информации с датчиков

· Клиентская часть - отвечает за коммуникацию системы с пользователями

Сбор и балансировка.

Рисунок 17. Схема сбора данных и балансировки нагрузки

Датчики

На данный момент существует огромное количество видов датчиков разных ценовых категорий, производства различных производителей. Можно выбрать новые датчики или добавить специальные надстройки на уже имеющиеся. Они поддерживают большое количество разнообразных стандартов передачи данных и можно подобрать необходимый датчик под любую схему и ценовую категорию. На данный момент жизненный цикл датчиков состоит из производства, доставки и установки, выработки ресурса батареи и замены на новый датчик. Сегодня, такие датчики могут работать автономно в течение более 5 лет [41].

Рисунок 18. Схема счетчика воды

Датчики состоят из магнита и герконового датчика, которые закреплены на двигающейся части устройства. Принцип действия заключается в том, что при каждом перемещении магнита возле датчика, создаётся импульс, соответствующий конкретному расходу воды. Приёмный модуль записывает такой сигнал и конвертирует его в удобный для транспортировки и считывания вид. Далее данные передают эту информацию по каналам связи на наружное устройство или в интернет. На рисунке указан механический датчик с шестернями. Для того, чтобы сделать его электрическим необходимо заменить вычислительный блок на электрический и добавить магнит.

Сейчас к таким датчикам можно добавить дополнительный блок, который будет отвечать за перекрытие воды. Такая возможность поможет оперативно отключать воду неплательщикам.

Ресиверы.

Необходимы для аккумулирования данных с датчиков. Собирает данные с датчиков и находится в постоянной активности. Нужен для обработки запросов от отдельных датчиков и отправки на балансер. Состоит из самого ресивера и базы данных, в которой поддерживается тройная рандомизированная репликация. Для каждого датчика доступен не только локальный ресивер, но и другие ресиверы. Это позволяет сохранить работоспособность системы в критических случаях. На уровне ресивера должна быть реализована политика балансировки нагрузки, так как некоторые датчики могут не иметь локальных ресиверов. Алгоритм работы заключается в том, что датчик отправляет запросы на ресивер и получает ответы о получает ответ о доступности. Если датчик не получает ответ от локального ресивера, он отправляет широковещательный сигнал на другие ресиверы в зоне видимости данной сети. После получения ответа от удалённого ресивера происходит отправка информации через него. Эта схема является более практичной и отказоустойчивой. В качестве системы управления базы данных ресивера хорошо подойдёт SQlite, так как в базе данных необходимо хранить большое количество одинаковых структурированных данных, а также, данный продукт достаточно компактный для встраивания в ресивер. Ещё одним плюсом в пользу SQlite является то, что исходный код данной СУБД находится в открытом доступе. Если провести аналогию, то ресивер - это доска объявлений. Датчики приходят и в определённые места вешают информацию по своему текущему состоянию. В свою очередь сбор информации происходит последовательным считыванием данных объявлений.

Буфер.

Необходим для фильтрации поступающих запросов и кеширования данных. Является промежуточным этапом в схеме передачи данных с датчиков на сервер. Данный этап нужен для распределения запросов и рассылки данных на серверную часть. Позволяет избежать потери информации.

Клиентская часть.

В данной работе рассматриваются несколько вариантов для реализации клиентской части. Первым вариантом можно рассматривать создание отдельных приложений для работы с функционалом данной системы. Для прототипа данный вариант подходит отлично, также для первоначального тестирования, так как в данном приложении не будет большого функционала. Основными функциями клиентской части приложения будет просмотр показания датчиков и расчёт текущего долга. Второй вариант подходит к реализации в итоговой версии. Он заключается во включении данного функционала в уже имеющееся приложение как дополнительный функции. Такая реализация позволит уменьшить количество приложений у пользователя, что уменьшит количество отрицательных реакций, а также станет дополнительным рекламным ходом для других пользователей банковского приложения [42].

Для написания приложения под Android можно использовать такие языки программирования как Kotlin или Java. В проектируемой модели предполагается использование Kotlin для написания данного приложения потому, что данный язык программирования обладает следующими свойствами [43]:

· Компилируется в JavaScript и в байт-код JVM.

· Поддерживает все существующие Java-фреймворки и библиотеки.

· Простой для изучения.

· Открытый исходный код.

· Существует автоматическая конвертация в Java и обратно.

· Имеет проверку на Null результат.

Для написания приложения под iOS в модели рассматриваются такие языки как Swift и React Native. Проект предполагает использование Swift, так как это компилятор с открытым исходным кодом, а также создан компанией Apple специально для разработчиков под iOS и macOS [44].

При необходимости, например, дабы сократить время на создание приложения можно использовать React Native. Этот выбор обоснован тем, что код написанный на данном фреймворке можно переиспользовать для написания приложения для другой платформы.

Также в данной модели учитывается вариант создания Web интерфейса для удобства взаимодействия с данной системой [45].

Приложение для управляющей компании.

Для создания web интерфейса планируется использовать Scala. Scala - это объектно-ориентированный язык программирования. Данный язык обладает такими особенностями как функциональность и переиспользуемость написанного кода, что существенно сократит время на создание данного проекта.

...