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

Управляющая компания.

Для управляющей компании в модели учитывается функционал при разработке web части клиентской сферы, с реализованной исходя из ролевой модели. Пользователи будут разделены на группы с разным набором инструментов, зависящих от необходимости в той или иной операции на платформе, например, обычный пользователь имеет доступы только на чтение информации о состоянии датчиков или о балансе на лицевом счёте по каждому адресу. Для работников управляющих компаний будет возможность менять тариф и тому подобное. Для работников банка возможность чтения статистики платежей и так далее. Такая модель поможет обезопасить работу с созданным интерфейсом, а также исключить возможные действия по изменению критических объектов системы со стороны лиц, не имеющих на это право.

Кластер

Рисунок 19. Структурная схема кластера

Кластер состоит из некоторого набора Node, которая является основной серверной частью. Каждая из таких Node состоит из агрегатора и базы данных.

Агрегатор.

Агрегатор отвечает за работу с данными. Он умеет обрабатывать полученные данные, конвертировать их в формат, приемлемы для хранения и сохранять их в базу данных. Также агрегатор умеет обрабатывать запросы пользователей и применять необходимые модели работы с запросами и данными. Также рассматривается вариант обучения данного агрегатора при таковой необходимости [46].

База данных.

Рисунок 20. Схема базы данных

Отвечает за агрегирование, обработку и хранение данных, полученных от счётчиков. Для данной базы данных необходимо учитывать, что система управления базой данных должна справляться с большим количеством запросов. В качестве такой СУБД выбрана PostgreSQL. Она является объектно-реляционной СУБД и обладает большим количеством поддерживаемых типов данных, а также, имеет открытый исходный код и обеспечивает целостность данных. Также данная СУБД поддерживает расширение функционала, за счёт возможности сохранения своих процедур [47].

Каждая Node не знает о существовании других таких же элементов и является самодостаточной. В каждой точке хранится полный набор данных, что позволяет продолжать бесперебойную работу всей системы. При этом позволяя обрабатывать огромное количество запросов от пользователей и обработку получаемых данных.

9. Агрегация данных

Для реализации агрегации данных подойдёт Apache Spark. Spark - это фреймворк с открытым исходным кодом, предназначенный для обработки слабоструктурированных данных. В этом фреймворке используются специальные примитивы для обработки в оперативной памяти, что позволяет получить высокую скорость работы системы, особенно при необходимости многократного доступа к загружаемым в память данным пользователя. Агрегатор данных позволит создавать и анализировать полученную информацию, вести отчётность и статистику [48].

Рисунок 21. Схема агрегатора

Таким образом получается система способная обрабатывать большое количество задач, при этом обладая высокой скоростью работы. Система имеет высокую отказоустойчивость, так как система предусматривает дублирование на всех уровнях, кроме уровня с датчиками. Позволяя экономить большое количество ресурсов, позволяет получать полное состояние системы и ресурсов, которые она контролирует.

10. Реализация

При реализации тестового прототипа были подготовлены ресивер и кластер по обработке запросов. Для создания ресивера были использованы три Raspberry Pi Zero W+, объединённые в одной WiFi сети. Питание было организовано через usb адаптеры с понижением напряжения до 5В. При создании кластера были использованы шесть Raspberry Pi 3В+ объединённые в локальную сеть с пропускной способностью в 100 мб/с.

Рисунок 22. Пример кластера

Результатом тестов стали следующие значения:

Потребление энергии ресивер в режиме простоя составило 0.5 Втч. Потребление ресивера в режиме нормально работы без нагрузок составило 0.9 Втч. Потребление ресивера в режиме работы под нагрузкой составило 1.2 Втч.

Потребление энергии кластера в режиме простоя составило 1 Втч. Потребление кластера в режиме нормально работы без нагрузок составило 1.5 Втч. Потребление кластера в режиме работы под нагрузкой составило 2.5 Втч.

При данном потреблении была получена следующая производительность:

3276 операций/с по вводу информации и 3964 операции/с по считыванию информации.

Рисунок 23. Результат тестирования 5 Raspberry Pi в кластере

11. Экономическая составляющая

Данная система позволит сохранять огромные суммы денег в управляющих компаниях и компаниях, поставляющих ресурсы. Такая система исключает необходимость участия человека в сборах показаний датчиков, что позволит получать данные вовремя и в полном объёме. Такие данные помогут проводить правильные расчёты, следить за состоянием лицевых счетов и выявлять неплательщиков, что может существенно сократить потери в сфере услуг жилищно-коммунального хозяйства. Ещё одни плюсом данной модели является то, что, при уменьшении влияния человека на данный процесс, выставление счетов по оплате будет происходить строго по использованным ресурсам и счета за газ или воду не будут удивлять количеством цифр в колонке итог.

Для распространения данной системы можно использовать несколько стратегий:

· Одним из вариантов, подходящих для распространения системы, является подключение к ней новостроек. Там проще всего произвести интеграцию, которая будет выгодна как компании застройщику, так и банку и управляющей компании. Для застройщика это будет как дополнительный плюс, так как квартиры уже оборудованы одной из ступеней умного дома, а стоимость можно будет сразу включить в стоимость квартиры и там она не будет заметна. Для банка, плюсом будет являться получение новых клиентов и повышение спроса на услуги у уже являвшихся. Для управляющей компании, плюсом будет являться полноценный мониторинг данных по датчикам в новом доме, что сократит количество перерасходов ресурсов и увеличит рентабельность.

· Другой способ больше подойдёт для уже построенных домов. При заключении договора с управляющей компанией можно предложить замену текущих датчиков на новые, но предложить рассрочку, таким образом людям не придётся платить сразу большую сумму для замены датчиков и вероятность замены сильно возрастает. Так как разрабатываемая система позволяет поддерживать обычные датчики с добавленным модулем связи, то для многих ново подключённых пользователей стоимость установки оборудования будет существенно ниже. Вторым вариантом данного способа является установка в аренду, например, как роутеры при подключении домашнего интернета или тв приставки.

· Третьим вариантом является вариант установки данных счётчиков за счёт управляющей компании. Но такой способ будет мало популярен потому, что это будут довольно большие разовые траты компании, а также нужно получение разрешения на установку данной аппаратуры в квартирах собственников.

12. Выводы

Разрабатываемая модель обладает рядом преимущество относительно систем, имеющихся на данный момент:

· Данная система имеет возможность интеграции с ЖКХ на всех уровнях, что существенно экономит время клиента и повышает его лояльность.

· У банка появляется возможность мониторинга статистики потребления ресурсов, что позволяет прогнозировать расходы, прибыль и возможные проблемы с должниками, а также подбирать бонусные программы.

· Возможность интеграции системы на любом этапе эксплуатации и постройки домов.

· Система имеет высокую отказоустойчивость за счёт построения на кластере независимых нод.

· Система легко масштабируема.

· Система включает в себя большой выбор интерфейсов для пользователя.

· Имеется возможность подключения к системе удалённых пользователей.

Заключение

В ходе выполнения данной работы было проведено исследование протоколов передачи данных и сетевых стандартов передачи данных. Выбраны технологии, наиболее подходящие для реализации модели, которые учитывают особенности и требования к модели.

В результате анализа Шваровой Екатериной были выбраны следующие стандарты сети: LoRa и Стриж. Эти стандарты позволяют обеспечить максимальный охват территории при минимальных расходах энергии, обеспечивая приемлемую скорость передачи информации.

Также, Митрохин Роман исследовал протоколы передачи информации и произвел сравнительный анализ. По итогам анализа был выбран протокол передачи данных MQTT. Данный протокол обеспечивает качественную передачу данных, не требуя большого количества ресурсов для работы, а также позволяет использовать возможность построения механизма взаимодействия элементов сети через подписку.

При создании части по сбору и передачи информации Шваровой Екатериной были выбраны схемы передачи позволяющие создать отказоустойчивую сеть способную пропускать через себя большие объёмы информации и не требующие большого количества энергетических ресурсов.

При создании серверной архитектуры Митрохин Роман ориентировался в первую очередь на способность всей системы работать с большим количеством данных, а также на надёжность создаваемой системы.

Шварова Екатерина занималась созданием прототипа ресивера, а также подключением и получением результатов во время тестирования.

Митрохин Роман занимался созданием прототипа кластера, настройкой подключения и снятия показаний во время тестирования.

Литература

1. Намиот Д.Е., «International Journal of Open Information Technologies ISSN: 2307-8162 vol. 3, no. 5, 2015 Об учебных программах по Internet of Things». URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ob-uchebnyh-programmah-po-internet-of-things (Дата обращения: 22.09.2018)

2. Ericsson, «Сетевые технологии Интернета вещей». URL: https://habr.com/ru/company/ericsson_ru/blog/301494/ (Дата обращения: 20.09.2018)

3. Гойхман В.Ю., Савельева А.А, «Аналитический обзор протоколов Интернета вещей.» URL: http://lib.tssonline.ru/articles2/reviews/analiticheskiy-obzor-protokolov-interneta-veschey (Дата обращения: 03.04.2019)

4. Крон А. «IoT в банке». URL: https://habr.com/ru/company/unet/blog/411195/ (Дата обращения: 13.04.2019)

5. «Перспективы IoT в ЖКХ». URL: https://iot.ru/energetika/perspektivy-iot-v-zhkkh (Дата обращения: 20.12.2018)

6. «Constrained Application Protocol». URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Constrained_Application_Protocol (Дата обращения: 02.10.2018)

7. Oleg Mazko «Протоколы «Интернета вещей» - CoAP». URL: http://proiot.ru/blog/posts/2017/10/17/protokoly-interneta-veshchei-coap/ (Дата обращения: 14.02.2019)

8. «XMPP». URL: https://en.wikipedia.org/wiki/XMPP (Дата обращения: 28.01.2019)

9. «XMPP». URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/XMPP (Дата обращения: 28.01.2019)

10. «Modbus». URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Modbus (Дата обращения: 25.01.2019)

11. А. А. Гайнуллина, А. Д. Байтимиров «Особенности организации передачи данных между программируемыми логическими контроллерами по протоколу modbus» // «Вестник Казанского Технологического Университета» 2014 г, с. 230-234

12. «MQTT». URL: https://en.wikipedia.org/wiki/MQTT (Дата обращения: 17.11.2018)

13. «MQTT». URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/MQTT (Дата обращения: 17.11.2018)

14. ? Y. V. Shevchuk, E. V. Shevchuk, A. Y. Ponomarev, I. A. Vogt, A. V. Elistratov, A. Y. Vakhrin, R. E. Yarovicyn «Etherbox: a protocol for modular sensor networks» // ISSN 2079-3316 PROGRAM SYSTEMS: THEORY AND APPLICATIONS no.4(35), 2017, С. 285-303 (Дата обращения: 21.12.2018)

15. Ю. В. Шевчук, Е. В. Шевчук, А. Ю. Пономарёв, И. А. Фохт, А. В. Елистратов, А. Ю. Вахрин, Р. Е. Яровицын Etherbox: протокол для управления модульной сенсорной сетью // ISSN 2079-3316 ПРОГРАММНЫЕ СИСТЕМЫ: ТЕОРИЯ И ПРИЛОЖЕНИЯ №4(35), 2017, с. 263-283

16. Ю.Т. Карманов, B.C. Спицын, М.М. Григорьев, В.В. Спицын «гибкое решение для беспроводной передачи данных в технологиях «умный дом» URL: https://cyberleninka.ru/article/n/gibkoe-reshenie-dlya-besprovodnoy-peredachi-dannyh-v-tehnologiyah-umnyy-dom (Дата обращения: 12.03.2019)

17. Дмитриев В. «Технологии беспроводной передачи данных // «компоненты и технологии» 2003, С. 64-70

18. «Wi-Fi». URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi (Дата обращения: 08.02.2019)

19. «Расширение возможностей систем WiFi» URL: https://cyberleninka.ru/article/n/rasshirenie-vozmozhnostey-sistem-wifi (Дата обращения: 15.03.2019)

20. Romasevich E.P., Pasyuk A.O. «RESEARCH OF THE TRAFFIC OF THE WIRELESS DEVICES IN THE GROWTH OF THE INTERNET OF THINGS» URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-trafika-besprovodnyh-ustroystv-v-usloviyah-razvitiya-interneta-veschey (Дата обращения: 25.04.2019)

21. Miguel Blockstrand, Tomas Holm, Lars-Orjan Kling, Robert Skog, Berndt Wallin. «Operator opportunities in the internet of things». URL: https://www.ericsson.com/res/thecompany/docs/publications/ericsson_review/2011/er_edcp.pdf. (Дата обращения: 19.09.2018)

22. Gary Legg. «ZigBee: Wireless Technology for Low-Power Sensor Networks». URL: http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1275760. (Дата обращения: 22.09.2018)

23. Robert Bosch, Serbulent Tozlu. «Feasibility of Wi-Fi Enabled Sensors for Internet of Things». URL: https://www.bluetooth.com/what-is-bluetooth-technology/bluetooth-technology-basics/low-energy (Дата обращения: 25.02.2019)

24. Jianming Liao, Yu Liu. «Distributed flowmeter data acquisition system based on WirelessHART networks». // Apperceiving Computing and Intelligence Analysis -2009. -pp. 383-386.

25. Othman, A.K. Lee, K.M. Zen, H. Zainal. «Wireless sensor networks for swift bird farms monitoring». // Ultra Modern Telecommunications & Workshops. -2009. -pp. 1-7.

26. «6LoWPAN». URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/6LoWPAN (Дата обращения: 18.01.2019)

27. «Top 10 IoT Technologies for 2017 and 2018» // Электронный ресурс. URL: http://www.gartner.com/newsroom/id/3221818), (Дата обращения: 22.12.2018)

28. Zach Shelby, Carsten Bormann. «6LoWPAN: The Wireless Embedded Internet // Wiley». 2009. C.244.

29. «What is the LoRaWAN Specification?» // Электронный ресурс. URL: https://lora-alliance.org/about-lorawan/ (дата обращения: 21.01.2019).

30. Марина Эфендиева «СТРИЖ Телематика»: Интернет вещей придет в каждый дом» URL: https://sk.ru/news/b/articles/archive/2015/09/22/strizh-telematika-internet-veschey-pridet-v-kazhdyy-dom.aspx (Дата обращения: 01.04.2018)

31. «LPWAN-системы «СТРИЖ» URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/LPWAN-системы_«СТРИЖ» (Дата обращения: 11.02.2019)

32. Григорьев В.А., Лагутенко О.И., Распаев Ю.А. «Системы и сети Радиодоступа М.»,: «Экотрендз», 2005.

33. Макаренко А.Ю., Парфенова А.А., Могильный С.Б.. «Беспроводные технологии передачи данных Wi-Fi, Bluetooth и ZigBee.»

34. «Беспроводные сети ZigBee и Thread» URL: http://www.wless.ru/technology/?tech=1 (Дата обращения: 12.03.2018)

35. «XMPP». URL: http://www.xmpp-iot.org

36. «XMPP versus MQTT: comparing apples with pears». URL: https://servicelab.org/2015/05/08/xmpp-versus-mqtt-comparing-apples-with-pears/ (Дата обращения: 05.02.2019)

37. «Сравнительные характеристики беспроводного интернета». URL: https://hsto.org/files/d85/596/d83/d85596d83f584b868d2783b41976ffd6.png (Дата обращения: 16.04.2019)

38. «Сравнение технологий "Стриж" и LoRa». URL: http://система36.рф/f/broshyura_sravneniye_lora_i_strizh.pdf (Дата обращения: 16.04.2019)

39. «LPWAN-системы «СТРИЖ». URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/LPWAN-системы_«СТРИЖ» (Дата обращения: 19.03.2019)

40. «Беспроводные сети ZigBee и ThreadIoT-решения для ЖКХ: какими будут умные счетчики и кто их должен обслуживать?» URL: https://habr.com/ru/company/smileexpo/blog/425093/ (Дата обращения: 29.02.2019)

41. «Аппаратные и программные решения для беспроводных сенсорных сетей». URL: http://intuit.valrkl.ru/course-1240/#ID.2.section.3 (Дата обращения: 01.03.2019)

42. «7 лучших языков программирования для создания приложений на Android». URL: https://8d9.ru/7-luchshix-yazykov-programmirovaniya-dlya-sozdaniya-prilozhenij-na-android (Дата обращения: 15.01.2019)

43. «Kotlin». URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Kotlin (Дата обращения: 30.03.2019)

44. «На чём пишут приложения под iOS». URL: https://livetyping.com/ru/blog/na-chem-pishut-prilozhenija-pod-ios (Дата обращения: 29.12.2018)

45. «React Native -- одного JS мало». URL: https://habr.com/ru/post/323214/ (Дата обращения: 21.11.2018)

46. «Ролевая модель данных прав доступа для web-ресурса». URL: https://habr.com/ru/post/217383/ (Дата обращения: 05.04.2019)

47. «PostgreSQL». URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/PostgreSQL (Дата обращения: 14.04.2019)

48. «Apache Spark». URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Apache_Spark (Дата обращения: 28.03.2019)

Размещено на Allbest.ru