Разработка системы детерминированного гарантированного обмена данными для использования в построении систем управления
Введение
Обмен данными между устройствами - это очень важная составляющая построения любой системы управления: от решений промышленного масштаба, до локальных систем управления IoT или умного дома.На данный момент в современных системах управления представлено достаточно большое количество протоколов управления и передачи информации: от протоколов, использующих физические характеристики передачи тока, до протоколов построенных на технологиях беспроводной передачи даных, такие как Bluetooth или Wi-Fi. Это разнообразие вариантов передачи данных, формирует достаточно большое количество протоколов связи между устройствами. Так же создание новых протоколов обоснованно проприетарностью некоторых решений. Большие компании в рамках консолидации бизнеса не стремятся раскрывать технические спецификации своих решений. Но даже если спецификация протокола находится в публичной области, то поддержка данного протокола в устройстве может не присутствовать, или присутствовать в ограниченном количестве. Что в свою очередь ограничивает выбор устройств, методы передачи данных и варианты построения систем управления.Системы IoT имеют большое значение в современном мире. Они все больше и больше начинают встраиваться в современную жизнь. Но их особенность в том, что разные устройства не имеют одного стандартного протокола коммуникации. Этим эта сфера сильно отличается от промышленных систем управления, где в значительной степени протоколом коммуникации являтся OPC UA.
Введение 9
1. Обзор существующих сетей IoT 12
1.1. История развития протоколов в IoT 12
1.2. Существующие стандарты протоколов 14
1.3. Обзор наиболее распространённых протоколов передачи данных 15
1.4. Пути решения проблемы 20
1.5. Программы посредники IoT и OPC UA 21
2. Разработка gateway программы 2
2.1. Схема взаимодействия 25
2.2. Выбор инструментов для разработки 26
2.3. Выбор поддерживаемых протоколов 27
2.4. Архитектура приложения 28
2.5. Используемы библиотеки 31
2.6. Схема работы программы 32
2.7. Особенности работы HTTP протокола 33
2.8. Особенности работы MQTT протокола
2.9. Реализация программного API для расширения дополни-тельными протоколами обмена 36
2.10. Формат Json данных для передачи их gateway серверу 37
2.11. Реализованные возможности 40
3. Интерфейс взаимодействия 42
3.1. Конфигурирование 42
3.2. Взаимодействие по HTTP 43
3.3. Взаимодействие по MQTT 44
3.4. Пример решаемой задачи 44
4. Технико-экономическое обоснование 47
4.1. Введение 47
4.2. Предварительная оценка используемой материальной базы 47
4.3. Оценка трудоемкости 47
4.4. Определение затрат на разработку 48
4.5. Оценка стоимости проекта 53
4.6. Выводы 53
Заключение 54
Список использованных источников 56
1. Tadviser [Электронный ресурс]. URL:https://www.tadviser.ru/index.php/Статья:Интернет_вещей,_IoT,_M2M_%28мировой_рынок%29 (25.04.2023)
2. Modbus interface tutorial [Электронный ресурс]. URL: https://www.lammertbies.nl/comm/info/modbus (25.04.2023)
3. Friend, George E.; Fike, John L.; Baker, H. Charles; Bellamy, John C. (1988). Understanding Data Communications (2nd ed.). Indianapolis: Howard W. Sams & Company. ISBN 0-672-27270-9.
4. International Journal of Science and Research (IJSR) ISSN (Online): 2319-7064 page 1 / https://www.ijsr.net/archive/v4i5/SUB154047.pdf (25.04.2023)
5. Queue [Электронный ресурс]. URL:https://queue.acm.org/detail.cfm?id=1255424 (25.04.2023)
6. Tadviser [Электронный ресурс]. URL:https://www.tadviser.ru/index.php/Статья:Стандартизация_интернета_вещей (25.04.2023)
7. Iot [Электронный ресурс]. URL: https://iot.ru/promyshlennost/standarty-protokoly-i-tekhnologii-svyazi-dlya-podklyucheniya-iot-ustroystv (25.04.2023)
8. tssonline [Электронный ресурс]. URL: http://lib.tssonline.ru/articles2/reviews/analiticheskiy-obzor-protokolov-interneta-veschey (25.04.2023)
9. Статья «Правовое регулирование использования интернета вещей» URL: https://cyberleninka.ru/article/n/pravovoe-regulirovanie-ispolzovaniya-interneta-veschey/viewer (27.04.2023)
10. vc [Электронный ресурс]. URL:https://vc.ru/mts/456729-trendy-iot-chto-zhdet-internet-veshchey-v-blizhayshie-gody (27.04.2023)
11. habr [Электронный ресурс]. URL: https://habr.com/ru/companies/otus/articles/524140/ (27.04.2023)
12. electronicdesign [Электронный ресурс] URL: https://www.electronicdesign.com/technologies/iot/article/21798493/understanding-the-protocols-behind-the-internet-of-things (27.04.2023)
13. openconnectivity [Электронный ресурс]. URL: https://openconnectivity.org (02.05.2023)
В начале 2000-х годов был разработан ряд новых протоколов специально для использования в приложениях IoT. Одним из самых ранних из них был протокол беспроводной сенсорной сети (WSN), который был разработан ZigBee Alliance в 2003 году [4]. WSN был протоколом с низким энергопотреблением и низкой скоростью передачи данных, предназначенным для использования в беспроводных сенсорных сетях. Он позволял устройствам взаимодействовать друг с другом на коротких расстояниях и был идеален для таких приложений, как домашняя автоматизация и мониторинг окружающей среды.Еще одним ранним протоколом IoT был протокол Advanced Message Queuing Protocol (AMQP), который был разработан рабочей группой AMQP в 2004 году [5]. AMQP был протоколом обмена сообщениями, предназначенным для использования в высокопроизводительных приложениях корпоративного уровня. Он позволяет устройствам обмениваться сообщениями друг с другом стандартизированным способом и идеально подходит для таких приложений, как финансовая торговля и управление цепочками поставок.В дополнение к WSN и AMQP в начале 2000-х годов был разработан ряд других протоколов, специфичных для IoT, включая протокол ограниченных приложений (Constrained Application Protocol, CoAP), телеметрический транспорт очереди сообщений (Message Queuing Telemetry Transport, MQTT) и службу распределения данных (Data Distribution Service, DDS). Эти протоколы были разработаны для удовлетворения специфических требований приложений IoT, таких как низкое энергопотребление, низкая скорость передачи данных и поддержка устройств с ограниченными ресурсами.