Перспективы технологии межмашинного взаимодействия

Автор: Джордж Лоутон 27.10.2004

В мире насчитывается значительно больше машин (систем с механическими, электрическими или электронными свойствами), чем людей. И все больше и больше машин поддерживают сетевые соединения. По оценкам консалтинговой и аналитической фирмы Harbor Research, специализирующейся на технологиях, к 2010 году во всем мире к Internet будут подключены по крайней мере 1,5 млрд устройств — набирающая популярность межмашинная технология станет развиваться во многом благодаря и таким разработкам.

M2M будет эффективно использовать связь, чтобы позволить машинам (в том числе производственному и телекоммуникационному оборудованию, центрам обработки данных, системам хранения, устройствам для защиты конфиденциальности, специфическим для отрасли активам, таким, как коммунальные системы, и даже торговым автоматам) напрямую взаимодействовать друг с другом.

Например, благодаря M2M комплекс устройств, осуществляющих мониторинг городского трафика, сможет передавать данные на светофоры для регулирования потока автомобилей. Или с помощью M2M системы технического контроля будут получать информацию о проблемах с производственным оборудованием. Эта технология поможет и при сборе данных, осуществлении операций удаленного контроля и мониторинга, использовании роботов, удаленной диагностике оборудования, управлении автомобильным парком, применении методов телемедицины.

Как отметил Роб Конант, вице-президент по развитию бизнеса компании Dust Networks, в основе M2M лежит следующая идея: машина приносит больше пользы, когда она подключена к сети, а полезность сети растет по мере увеличения числа машин, к ней подключенных. Благодаря M2M машины могут не только собирать данные о других устройствах, но и, в некоторых случаях, на основе полученной информации предпринимать определенные действия.

Сейчас все шире используются датчики, которые собирают информацию, передаваемую некоторыми системами M2M. В силу этого растет спрос на данную технологию, как сообщил Марк Пейселл, вице-президент по маркетингу компании Millennial Net, выпускающей аппаратное и программное обеспечение для низкоэнергоемких беспроводных сенсорных сетей.

Росту популярности этого подхода также способ­ствуют снижение стоимости датчиков и реализация инициатив по их интеграции во все более крупные системы. Производители все активнее задействуют M2M в беспроводных технологиях, применяя радиомикросхемы или модули, которые можно подключить практически к любому устройству. Таким образом, M2M распространяется экспоненциально. Конант подчеркнул, что такой подход фактически может сформировать новое важное направление использования Internet.

Несмотря на свои достоинства, M2M — относительно новая технология, и на пути ее широкого внедрения есть масса препятствий. В частности, еще предстоит решить вопрос ее экономичности и управления огромными потоками данных, поступающих из систем с большим количеством датчиков.


До M2M

Основные компоненты M2M существуют уже давно. Однако из-за дороговизны коммуникационного оборудования и отсутствия стандартов на технологию их стоимость остается довольно высокой и серьезно усложняется реализация. В свою очередь, это препятствует использованию M2M в каких-либо иных системах, помимо фигурирующих в дорогостоящих коммерческих и научных проектах.

Дон Уоллас, вице-президент и директор по операциям компании M2M Data, подтвердил, что еще 30 лет назад организации начали внедрять управляемые вручную аналоговые системы, оснащенные собственными связанными кабелем датчиками, которые позволяли машинам напрямую взаимодействовать друг с другом. В начале 90-х годов цифровая технология стала стимулом для разработки систем диспетчерского управления и сбора данных (SCADA). Они созданы на основе технологии, в рамках которой центральный сервер регулярно обращается к периферийному оборудованию и опрашивает его.

Однако периферийные узлы SCADA не могут передавать данные серверу самостоятельно. Кроме того, SCADA базируется на своих внутренних технологиях, а их стоимость никогда не снизится настолько, чтобы широкое внедрение SCADA стало практически осуществимым. Поэтому лучше всего данная технология реализуется в рамках крупных проектов. Вдобавок, такая реализация может оказаться сложной и потребовать значительных затрат времени.


Как работает M2M

В отличие от SCADA, M2M работает со стандартизованными технологиями. Это TCP/IP, беспроводные сети стандарта IEEE 802.11, технологии сотовой связи и проводные сети, такие как Ethernet.

Использование стандартов позволяет упростить взаимодействие устройств в системах M2M и стимулирует использование массового, соответствующего стандартам оборудования. В результате, стоимость реализации снижается, внедрение упрощается и ускоряется. Узлы M2M могут действовать автономно, передавать информацию в различные системы и на другие узлы, самостоятельно принимать определенные решения.

В SCADA датчики и контроллеры стационарно подключаются к хосту. Это приводит к ограничению числа датчиков, которые позволяет обслуживать данная технология, и уменьшению расстояния передачи данных. В этом отношении M2M — более гибкая технология.

Среди ведущих производителей решений, опирающихся на M2M, можно назвать такие компании, как Crossbow Technology, Dust Networks, M2M Data, Millennial Net и SensorLogic.


Элементы системы

 Типичная реализация беспроводной 
 системы межмашинного взаимодействия К элементам системы M2M относятся периферийные узлы (они служат для определения условий и событий реального мира, управления физическими устройствами), коммуникационное оборудование (обеспечивает передачу данных приложениям централизованного управления и другим узлам), а также программное обеспечение (анализирует входную информацию и принимает решения по результатам этого анализа).

Периферийные узлы могут быть датчиками, служащими для определения температуры, влажности, измерения потоков и влажности почвы. Кроме того, они могут служить контроллерами и активаторами для таких машин, как кондиционеры, лифтовые насосы и светофоры.

Датчики собирают и объединяют данные, а затем преобразуют информацию в аналоговые сигналы и, в конечном счете, в цифровые сигналы для передачи по сети. Программное обеспечение централизованного управления на основе информации, полученной от датчиков, и с учетом набора правил посылает команды контроллерам и активаторам. Последние испускают электрические сигналы, необходимые для того, чтобы машины выполнили определенные действия.


Беспроводные M2M

Беспроводные подходы позволяют увеличить мобильность M2M, сэкономить деньги, отказаться от реализаций, предусматривающих протяжку кабеля, и от соответствующего оборудования. Беспроводные системы M2M передают данные несколькими способами, в том числе, с помощью однокристальных радиосхем или радиомодулей.

Развитие беспроводных систем M2M. Беспроводные M2M-решения становятся все более приемлемыми с точки зрения практической реализации из-за снижения затрат на технологии беспроводной связи, а также благодаря их производительности, функциональности и надежности. К этим технологиям относятся сотовые «подходы», IEEE 802.11, Bluetooth (обычно используемый для обеспечения связи между устройствами на коротком расстоянии), сети стандарта IEEE 802.15.4 с ограниченным радиусом действия и низкой скоростью передачи данных, протоколы Zigbee (созданные на основе IEEE 802.15.4 и предназначенные для низкоэнергоемких сетей мониторинга, сбора информации и управления), радиочастотная идентификация RFID (при которой используется электромагнитное или электростатическое взаимодействие для передачи сигналов о состоянии с устройств, оснащенных тегами), форматы данных и методы беспроводной связи в стандарте IEEE 1451.5 для датчиков, контроллеров и активаторов.

Сотовые сети «обещают» значительно снизить уровень энергопотребления решений M2M и, тем самым, дать возможность удаленным датчикам дольше работать без смены батарей. С помощью сотовых сетей узлы могут взаимодействовать и передавать данные непосредственно на другие узлы, пересылая информацию на дальние расстояния через множество промежуточных узлов, которые связаны короткими сетевыми сегментами. По традиционным сетям данные передаются с серверов на отдельные узлы и обратно, в силу чего такие системы имеют ограниченный диапазон действия, определяемый длиной сетевого сегмента (без промежуточных узлов).

Снижение стоимости и увеличение точности датчиков упрощает их широкое внедрение и делает его менее дорогостоящим. «Теперь вы можете подключать их к машинам практически любого типа, которые вам необходимо контролировать», — отметил Пейселл. Как подчеркнул Джон Андре, вице-президент по развитию бизнеса компании Airdesk, специализирующейся на интеграции систем M2M, ведущие операторы сотовой связи разрабатывают службы для систем M2M.

Андре считает, что для масштабных приложений M2M интеграция встроенных в узлы сотовых радиомодулей, таких как Nokia 12 GSM или Sony Ericsson GT48, вполне оправданна. Эти модули преобразуют и форматируют данные для передачи по беспроводным сетям, упрощая тем самым соединения с системами M2M, и обходятся компаниям дешевле, чем разработка собственного оборудования.

Использование беспроводных систем M2M. Беспроводные системы M2M могут быть полезны для реализации проектов с ограниченным финансированием. Кроме того, беспроводные сети M2M позволяют отслеживать мобильные ресурсы (такие как грузовые автомобили или оборудование разъездных агентов), количество и местонахождение продуктов на складе, наличие товаров в торговых автоматах. Беспроводные системы M2M могут применяться в тех случаях, когда прокладка кабелей по тем или иным причинам невозможна, например, при установке датчиков, измеряющих механическое напряжение стен и мостов.


Проводные M2M

Хотя технология M2M, в первую очередь, рассчитана на беспроводную связь, в некоторых ситуациях проводные системы будут играть не менее важную роль. Например, проводные системы M2M способны функционировать на производстве, несмотря на применение стальных конструкций или армированного бетона в зданиях и оборудовании. Радиоволны беспроводных систем не всегда могут проникать сквозь них.

Проводные системы M2M во многом работают так же, как беспроводные, за исключением применения в них беспроводных протоколов и инфраструктуры радиомодулей. Как считает Ян Баркин, аналитик фирмы Focal-Point Group, предоставляющей консалтинговые услуги по вопросам M2M, проводные системы, которые для передачи данных используют преимущественно Ethernet, во многих случаях могут оказаться лучше защищенными, чем беспроводные системы, поскольку в таких случаях сигналы не передаются в эфире.


Использование приложений M2M

Приложения M2M используются для мониторинга работы или состояния сред, для управления устройствами и системами. Например, M2M может применяться для мониторинга и контроля за температурой в зданиях, за уровнем освещенности и защиты. В сельском хозяйстве M2M служит для мониторинга влажности почвы, позволяющего определять расписание полива для более эффективного расходования воды. Кроме того, приложения мониторинга M2M обеспечивают отслеживание товаров и оборудования со встроенными датчиками, такими, как теги RFID.

Приложения контроля на базе M2M требуют, чтобы системы принимали решения на основе данных, получаемых от многочисленных датчиков. Например, сеть распределенных датчиков температуры может управлять системой обогрева, а датчики движения определяют, что люди входят в вестибюль здания, и вызывают лифт.

Уоллас отметил, что сейчас большинство систем M2M внедрены там, где используются дорогостоящие ресурсы, где данная технология позволяет заработать или сэкономить. Например, их задействуют в нефте- и газодобывающих отраслях, где применяется большое количество ценного оборудования.

Ханс Мелдер из корпорации Intel заявил, что самый крупный проект, связанный с развертыванием M2M, был реализован на заводе по производству микросхем. Там эта система ведет мониторинг оборудования и избавляет персонал от необходимости часто выполнять подобные проверки вручную.

По словам Баркина, в транспортной отрасли приложения M2M используются для таких целей, как диагностика двигателей, контроль за передвижением машин и перемещением грузов. Он добавил, что в медицинских центрах M2M-приложения служат для отслеживания в режиме реального времени сердечной деятельности больных, а также перемещений пациентов с ослабленной памятью.


Трудности

Несмотря на значительный потенциал M2M, при реализации этой технологии возникает целый ряд серь­езных трудностей. Например, как пояснил Баркин, использование M2M приводит к изменению некоторых бизнес-процессов, поскольку открывает многим людям доступ к огромным объемам данных. А это требует от компаний специального обучения сотрудников.

Для интеграции элементов M2M друг с другом и внедрения операций M2M в крупные системы понадобятся более серьезные навыки в сфере системной интеграции. А создание надежных сетей, в частности, сложных сотовых сетей для систем M2M, будет делом непростым и дорогостоящим.

Еще один важный вопрос — защита. Пользователи не хотят, чтобы хакеры получили возможность взламывать приложения M2M, предназначенные, например, для отслеживания уровня безопасности здания или системы контроля за состоянием окружающей среды. Сейчас приложения M2M используют, как правило, только средства безопасности, предоставляемые сетями.

По словам Андре, причины неудачи 70% M2M-проектов состоят в незрелости самой технологии и средств разработки, а также в незнании пользователями трудностей реализации таких систем. Однако, по прогнозам Андре, в ближайшие несколько лет, по мере совершенствования этой технологии и роста информированности потребителей, значение данного показателя может снизиться до 40-50%.

Одна из серьезных проблем, препятствующих широкому распространению M2M, состоит в высокой стоимости узлов и радиооборудования. По словам Майка Хортона, генерального директора компании Crossbow Technology, выпускающей системы датчиков, цена каждого узла составляет от 25 до 150 долл. — в зависимости от требуемых качества и степени точности измерения, а также числа одновременно приобретаемых устройств.

Баркин считает, что со временем затраты на аппаратное и программное обеспечение и сетевые решения снизятся настолько, что внедрение M2M станет оправданным даже в небольших массовых системах, таких как торговые автоматы. Больший объем производства и более эффективная интеграция в системах M2M позволят снизить затраты на развертывание узлов и коммуникационное оборудование. По прогнозам Хортона, каждые полтора года стоимость внедрения будет сокращаться примерно наполовину.

Учитывая возможности, которые дает эта технология, пользователи стремятся увеличить масштаб своих сетей M2M. Например, как отметил Мелдер, сейчас Intel имеет сети M2M, в которых насчитывается от 60 до 200 узлов, но корпорация планирует расширить их, чтобы каждое производство располагало 4 тыс., а компания в целом — 40-50 тыс. узлов.

Однако даже имеющиеся системы M2M создают организациям серьезные трудности. Это необходимость преобразования больших объемов входных данных в стандартный формат, а также проблемы, возникающие при последующем объединении и анализе информации. В результате, усложняется дальнейшее увеличение масштаба сенсорных сетей.

Решение, по словам Мелдера, заключается во внедрении стандартов на объединение, управление, взаимодействие и использование системами M2M данных, собранных различными датчиками. Современные системы, служащие для выполнения таких задач, являются сугубо внутренними разработками и потому крайне дороги, в силу чего далеко не все организации могут себе позволить их использование. Стандартизация должна привести к снижению стоимости подобных систем и позволить им работать с разными видами данных.

Аналитики отрасли, как показывает рис. 2, прогнозируют рост популярности M2M. Например, специалисты FocalPoint Group считают, что к 2010 году ежегодно будут выпускаться почти 880 млн новых устройств, поддерживающих M2M, и это при том, что в 2003 году этот показатель составлял 15 млн устройств, а в нынешнем году должен достичь 45 млн.

В дальнейшем технология M2M будет активно развиваться. Например, удаленные узлы станут более «интеллектуальными», что приведет к росту полезности M2M. По словам Хортона, сейчас поговаривают об использовании M2M для создания носимых противопожарных механизмов, способных отслеживать такие показатели, как температура и задымленность.

Как считает аналитик Harbor Research Глен Оллмендингер, в ближайшие несколько лет M2M будет внедряться все шире, особенно в крупных системах, что критически важно для будущего этой технологии. Однако, по его словам, это будущее пока остается неопределенным, поскольку проблемы развертывания таких систем весьма серьезны.



Джордж Лоутон (glawton@glawton.com) — независимый журналист.