90. Архитектура IoT-решений

Прибор — только первое звено. Этот раздел собирает звенья из разделов 37 и 86–94 в систему: - из каких уровней состоит решение; - где лучше обрабатывать данные; - сколько стоит каждое сообщение; - как описать решение, чтобы его можно было построить и сопровождать.

Проверено моделью: сутки температуры на складе при разных правилах отправки — на переносимом C и независимо на Python.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
Internet of Things (IoT), machine-to-machine (M2M)	интернет вещей, межмашинная связь
reference model	эталонная модель
edge computing, fog computing	вычисления на краю, туманные вычисления (на шлюзе)
report by exception, deadband	отправка по изменению, зона нечувствительности
heartbeat	контрольная посылка «я жив»
LPWAN, energy per bit	маломощные сети дальнего действия, энергия на бит
data flow	поток данных
high-level design (HLD)	высокоуровневый проект решения
service level agreement (SLA)	соглашение об уровне обслуживания

90.1 M2M и интернет вещей

M2M не исчезает — машины по-прежнему говорят с машинами, — но вокруг появляется платформа. Данные прибора становятся общими: одни и те же показания температуры идут в тревоги, отчёты и учёт энергии.

За это приходится платить: - безопасность миллионов устройств; - обновление их прошивок; - цена ошибки в программе, которая стоит на тысячах объектов сразу; - отсутствие единого стандарта.

Всё это — задачи архитектуры, а не отдельного прибора.

90.2 Семь уровней эталонной модели

Эталонная модель делит решение на уровни, у каждого своя задача и свой хозяин. Уровень можно заменить, не трогая остальные:

Модель полезна в споре «чья это задача». Если прибор шлёт сырые данные каждую секунду, работу уровня 3 переложили на уровни 4–6. Платить за это будут эфиром, батарейкой и хранилищем.

90.3 LPWAN: дальность за счёт скорости

Маломощные сети дальнего действия построены на простом соотношении. Энергия на бит — это мощность, делённая на скорость. Вдвое меньше скорость при той же мощности — вдвое больше энергии на каждый бит, то есть +3 дБ, а в свободном пространстве дальность ×1,41. Именно так работает SF в LoRa (раздел 93).

Второй рычаг — частота. Потери на трассе растут с частотой:

Поэтому LPWAN живёт ниже 1 ГГц. Диапазон 2,4 ГГц используют ради того, что он разрешён во всём мире, но дальность там короче. Диапазон 5,8 ГГц для LPWAN не годится: в списках свободных диапазонов для них ему не место.

Без лицензии — не значит без условий. LoRaWAN и Sigfox работают в свободных диапазонах. Передавать там может любой, отсюда помехи и правила вроде 1 % эфира (раздел 89). NB-IoT и LTE-M — тоже LPWAN, но в лицензированных диапазонах: оператор отвечает за сеть, а вы платите абонентскую плату.

90.4 Где считать: на краю или в облаке

Датчик температуры меряет раз в секунду. Отправлять каждое измерение — 86 400 сообщений в сутки. Кадр такого прибора — 15 байт (90.5), и на SF7 это 4003 с эфира, 4,6 % времени вместо разрешённого 1 %. В LPWAN так нельзя вовсе, а в любой другой сети это пустая трата: почти все сообщения говорят «ничего не изменилось».

Решает прибор, уровень 3. Два правила:

struct edge {
    int32_t deadband;           /* порог изменения, в сотых долях */
    uint32_t heartbeat;         /* контрольная посылка не реже, с */
    int32_t last;               /* последнее отправленное значение */
    uint32_t last_time;         /* когда оно ушло, с */
    int started;
};

/* 1 — отправлять: значение отошло от отправленного на порог и больше или
 * давно ничего не уходило. Иначе прибор молчит, а получатель считает, что
 * значение — последнее присланное. */
int edge_should_send(struct edge *e, int32_t value, uint32_t now)
{
    int32_t d = value - e->last;
    if (e->started && d < e->deadband && -d < e->deadband && now - e->last_time < e->heartbeat)
        return 0;
    e->last = value;
    e->last_time = now;
    e->started = 1;
    return 1;
}

Третье правило — сводка за окно: минимум, максимум и среднее за 15 минут. Для неё не нужен массив отсчётов: минимум, максимум, сумма и счётчик занимают 24 байта вместе с выравниванием.

Модель. Сутки на складе: - ночью 18 °C, в полдень 24 °C; - шум датчика ±0,10 °C; - в 14:00:30 открыли ворота, и на 10 минут температура упала на 4 °C.

Отправка по изменению шлёт так же редко, как сводка, но замечает событие в ту же секунду. Ошибка получателя всегда меньше порога — правило само держит точность. Сводка провал увидит, минимум в ней 18,81 °C, но только через 14,5 минуты.

Порог 0,2 °C лежит слишком близко к шуму ±0,10 °C. Шум сам перешагивает порог, и сообщений втрое больше. В худший час их 29. На SF12 кадр в 15 байт идёт 1,155 с, и 1 % эфира пускает 31 сообщение в час: 29 ещё влезают, но без запаса — чуть больше шума, и на краю зоны прибор нарушит правила. Сначала шум фильтруют (раздел 81), потом выбирают порог.

⚠️ Контрольная посылка обязательна. Без неё молчание прибора нельзя понять: температура стабильна или прибор умер. С контрольной посылкой раз в 15 минут молчание дольше — уже тревога.

Второе место для вычислений на краю — шлюз, туманные вычисления. Он видит многие приборы сразу и может сводить их данные. Он может выполнять местные правила и продолжать работать, когда пропал интернет. Облако остаётся для истории, анализа по многим приборам и обучения моделей (раздел 85).

90.5 Сколько стоит сообщение: батарейка

Примем передачу 40 мА, сон 2 мкА, батарейку на 2400 мА·ч и 10 байт данных в кадре LoRaWAN (раздел 89). Окна приёма не учитываем:

«Десятки лет» значит, что батарейка раньше умрёт от саморазряда. Главное в сроке службы — сколько раз прибор выходит в эфир и на каком SF. Правило отправки на приборе окупается напрямую. Температура в сотых долях градуса — это 2 байта данных плюс 13 служебных, всего 15 байт на сообщение (раздел 94.8). Таблица посчитана с запасом, для 10 байт данных, как в разделе 89; с кадром в 15 байт сроки на четверть-треть дольше: раз в минуту — 8,3 года на SF7 и около 130 суток на SF12.

90.6 Требования, которые меняют архитектуру

90.7 Как описать решение: высокоуровневый проект

Высокоуровневый проект (HLD) — документ, по которому решение строят, принимают и сопровождают. Обычный состав:

Для решения с приборами в нём обязательно должно быть ещё пять вещей:

• потоки данных — что, откуда, куда, как часто и сколько байт. Пример строки: «температура склада → по изменению на 0,5 °C и раз в 15 минут → LoRaWAN, 15 байт → сетевой сервер → MQTT → база → тревога оператору»;
• радиоплан — частоты, SF, где стоят шлюзы, результаты радиообследования (раздел 92);
• бюджет питания — ток в каждом режиме и срок батарейки (90.5);
• ключи — где рождаются, где хранятся, как меняются (раздел 94.3);
• отказы — что делает прибор без связи, без сервера, после перезагрузки, и как обновляется прошивка (раздел 48).

90.8 Грабли

Прибор шлёт каждую секунду «на всякий случай». Эфир и батарейка кончаются раньше, чем польза.

Молчание прибора непонятно. Нет контрольной посылки, и умерший прибор неотличим от спокойной температуры.

Порог рядом с шумом. 0,2 °C при шуме ±0,10 °C даёт втрое больше сообщений, чем 0,5 °C.

Сводки вместо событий. Тревога приходит через 15 минут после события.

Управление через LoRaWAN класса A как в реальном времени. Команда ждёт, пока прибор сам выйдет на связь.

Прибор теряет данные при обрыве связи. Нет буфера, в который он складывает показания до восстановления канала.

Решение намертво привязано к одному облачному сервису. Нет программного интерфейса наружу и способа уйти.

Проект без потоков данных и без сценариев отказа. Такой документ нельзя ни проверить, ни сопровождать.

«LPWAN бесплатный, лицензия не нужна». В свободном диапазоне никто не отвечает за помехи.

90.9 Итоги

• Интернет вещей — это M2M плюс платформа. Данные прибора становятся общими для многих приложений.
• В эталонной модели семь уровней: устройства, связь, вычисления на краю, накопление, абстракция, приложения, люди и процессы.
• LPWAN выигрывает дальность скоростью (+3 дБ на каждое удвоение энергии на бит) и частотой ниже 1 ГГц. 5,8 ГГц для него не годится.
• Решение, что отправлять, принимает прибор. Отправка по изменению на 0,5 °C с контрольной посылкой — это 98 сообщений в сутки вместо 86 400, событие замечено сразу, ошибка меньше порога.
• Срок батарейки определяют число выходов в эфир и SF: от 101 суток до десятков лет при одной и той же батарейке.
• Высокоуровневый проект описывает потоки данных, радиоплан, бюджет питания, ключи и поведение при отказах.

Дальше: раздел 91 «Платформы интернета вещей».