Автоматизированная система сбора данных и управления на основе технологии Интернета вещей
Заказать уникальную дипломную работу- 62 62 страницы
- 31 + 31 источник
- Добавлена 13.07.2023
- Содержание
- Часть работы
- Список литературы
ВВЕДЕНИЕ 5
1. Интернет вещей (IoT), понятие, уровни, протоколы, архитектура 11
1.1 Понятие интернета вещей 11
1.2 Уровни интернета вещей 18
1.3 Архитектура приложения интернета вещей 21
1.4 Протоколы интернета вещей 24
2. Беспроводные сенсорные сети 35
2.1 Сенсорные узлы 35
2.1.1 Технология миниатюризации датчика на основе MEMS 35
2.1.2 Технология сбора энергии окружающей среды 36
2.2 Топологии беспроводных сенсорных сетей (БСС) 36
2.3 Организация безопасности в БСС 39
2.3.1 Модели доверия БСС 39
2.3.2 Алгоритмы шифрования БСС 41
2.3.3 Управление ключами БСС 42
2.3.4 Маршрутизация БСС 42
3. Сбор и управление данными беспроводных сенсорных сетей в IoT 44
3.1 Архитектура системы сбора, передачи и хранения данных в IoT 44
3.2 Аппаратные платформы систем сбора и передачи данных 48
3.3 Подключение сенсорной сети к облачному сервису 48
3.4 Доступ к данным БСС конечным пользователям 50
3.5 Примеры применения БСС в интеллектуальных сетях 51
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 54
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 55
Для приложений мониторинга трубопроводных систем было разработано большое количество продуктов, основанных на сборе энергии разности температур. Продукция компании Nextreme может производить 0,25 Вт мощности при разнице температур 60 °C на площади 3,2 мм × 1,6 мм собирающих энергию материалов. На рисунках 2.3 и 2.4 показаны некоторые узлы датчиков, сконфигурированные с устройствами сбора энергии окружающей среды.Рисунок 2.3 – Узлы датчиков, сконфигурированные с устройствами сбора энергии окружающей среды [14]Рисунок 2.4 – Система мониторинга двигателя на основе сбора энергии вибрации [14]2.3Организация безопасности в БСС2.3.1Модели доверия БССВ традиционных сетях TCP/IP безопасность построена на защите конфиденциальности, целостности и доступности сетевых данных. Это делает систему надежной и защищает систему от вредоносных атак, которые могут привести к сбоям в работе систем и раскрытию информации. Как характеристика среды узлов и приложений, безопасность БСС требует не только традиционной защиты безопасности, но и особых требований доверия, безопасности и конфиденциальности (TSP) БСС.БСС TSP могут, в зависимости от сценария приложения, требовать защиты целостности, доступности, конфиденциальности, неотказуемости и конфиденциальности пользователя. Он поддерживает целостность и надежность системы, защищая систему от вредоносных атак. TSP БСС может потребоваться для защиты узлов от несанкционированного доступа, защиты канала связи и маршрутизации на сетевом уровне [24]. Для обнаружения атак могут потребоваться функции регистрации/аудита TSP.Технология TSP БСС состоит из аутентификации сообщений, шифрования, управления доступом, аутентификации личности и т. д. Потребности TSP для БСС можно разделить на следующие категории:безопасность узлов, криптоалгоритмы, управление ключами, безопасная маршрутизация, агрегация данных [25 – 26].Безопасность узлаУзел БСС может быть взломан через его логические интерфейсы или путем прямых физических атак; он может быть перемещен без разрешения или украден.Безопасность узла может включать безопасное пробуждение и безопасную начальную загрузку. Низкий рабочий цикл имеет решающее значение для обеспечения длительного срока службы сенсорных узлов с батарейным питанием. Особый класс атак типа «отказ в обслуживании», так называемые атаки лишения сна [28], не позволяет сенсорному узлу перейти в энергосберегающий спящий режим, тем самым значительно сокращая время жизни атакуемого сенсорного узла. Стандартные механизмы безопасности, такие как коды аутентификации сообщений или шифрование кадров, не предотвращают атаки с депривацией сна: узел включен, и энергия тратится на обработку полученного сообщения. Атаку можно заметить только тогда, когда заряд батареи уже израсходован. На рис. 2.5 показан сенсорный узел с дополнительным сверхмаломощным радиоприемником. Приемник прослушивает канал, когда сенсорный узел находится в спящем состоянии. Он запускает датчик пробуждения, когда он получает сигнал пробуждения. Чтобы добавить безопасности структуре приемника, пробуждающий сигнал представляет собой закодированный код [29]. Поскольку код пробуждения используется только один раз и специфичен для каждого узла, его можно отправить в чистом виде при пробуждении узла.Рисунок 2.5 – Безопаснаябеспроводная связь в БСС [29]2.3.2Алгоритмы шифрования БССШифрование — это специальный алгоритм изменения исходной информации узла датчика данных, благодаря которому неавторизованный пользователь не узнает исходную информацию, даже если он получил доступ к зашифрованной информации. БСС общественной инфраструктуры неизбежно подвержены воздействию общественной деятельности. Традиционный код аутентификации сообщений, симметричное шифрование и шифрование с открытым ключом выявили свои недостатки [30 – 31]. Поэтому необходимо предложить систему шифрования, более подходящую для БСС. Испанская компания Libelium разработала библиотеки шифрования waspmote для обеспечения безопасности данных БСС умного города в 2020 году. Их беспроводные сенсорные устройства в основном поддерживают эти библиотеки. Библиотеки предназначены для различных механизмов шифрования и механизмов консультаций на канальном, сетевом и прикладном уровнях.Рисунок 2.7 – Типичное применение библиотек шифрования waspmote [32]2.3.3Управление ключами БССУправление ключами сосредоточено на области приложения БСС и его среды. Поэтому несколько безопасности. Управление ключами включает в себя генерацию ключей, различные процедуры начальной загрузки были распределены, проверены, обновлены, сохранены, резервированы, предложены [24]: на основе токенов, предварительная конфигурация действительна и уничтожена. Эффективное управление ключами во время изготовления узлов, механизм также является основой другой физической защиты сообщений, внутриполосных во время механизмов безопасности, таких как безопасная маршрутизация, слабая фаза настройки безопасности, внеполосные безопасное позиционирование, агрегация данных. Типичное ключевое общение. Схемы управления в БСС включают глобальное управление ключами, управление случайными ключами, управление ключами местоположения, управление ключами кластеризации и управление ключами на основе открытых ключей [33].2.3.4Маршрутизация БССПоскольку БСС, использующие многоскачковую передачу данных исамоорганизация в сети, каждый узел такжетребуется обнаружение маршрутизации, установление маршрутизации,обслуживание маршрутизации. Безопасный протокол маршрутизациизаключается в том, что полные эффективные решения по маршрутизации иможет быть необходимым условием для агрегирования данных ибезопасное устранение избыточности от исходного узлак стоковому узлу. Многие защищенные сети маршрутизации были специально разработаны для БСС, они могутбыть разделены на три категории в соответствии со структурой сети: плоская маршрутизация, иерархическаямаршрутизация и маршрутизация на основе местоположения [25].Типичные методы безопасных протоколов маршрутизациивключают методы, основанные на информации обратной связи,информация о местоположении, алгоритм шифрования, многолучевое распространениеметод отбора и иерархические структуры.Различные протоколы безопасной маршрутизации могут решитьпроблемы различных типов атак [26], таких какбезопасный протокол маршрутизации на основе обратной связиинформация, которая включает информацию о задержке,доверие, местоположение, избыточная способность в подтверждениикадр уровня управления доступом к среде (MAC).Хотя этот метод не использует шифрование, он можетпротивостоять распространенным атакам, таким как ложная маршрутизацияинформация, выгребная яма и червоточина. Большинствотекущие протоколы безопасной маршрутизации предполагаютсенсорная сеть является стационарной, поэтому более новые безопасныепротоколы маршрутизации должны быть разработаны для удовлетворенияподвижность сенсорных узлов [17].3.Сбор и управление данными беспроводных сенсорных сетей в IoT3.1Архитектура системы сбора, передачи и хранения данных в IoTАрхитектура предлагаемой системы разделена на три уровня (рис. 3.1): сенсорный уровень, уровень координатора и уровень контроля.Рисунок 3.1 – Предлагаемая архитектура система сбора, передачи и управления даннымиСенсорный уровень состоит из сенсоров, которые взаимодействуют с окружающей средой. Каждый датчик был интегрирован с беспроводными узлами с использованием платформы XBeeZB под названием EndDevices. Эти конечные устройства образуют ячеистую сеть и отправляют информацию, собранную датчиками, на уровень координатора через узел-приемник, называемый базовой станцией. Сообщения направляются от одного конечного устройства к другому, пока не достигнут этой базовой станции. Существует несколько аппаратных платформ для развертывания сети беспроводных датчиков, таких как TelosB, Mica, IRIS и Waspmote. Для нашего прототипа системы мы использовали модуль XBee от DigiInternational, Inc. Каждый модуль XBeeZB имеет возможность напрямую собирать данные датчиков и передавать их без использования внешнего микроконтроллера, эта возможность известна как XBeedirect [21]. Это дает множество преимуществ. Используя только XBee, он может минимизировать вес, что является важным фактором для таких систем, как сети датчиков тела или носимых устройств. Отсутствие внешнего микроконтроллера также снижает энергопотребление, что является важным преимуществом для беспроводных систем, работающих от батарей и позволяющих сэкономить деньги. Тем не менее, есть также некоторые важные компромиссы, связанные с этим. Уровень координации отвечает за управление данными, полученными от сенсорной сети. Он временно сохраняет собранные данные в буфер и отправляет их на уровень контроля через заданные промежутки времени. Базовая станция, состоящая из ArduinoUNO, Ethernet-щита и XBee, подключается к Интернету с помощью кабеля RJ45 и питается от адаптера переменного тока. Он служит мобильным мини-сервером приложений между беспроводными датчиками и выделенной сетью и имеет более продвинутые вычислительные ресурсы по сравнению с конечными устройствами на сенсорном уровне. На базовой станции узел-приемник собирает данные с беспроводных датчиков с использованием протокола ZigBee и отправляет эти данные на облачные платформы данных датчиков. Наконец, на уровне контроля базовая станция размещается с веб-сервером для подключения и публикации данных датчика в Интернете. Этот уровень хранит данные датчиков в базе данных, а также предлагает конечным пользователям веб-интерфейс для управления данными датчиков и создания статистики. Для уровня контроля мы использовали HTTP-сервис Open.sen.se [5], который предоставляет API на основе REST для публикации и доступа к данным датчика. Таким образом, позволяя подключать существующие сети к другим приложениям с минимальными изменениями. Open.Sen.se предлагает графический интерфейс для мониторинга систем в режиме реального времени с использованием потоков инфографических данных и для получения значений датчиков с использованием типа устройства и метки времени. Оповещения также могут автоматически генерироваться для уведомления пользователя каждый раз, когда желаемое событие было обнаружено правилами домена, запрограммированными на базовой станции.Рассмотрим сенсорный и уровень координатора в аппаратном виде на следующем примере:Сенсорный узелКонечные устройства (сенсорный узел) состоят из двух частей: сенсорного интерфейса и интерфейса XBeeZB, как показано на рисунке 3.2. Конечное устройство разработано на основе радиочастотного модуля XBee, работающего в нелицензируемом диапазоне 2,4 ГГц со скоростью передачи данных 250 кбит/с [23]. XBee использует протокол ZigBee и поддерживает потребности в недорогих сетях беспроводных датчиков с низким энергопотреблением. ZigBee построен на основе стандарта IEEE 802.15.4, который определяет управление доступом к среде (MAC) и физические уровни. Протокол ZigBee также имеет возможность многоскачковой связи, поэтому обеспечивает широкий диапазон связи и широкую зону покрытия [24]. XBeeZB обеспечивает дальность передачи 40 м в помещении и 140 м на улице. Конечные устройства ждут запроса на чтение данных (т. е. опроса) от координатора, а затем отвечают значением от датчика. Опрос — это метод, при котором сетевой координатор запрашивает каждое конечное устройство по одному для отправки показаний датчика. Это позволяет избежать помех от нескольких узлов, одновременно передающих на координатор.Рисунок 3.2 – Сенсорный узел с датчиком температуры и напряженияБазовая станция (Координатор)Базовая станция играет ключевую роль в предлагаемой нами системе, как показано на рисунке 3.1. Этот узел имеет минимальный размер, обеспечивая при этом все функции связи, обнаружения и вычисления. Прототип базовой станции показан на рисунке 3.3. Аппаратная часть базовой станции состоит изПлата ArduinoUNO, экран Ethernet и экран XBee, который поддерживает модуль XBeeZB. Arduino — это микроконтроллер с открытым исходным кодом, который использует ATMEGA 328, процессор AtmelAVR, который может быть запрограммирован компьютером на языке C через порт USB [22]. Arduino также имеет встроенные 5 аналоговых контактов и 13 цифровых контактов для операций ввода и вывода, поддерживающих SPI и I2C, которые можно использовать для взаимодействия с другими устройствами. Роль микроконтроллера в этой беспроводной сети датчиков заключается в сборе показаний датчиков с конечных устройств через модуль XBeeZB, систематизации данных датчиков с использованием разработанных пакетных протоколов и отправке их на сервер Open.Sen.se через модуль Ethernet. Модуль Ethernet действует как центральный узел для соединения беспроводной сенсорной сети с локальным прокси. Как правило, функция базовой станции делится на две части: Веб-сервер и интерфейс XBee для беспроводной сенсорной сети. Эти две функции реализованы на ArduinoUNO. Функция веб-сервера использует библиотеку
2. Буснюк, Н. Н. Системы мобильной связи: Учебное пособие. пособие для студентов специальности 1-98 01 03 «Программное обеспечение защиты информации» / Н. Н. Буснюк, Г. И. Мелианец. - Минск: БГТУ, 2018. - 153 с.
3. Гельгор А.Л. Технология мобильной передачи данных LTE: Учебное пособие. пособие / Гельгор А.Л., Попов Е.А. - СПб .: Изд-во Политех. ВУЗ, 2011. - 204 с.
4. Предпосылки появления сетей, электронный ресурс: https://textarchive.ru/c-1401743-p15.html
5. Системы сотовой связи, электронный ресурс: https://catamobile.org.ua/kanaly.html
6. Google, «Google Trends», 2018 г. Электронный ресурс, URL: https://trends.google.com/trends/explore?date=all&q=%22internet%20of%20thin gs%22
7. SPS Эрик Дальман и др., «4G LTE/Advanced Pro и дорога к 5G», в 4G LTE/Advanced Pro и дорога к 5G, 3-е издание, К. Кент, изд., Амстердам, Бостон, Гейдельберг, Париж, Джо Хейтон, 2016, - 590 c.
8. ЕС, «Взгляд рабочей группы по архитектуре 5G PPP на архитектуру 5G (версия 2.0)», Европейская комиссия, Европа, 2017 г.
9. Л. HUAWEI TECHNOLOGIES CO., «Сетевая архитектура 5G. Перспектива высокого уровня», HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD., Шэньчжэнь 518129, Китай, 2016 г.
10. Эрикссон, «Сценарии и решения безопасности 5G», Эрикссон, Швеция, 2017 г.
11. E. Commission, «На пути к 5G», 2017 г. Электронный ресурс, URL: https://ec.europa.eu/digital-single-market/en/towards-5g.
12. I. Show. «Навигация по IoT сквозь шумиху», IDTechEx Show, nd nm 2018. Электронный ресурс, URL: https://www.idtechex.com/internet-of-things-usa/show/en/.
13. А. Гербер, «Соединение всех вещей в Интернете вещей», 2017 г. Электронный ресурс, URL: https://www.ibm.com/developerworks/library/iot-lp101-connectivitynetwork-protocols/index.html.
14. «Понимание протоколов IoT — соответствие ваших требований правильному варианту», 2017 г. Электронный ресурс, URL: https://solace.com/blog/usecases/understanding-iot-protocols-matching-requirements-right-option.
15. А. Нордрум, "IEEE Спектр," 2018. [Онлипе]. Электронный ресурс, URL: https://spectrum.ieee.org/tech-talk/telecom/internet/popular-internet-of-thingsforecast-of-50-billion-devices-by-2020-is-outdated
16. ZS Innovations, «Поколения в области телекоммуникаций (1G, 2G, 3G, 4G)», серия Z Инновации, 18 декабря 2015 г. Электронный ресурс, URL: http://www.zseries.in/telecom%20lab/telecom%20generations/.
17. Ericsson, «Отчет Ericsson Mobility Report 2017», Heuveldop, Niklas, Швеция, 2017 г.
18. Л. Колумбус, «Forbes», Forbes, 10 декабря 2017 г. Электронный ресурс, URL: https://www.forbes.com/sites/louiscolumbus/2017/12/10/2017-roundup-ofinternet-of-things-forecasts/#753408e21480
19. Postcapes, «Postcapes», 2016. Электронный ресурс, URL: https://www.postscapes.com/internet-of-things-history/.
20. ЦЕРН, «Рождение Интернета», ЦЕРН, 12 марта 2014 г. Электронный ресурс, URL: https://home.cern/topics/birth-web.
21. Н. Чоудхури, «История Интернета», Международный журнал компьютерных наук и информационных технологий, том. 5(6), вып. 8096-8100, с. 5, 2014.
22. Сети 4G LTE, электронный ресурс, URL: https://www.thalesgroup.com/en/markets/digital-identity-and-security/technology/lte
23. Приложения интернета вещей, электронный ресурс, URL: https://www.fibocom.com/en/Blog/info_itemid_2125.html
24. Разработка дронов с использованием Интернета вещей, электронный ресурс, URL: https://www.allerin.com/white-papers/drone-development-using-iot
25. Интернет вещей в автомобильной промышленности: решения для транспортных средств, умных и подключенных автомобилей, электронный ресурс, URL: https://www.aimprosoft.com/blog/automotive-iot-use-cases-for-cars-vehicles/
26. Микролокация и Интернет движущихся вещей, электронный ресурс, URL: https://www.nanalyze.com/2020/09/microlocation-internet-moving-things/
27. К.-Х. Чен, К.-К. Гао и Ж.-Ж. Чен, «Интеллектуальная домашняя система энергосбережения на основе WSN», представленная на Международной конференции по электротехнике, электронике и гражданскому строительству, Паттайя, 2021 г.
28. С. Хилтон. (2022, 14 января). Переход от M2M к Интернету вещей: вводный блог. Доступный: http://blog.bosch-si.com/progression-from-m2m-to-internet-of-things-an-introductoryblog/
29. З. Альянс. (2022 г., по состоянию на 6 октября). Спецификация ZigBee. Доступно: http://www.zigbee.org
30. Ю. А. Алкуда, «Удаленный мониторинг: интеграция со смартфоном», Биомедицинская инженерия: приложения, основы и коммуникации, т. 1, с. 0, с. 1350003.
31. К. Дукас, Создание Интернета вещей с помощью Arduino, том. 1, 2022.