Умная и безопасная автоматизация дома на основе IoT

19.09.2018

Умная и безопасная автоматизация дома на основе IoT

В настоящее время разрабатывается множество решений для автоматизации умного дома, но большинство из них не могут плавно и безопасно интегрировать в уже функционирующую домашнюю среду. Поэтому, чтобы сократить разрыв между потребителем и экспертом и интеграция автоматизации в существующую домашнюю среду прошла без физических изменений здания, требуется модульное и гибкое интеллектуальное решение автоматизации умного дома с плавным интеграционным потенциалом.

Данное исследование направлено на достижение следующих целей:

  • Предложить модульное и безопасное решение для умного дома с встроенным Runtime Mentor для IoT
  • Легко устанавливать и настраивать систему без привлечения экспертов
  • Свободно использовать доступные коммуникационные протоколы ПО для IoT

Система автоматизации умного дома (SHAS) — это следующий этап расширения автоматизации здания, который распространяется, в том числе, и на жилые помещения. Автоматизация целого дома или отдельного домашнего хозяйства может включать в себя управление и автоматизацию освещения, отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC), управление и безопасность использования бытовой техники, а также множество других систем, существующих в домашней среде. За последние годы интерес к области автоматизации умного дома значительно вырос благодаря успешной внедрению протоколов M2M (Машина — Машина) и легкости управления системой с появлением смартфонов и планшетов.

Система автоматизации умного дома согласно определению представляет собой интеграцию электронных устройств (включая приведение в действие таких простых устройств, как жалюзи), а также контроль и управление домашней обстановкой при помощи обучаемых систем самим пользователем внутри помещения, либо удаленно через коммуникационный носитель (Bluetooth или Wi-Fi) посредством специального компьютерного шлюза. В рамках такой архитектуры,  решение задач становится более интуитивным и эффективным. Домашняя сеть управляет всеми коммуникациями, а пользователю предоставляется доступ к системе через персональный компьютер, смартфон или планшет из дома или из удаленного места через Интернет. Интеграция информационных технологий в домашнюю среду позволяет удобно, энергоэффективно и безопасно управлять системой и включая все электронные приборы и устройства.

Известные трудности и угрозы

Существующие системы автоматизации умного дома разработаны исключительно для удовлетворения конкретных потребностей домашнего хозяйства. Но они сложно устроены и недостаточно гибко удовлетворяют требования пользователей.

В системах автоматизации умного дома безопасность является достаточно важным фактором для потребителей. Множество исследований показали, что устройства, предназначенные для автоматизации дома, имеют серьезные недостатки. Согласно опросу HP среди 10 готовых систем безопасности дома некоторые устройства имеют ненадежные пароли и не защищены от проникновения человека. Другие, согласно апрельскому исследованию фирмы Veracode, легко подвержены взлому, так как не препятствуют доступу к интерфейсу. И, если злоумышленник получит доступ к устройству, то оно будет подвержено угрозе и, согласно исследованию фирмы безопасности Synack, превратится в троянского коня. Фактически, на это потребуется от 5 до 20 минут.

Предложенное решение

Для решения этой проблемы предлагается плавно интегрируемое, очень безопасное и  реконфигурируемое расширение SHAS. В качестве платформы, на которой могут строиться такие решения, предлагается использовать Mentor Embedded Linux (MEL) (Рисунок 1), который позволяет периферийным устройствам IoT получить доступ к IP и обеспечивает поддержку различных подключений для полного набора беспроводных и проводных транспортных сред и протоколов.

                                                Рисунок 1. Mentor Embedded Linux

Система запускается на i.MX6 SABER Series (только для плат SABER Lite и Nitrogen6X) и LayerScape LS1021A. Ожидается, что совместимость с другими платами будет доступна в следующих ревизиях.

                                                 Рисунок 2. Серийная базовая платформа

Основная система разработана на базе  i.MX6 SABER, которая использует модульную структуру. Основной и все подчиненные узлы взаимодействуют друг с другом через Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth с низкой мощностью (BLE) или USB 2.0/3.0 для сетей на основе IPv4 / IPv6. Его модульная и высоко структурированная организация обеспечивает возможность установки дополнительных программных протоколов по мере изменения требований.

Пользователь получает доступ к системе локально или удаленно через Интернет. Резкое увеличение количества умных подключенных устройств IoT с распространением облачных сервисов предъявляет новые требования к разработчикам для защиты активов от атак программного обеспечения. Mentor обеспечивает поддержку лицензированных облачных приложений.

Пользовательские интерфейсы позволяют управлять системой через локально размещенный веб-сервер или любое приложение, установленное на смартфоне.

Эту связь можно увидеть на рисунке 3. Красные стрелки показывают связь пользователя с главным узлом и пользовательским устройством, а синие — связь между главным узлом и подчиненными узлами.

                                                   Рисунок 3. Схема связи

Архитектура автоматизации дома и области ее применения

Mentor Embedded Runtime для IoT наилучшим образом подходит для общей архитектуры автоматизации дома. Данная архитектура использует только два типа модулей: Supervisor Engine (SE) и Control Engine (CE), связанных между собой системой коммуникаций, поддерживаемых MEL.

Как можно видеть на рисунках 1 и 2, система имеет распределяющий характер и организована в двухуровневой иерархии. SE — это модули высокого уровня, выполняющие задачи наблюдения. CE — это модули низкого уровня, которые взаимодействуют с физическим миром через устройства ввода и вывода.

                                                Рисунок 4. Архитектура системы

Связь домашних сетей

Основным элементом предложенной архитектуры является система коммуникаций, которая связывает различные системные модули. Она имеет большое значение, поскольку влияет на производительность, гибкость и стоимость системы. Сети IoT должны быть масштабируемыми и динамичными, поскольку устройства могут добавляться в сеть и удаляются из нее.

Решение Mentor поддерживает подключения беспроводных и проводных транспортных сред и протоколов, таких как:

  1. Ethernet
  2. IEEE 802.11 a / b / g / n
  3. Bluetooth с низкой мощностью(BLE)
  4. IEEE 802.15.4
  5. 6LoWPAN
  6. COAP
  7. MQTT
  8. XMPP
  9. HTTPS

Поддержка аппаратного и программного обеспечения

IoT стремительно развивается, поэтому поиск подходящего оборудование IoT для Вашего продукта — важная и сложная задача. Выбрав Mentor Embedded Runtime для IoT, Вы сэкономите свое время и деньги, потому что он содержит различные пакеты поддержки от крупных поставщиков. Дополнительно к этому, команда Mentor Graphics Integration Services может интегрировать MEL с Вашим настраиваемым оборудованием и оптимизировать его в соответствии с Вашими требованиями.

Безопасность

Безопасность является важным фактором для конечного пользователя: не только для самой системы, но также для защиты дома и его жителей. Поэтому основной задачей является упомянутая выше проблема безопасности.

Mentor Embedded Runtime для IoT имеет множество вариантов безопасности, таких как SE-Linux и SMACK, которые может снизить риск угроз и атак. Также в целях безопасности важно создать брандмауэр. Для интеграции своих продуктов безопасности Floodgate с Mentor Graphics ‘Nucleus RTOS и Mentor Embedded Linux Mentor Graphics сотрудничает с Icon Labs.

Пользовательский интерфейс

Инфраструктуры домашней автоматизации, как правило, довольно сложны из-за разнообразия устройств USB, BLE, датчиков и исполнительных механизмов, задействованных в сети. Одна из задач разработки интерфейса между пользователем и системой состоит в том, чтобы пользователь мог просто добавлять новые физические устройства внутри своего домохозяйства применяя готовые формы и модули.

Статьи

10.10.2018

Миллионы производителей на самом деле сталкиваются со страхом банкротства, в случае, если они не произведут цифровые преобразования, но, к сожалению, это не так просто. (читать далее)

01.10.2018

В обозримом будущем полевые шины не исчезнут из промышленной автоматизации, однако стандарт Ethernet для скоростных сетей (TSN) совместно с независимым стандартом совместимости платформы OPC (читать далее)