Руководство по выбору операционной системы для пограничного устройства Интернета вещей

Интернет вещей (IoT) обеспечивает возможность собирать информацию в режиме реального времени, генерировать аналитические данные, проводить анализ тенденций, отслеживать ресурсы и оперативно реагировать на возникающие проблемы. Основой большинства решений IoT является устройство, которое регистрируется и подключается к облаку для отправки/получения данных. Эти устройства могут быть пограничными, и выполнять обработку данных или на самом устройстве, или в полевом шлюзе.

Все эти возможности обеспечивает операционная система. При выборе подходящей ОС для пограничного IoT-устройства разработчик должен убедиться, что она совместима с необходимым оборудованием, приложениями и требованиями к подключению. ОС Windows для IoT, ОСРВ Azure Sphere и другие ОС, предназначенные для интернета вещей, обладают различными функциональностью и преимуществами, что позволяет выбрать подходящий вариант в зависимости от потребностей создаваемой системы. Можно выделить четыре основных аспекта и перечень главных вопросов, которые разработчики устройств учитывают при выборе ОС для периферийных устройств IoT.

Потребность в интеллектуальных периферийных устройствах

Традиционная модель интернета вещей заключается в том, что устройство локально собирает данные, а затем отправляет их в облако. В облаке эти данные обрабатываются с помощью искусственного интеллекта или машинного обучения для получения бизнес-аналитики. Обработанные данные часто необходимы для того, чтобы отправить команды на устройства для запуска определенных действий. Такой вариант имеет свои недостатки. Задержка ответов в реальном времени и спонтанные единичные подключения к интернету препятствуют своевременной передаче данных. Гравитация данных усложняет перемещение массивов данных для анализа и увеличивает затраты на этот процесс.

Эти проблемы помогает решить применение интеллектуальных периферийных устройств, которые позволяют перенести процессы извлечения информации и действия на локальное устройство. Перемещение некоторых нагрузок на периферию позволяет устройствам тратить меньше времени на связь с облаком, оперативно реагировать на локальные изменения и надежно функционировать даже в условиях длительной автономной работы.

Дополнительные преимущества технологии Intelligent Edge: перевод протоколов, нормализация данных, повышение конфиденциальности за счет локального удаления персональной идентификационной информации (PII).

Четыре главных аспекта при выборе операционной системы для IoT

Выбранная операционная система должна полностью соответствовать конкретным потребностям и ограничениям, которые определяют разработку устройства. Перед принятием окончательного решения необходимо ответить на четыре основных вопроса.

1. Какой уровень надежности и долгосрочной поддержки необходим?

В первую очередь, на решение этого вопроса влияет тип устройства. Смартфоны и медицинское оборудование, торговые автоматы имеют разные жизненные циклы. С точки зрения продаж жизненный цикл устройства зависит от его цены, долговечности и других характеристик. С точки зрения разработчика на жизненный цикл влияет срок поддержки программного обеспечения и ОС в целом.

Недорогие устройства, как правило, отличаются коротким жизненным циклом, поэтому для них не требуется поддержка обновления функций и программного обеспечения, поскольку потребители часто приобретают новые версии. Дорогие устройства, предназначенные для функционирования в критически важных системах, обычно подразумевают длительный срок службы. В этом случае необходимо выбрать операционную систему с долгосрочной поддержкой, которая сможет обеспечить защиту и обновления на протяжении долгих лет. Ключевые факторы, которые необходимо при этом учитывать:

  • Относится ли это устройство к устройствам фиксированного назначения? Если да, то программное обеспечение должно быть подключено к устройству и иметь лицензию как полноценный продукт. Оригинальный производитель оборудования (OEM) должен обеспечивать поддержку полного продукта, включая функции, которые выполняет операционная система.
  • Относится ли устройство к специализированным системам – банкоматам, системам торговых точек и подобным продуктам? Специализированные системы рассчитаны на выполнение одной важной задачи и не требуют регулярного обновления. В этом случае наиболее важны: качественное длительное обслуживание, максимальная стабильность работы и безопасность системы. Поэтому необходимо обратить внимание на модель обслуживания, которая предлагается в комплексе с операционной системой.
  • Требуется ли приложение, обеспечивающее соответствие операционной системы определенным стандартам и сертификациям, например, установленным для медицинских устройств? Необходимо, чтобы выбранная операционная система обеспечивала варианты, подходящие для конкретных отраслевых стандартов и требований.
  • Требуется ли для устройства обширный пользовательский интерфейс? Сложные IoT-решения требуют применения операционных систем с комплексным пользовательским интерфейсом. Интуитивно простой и понятный пользовательский интерфейс повышает выгоду от использования устройств, в которых клиенты постоянно с ним взаимодействуют. Например, это билетные киоски или бензоколонки.

Microsoft предлагает несколько выпусков операционных систем для создания устройств на платформе Windows IoT, позволяющие устройствам длительное время стабильно работать и получать долгосрочную поддержку. Все выпуски Windows IoT обеспечивают 10-летнюю долгосрочную поддержку и простоту взаимодействия с другими службами и платформами Azure.

Windows 10 IoT Enterprise vs. Windows 10 IoT Core vs. Windows Server IoT 2019

  • Windows 10 IoT Core идеально подходит для компактных устройств;
  • Windows Server IoT 2019 – полная версия, обеспечивающая глобальные преимущества системы Windows. Применяется обычно для решения периферийными устройствами сложных задач.
  • Windows 10 IoT Enterprise. Отличается специализированными функциями. Используется при разработке устройств с фиксированной функцией, обычно привязанных к определенному перечню приложений и периферийных устройств.

Windows 10 IoT Enterprise предусматривает варианты как краткосрочной, так и долгосрочной поддержки. Канал долгосрочного обслуживания LTSC предназначен для специализированных устройств, в том числе IoT-устройств. Он предоставляет регулярные обновления один раз в 2-3 года в течение 10 лет, что обеспечивает длительную и надежную работу стационарных устройств.

2. Какие требования предъявляются к производительности?

Выбранная операционная система должна соответствовать требованиям вашего устройства к вычислительной мощности и производительности в реальном времени. Вопросы, которые необходимо решить в рамках этой проблемы:

  • Какие требования предъявляются к предсказуемой или гарантированной задержке? Чем меньшая задержка необходима, тем большее энергопотребление принимают в расчет.
  • Какой необходим уровень вычислительной мощности? Мощности должно хватать для поддержки и ОС, и приложений во время вычислений.
  • Какой необходим объем памяти? Этот фактор может быть решающим при выборе между операционной системой и операционной системой реального времени.

Для устройств, требующих миллисекундных ответов, например, таких, как система антиблокировки тормозов, используется ОС, отличная от той, которые подходит для билетных киосков. Устройства, которым необходимы операционные системы с высокой скоростью обработки: фитнес-трекеры, промышленные автоматизированные линии и машины.

Azure RTOS (ОСРВ) – встроенный пакет разработки, который включает компактную, но мощную ОС реального времени, обеспечивающую сверхскоростную работу на устройствах с ограниченными ресурсами. Она поддерживает все наиболее популярные 32-разрядные микроконтроллеры и встроенные средства.

Основная задача использования RTOS – распределение программного обеспечения на части, называемые «потоками», что означает распределение между ними времени обработки. Переключение между потоками осуществляется так оперативно, что для пользователя этот процесс практически не заметен.

Azure RTOS имеет небольшой объем памяти – 2 Гб, что позволяет использовать эту ОС на устройствах с ограниченным объемом памяти. Azure RTOS совместима с другими платформами и устройствами Azure, в том числе с Azure Sphere. Эти два решения идеальны в тех случаях, когда требуется обработка данных в реальном времени.

Ограниченный объем памяти Azure RTOS ThreadX и высокая скорость обработки, которую она обеспечивает, использует компания Welch Allyn Protocol Inc., специализирующаяся на разработке и производстве медицинских устройств. Переход на эту ОС позволил сэкономить время на отладку сторонних систем, и сосредоточиться только на вопросах реализации приложений.

3. Обеспечивает ли операционная система безопасность устройства?

Вопрос безопасности – один из основных факторов, учитываемых при разработке устройства. Это касается и используемой ОС. Один промах в обеспечении безопасности может привести к порче или краже данных, нарушению запланированных процессов.

Факторы, которые необходимо учитывать при выборе ОС, оптимальной с точки зрения безопасности для конкретного устройства:

  • Предлагается ли многоуровневая защита ПО и возобновляемая безопасность?
  • Имеются ли безопасные соединения с возможностью шифрования и аутентификации на основе сертификата?
  • Поддерживается ли динамическое разделение?

Какие функции безопасности обеспечивают предлагаемые ОС:

  • Windows 10 IoT Core поддерживает безопасность IoT-устройств с ограниченными ресурсами на уровне предприятия. Необходимое условие в этом случае – наличие средств поддержки безопасности в аппаратном обеспечении.
  • Windows Server IoT 2019 – полная версия, оснащенная многоуровневой безопасностью.
  • Windows 10 IoT Enterprise – обеспечивает базовые и расширенные меры безопасности для устройств фиксированного назначения, включая Унифицированный фильтр записи и блокировку приложений.

Azure Sphere представляет собой комплексное решение, обеспечивающее максимальную защищенность IoT-устройств с помощью инновационных решений Microsoft в области безопасности аппаратного и программного обеспечения, облака. Это означает, что можно создавать подключенные устройства, в состав которых входят:

  • оборудование, сертифицированное Azure Sphere;
  • операционная система Azure Sphere, основанная на Linux;
  • служба безопасности Azure Sphere с регулярными обновлениями операционной системы и безопасности.

Глубокая защита обеспечивается и при интеграции устройств Azure Sphere с любым, общедоступным или частным, облачным сервисом. Эффективность работы можно повысить с помощью совместного использования Azure Sphere с Visual Studio и Azure IoT. Интегрированное решение безопасности Azure Sphere может использоваться в IoT Central – полностью управляемой платформе приложений интернета вещей, которая дает возможность создавать IoT-приложения без управления базовой инфраструктурой.

Пример: Azure Sphere была использована при создании IoT-решений для одной из крупнейших хлебопекарен в мире – Groupo Bimbo. Подключенное решение на базе Azure соединяет данные, передаваемые на платформу с различных периферийных устройств и датчиков, с базой данный SQL Azure, в которой организовано хранение этих данных. Это позволяет компании обгонять конкурентов и оперативно реагировать на рыночные изменения. В частности, Azure Sphere используется в датчиках следующего поколения, применяемые в системах безопасности на заводах. Такие датчики позволяют защитить не только физические объекты предприятия, но и конфиденциальные данные, получаемые с помощью этих датчиков.

4. Обеспечивает ли выбранная операционная система масштабируемость?

В связи с тем, что большинство операций могут со временем меняться, при выборе ОС необходимо предусмотреть ее возможность масштабироваться с учетом потребностей любого типа устройств. Разработка пограничного IoT-устройства с масштабируемой ОС позволяет в будущем адаптироваться к другим задачам без внесения значительных изменений. Масштабируемые ОС могут обрабатывать дополнительные ресурсы без изменения скорости вывода, охватывать несколько устройств и географических регионов. Редакции Windows 10 IoT Core, Windows 10 IoT Enterprise и Windows IoT Server предусматривают масштабируемость и совместимость систем.

Пример: Windows 10 IoT Core используется для создания решений, позволяющих проверять лекарственные препараты на основе собранных и проанализированных данных. Отдельные врачи могут использовать это решение для проверки лекарств, которые они выписывают больным, а аптеки – для отслеживания поступления и расхода препаратов. Использование Windows 10 IoT Core обеспечивает компании возможность масштабирования ОС без изменения требований к корпоративным ресурсам. Компания может постоянно создавать новые прикладные сервисы без значительных инвестиций и сбоев в работе.

Комплексное взаимодействие выбранной ОС с облачными технологиями

При выборе ОС необходимо заранее продумать, как будет использоваться устройство и какие потребуются взаимодействия для создания комплексных решений. С помощью передовых технологий возможно:

  • управлять облачными ресурсами и пограничной средой;
  • анализировать и обрабатывать локальные данные;
  • расширять возможности аналитики на облаке и пограничных устройствах.

Общим преимуществом использования ОС Windows 10 IoT, Azure RTOS или Azure Sphere является их простая интеграция с другими платформами и службами Azure, что дает возможность достаточно просто разрабатывать индивидуальные гибкие IoT-приложения.

Azure IoT Edge – это решение, разработанное с учетом интеграции Edge-устройств в облако. Эта управляемая служба позволяет полностью переносить определенные рабочие нагрузки на сетевую периферию, что дает возможность избежать временных трат на связь устройства с облаком, быстро реагировать на локальные изменения и надежно функционировать в автономном режиме в течение длительного времени.

Оригинал статьи: Guide to selecting an operating system for your IoT edge device