ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/5855| Title: | Побудова моделі «розумний» дім за допомогою Cisco Packet Tracer |
| Authors: | Гавриш, Олександр Степанович Юрченко, Владислав Юрійович |
| Keywords: | розумний будинок;Cisco Packet Tracer;мережа Wi-Fi;імітаційна модель |
| Issue Date: | 2023 |
| Abstract: | У ході дипломної роботи було отримано модель робочої інтелектуальної домашньої мережі «Розумний будинок» у симуляторі Cisco Packet Tracer. Для проектування системи було використано бездротовий та дротовий зв’язок. Всі з’єднані пристрої доступні для керування та моніторингу через веб-інтерфейс кінцевих пристроїв. Також налаштована внутрішня мережа Wi-Fi та стільниковий зв’язок для смартфону. Реалізована можливість реєструвати нових користувачів в системі «розумного будинку» та конфігурувати нові правила взаємодії пристроїв віддалено, або безпосередньо знаходячись у будинку. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/5855 |
| Appears in Collections: | 125 Кібербезпека та захист інформації (Безпека інформаційних і комунікаційних систем) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| М_125_Юрченко_Гавриш.pdf Restricted Access | 1.18 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ, АВТОТРАНСПОРТУ ТА МАШИНОБУДУВАННЯ КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІЧНИХ І ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ СИСТЕМ ТА КІБЕРБЕЗПЕКИ До захисту допущено завідувач кафедри РТСК д.т.н., професор __________ Володимир ПАЛАГІН "_____" грудня 2023 року Пояснювальна записка до випускної роботи освітнього ступеня «магістр» на тему: «Побудова моделі «розумний» дім за допомогою Cisco Packet Tracer» Виконав студент 2 курсу, групи БІ-021 Спеціальність – 125 «Кібербезпека» Освітня програма – «Безпека інформаційних і телекомунікаційних систем» ЮРЧЕНКО Владислав Юрійович Керівник роботи ГАВРИШ Олександр Рецензент Черкаси 2023 ВСТУП Сучасні технології оточують нас усюди, створюючи якісно новий рівень життєвого комфорту, який людина намагалась створити протягом усієї історії. Ці технології дозволяють тепер створити розумний будинок, який буде певною системою для покращення рівня комфортності та безпеки. Інноваційні системи «розумного будинку» все інтенсивніше проникають у повсякденний побут, забезпечуючи додаткові затишок та безпеку, економію ресурсів та різноманітність дозвілля. Сьогодні, ці технології вже перестали сприйматися як «розкіш». А навпаки, сучасні будинки – це не просто поєднання гарного інтер’єру з багатофункціональними меблями. Це ще й місце взаємодії сучасних комунікаційних та інженерних систем, які потребують зручної та ефективної системи управління – системи «розумного будинку». «Розумний дім» - це будинок, який використовує недавно впроваджені технології Інтернету речей для автоматизації численних домашніх операцій, інтернет-з'єднаний комп'ютер IoE для віддаленого моніторингу та управління різними побутовими приладами, такими як освітлення, опалення, охолодження та сигналізація. У цій дипломній роботі, використовуючи програму симуляції Cisco Packet Tracer, я представив концепцію розумного будинку, оскільки він включає численні пристрої Інтернету речей, які використовуються для автоматизації дому. Дане середовище є відомим глобальним постачальником мережевих рішень, що має широкий асортимент продуктів для розбудови мережевої інфраструктури. Розробка мережі розумного будинку вимагає не лише технічних знань, але й розуміння потреб та вимог користувачів. В цій роботі буде звернуто увагу на функціональні можливості, що можуть бути реалізовані за допомогою мережі розумного будинку на базі обладнання Cisco. Очікується, що результати цієї дипломної роботи допоможуть удосконалити та розширити можливості мереж розумних будинків, сприяючи покращенню якості життя людей і забезпеченню комфорту, безпеки та енергоефективності. Крім того, отримані результати можуть бути корисними для виробників обладнання, розробників програмного забезпечення та інших зацікавлених сторін, що прагнуть розширити свої можливості в галузі розумних будинків. Мета дипломного проєкту - проектування мережі для індивідуального розумного житлового будинку, використовуючи можливості Cisco Packet Tracer. Об’єкт дослідження: процес розробки мережі «розумного будинку». Предметом досліджень є імітаційна модель цифрової мережі індивідуального розумного житлового будинку. Методи дослідження - використання інструментів Cisco Packet Tracer. РОЗДІЛ 1 РОЗУМНИЙ ДІМ ТА ТЕХНОЛОГІЯ «ІНТЕРНЕТ РЕЧЕЙ» 1.1 Поняття інтернет речей Інтернет речі (IoT) - це концепція, яка враховує розширену присутність в середовищі різних розумних об'єктів, які за допомогою бездротових та дротових з'єднань,унікальних адресних схем, що можуть взаємодіяти один з одним та співпрацювати з іншими розумними об'єктами чи, скажемо, розумними речами, щоб створювати нові застосування або послуги та досягати загальної мети. Інтернет речей призводить до технологічного розвитку в галузі ІКТ. З концептуальної точки зору Інтернет речей має три основні складові: здатність розумного об'єкта бути помітним, комунікувати та взаємодіяти один з одним та створення мереж різних взаємопов'язаних об'єктів. IoT буде ґрунтуватися на ідеї "розумних об'єктів" або "речей", які нададуть остаточний штрих існуючим сутностям в Інтернеті. Розумні об'єкти або "речі" повинні мати фізичні властивості та ознаки, такі як розмір, форма і т. д. Вони повинні мати відповідні комунікаційні функції, наприклад, можливість приймати вхідні повідомлення та відповідати на них. Сутності розумних об'єктів або "речей" повинні бути пов'язані з однією назвою та однією адресою. Назва повинна бути людиночитаною характеристикою об'єкта. Адреса повинна бути рядком для машинного читання і може використовуватися для взаємодії з різними об'єктами. Розумні об'єкти повинні мати можливість виконувати основні обчислення. Інтернет речей можна розглядати як високодинамічну систему мережі, яка складається з великої кількості розумних об'єктів або "речей", які виробляють та споживають інформацію з системного погляду або спостереження, а здатність інтерфейсувати з фізичною областю чи зоною досягається за допомогою пристроїв, які можуть відчувати фізичні явища і перетворювати їх у потік інформації або даних, а також за допомогою пристроїв, які можуть активувати дії, що мають вплив або зіткнення з фізичною зоною або областю. Інтернет речей (IoT) є новим революційним явищем в Інтернеті. Тут, у цій технології, різні фізичні розумні об'єкти або речі роблять себе автореконструкції, а інтелект отримано самостійно, увімкнувши контекст- пов'язані рішення. Вони можуть отримувати доступ до інформації, яка була агрегована іншими речами, або вони можуть бути компонентами складних послуг. Ми можемо сказати, з точки зору рівня послуг, що основна проблема полягає в тому, як інтегрувати або об'єднати функціональності та/або ресурси, які надаються розумними об'єктами в послуги. Визначення архітектур і методів "віртуалізації" об'єктів шляхом створення стандартизованого чи систематизованого представлення розумних об'єктів або "речей" в цифровому домені чи полі та методів безшовного поєднання та складання ресурсів або послуг розумних об'єктів або "речей" для кінцевих користувачів. Загалом, Інтернет речей (IoT) надає широкий спектр можливостей для виробників, компаній та різних галузей промисловості. В багатьох виробничих галузях (таких як: моніторинг навколишнього середовища, інвентаризація, управління продуктами тощо) технологія IoT буде мати велике застосування. IoT буде категоризовано значною гетерогенністю щодо пристроїв, що беруть участь у технологічній системі, і вони очікуються мати дуже різні можливості з обчислювальних та комунікаційних точок зору. На рівні масштабованості технології IoT виникають різні рівні. Це включає обмін даними та мережеві технології (або комп'ютерні мережі) - через дуже велику кількість взаємозв'язків серед великої кількості сутностей чи організацій. У Інтернеті речей (IoT) технологія бездротового зв'язку або системи відіграватимуть важливу роль, оскільки вони дають можливість розумним об'єктам або "Речам" бути в мережі. Універсальне припущення про бездротові системи зв'язку для обміну даними або інформацією створить різні проблеми щодо доступності частотного спектру і примусить в припущенні систем когнітивного радіо (розумної радіо-системи). Можливості бездротової системи зв'язку можуть забезпечувати та визначати операції Інтернету речей (IoT), а також буде можливо визначати місцезнаходження розумних об'єктів або "Речей" у фізичній області чи зоні. Важливо, щоб різні операції IoT витрати енергії, яка буде витрачена на бездротовий зв'язок та обчислювальну діяльність, була дуже невеликою. Найважливіше - техніки, пов'язані з збором енергії, тобто енергію слід ретельно обробляти при роботі з пристроями, які використовуються в технології IoT. Технологія IoT - це ніщо інше, як обмін інформацією від одного пристрою до іншого та аналіз великої кількості даних. Таким чином, для перетворення їх в дуже корисну інформацію та забезпечення взаємодії між двома або більше застосунками надзвичайно важливо забезпечити достатньо даних у визначених форматах та чітко визначених мовах. Безпека для системи або технології IoT повинна бути ключовою властивістю, і також її слід враховувати при архітектурному проектуванні. На вищезазначеній схемі перша визначення "Орієнтованість на речі" розглядає деякі прості елементи, такі як ідентифікація радіочастот (RFID). Інтернет речей відноситься до лабораторії Auto-ID, яка є всесвітньою мережею академічних дослідницьких лабораторій в галузі мережевих RFID та деяких нових технологій датчиків. У цій галузі основний акцент приділяється розробці електронного коду продукту (EPC) для підтримки широкого застосування ідентифікації радіочастот (RFID) в торгових центрах по всьому світу та покращення видимості об'єктів за допомогою цих стандартів. В технологічній галузі RFID займає провідне положення, а також широкий спектр пристроїв та технологій мереж розвиватиме Інтернет речей. У цьому сценарії є деякі основні або фундаментальні компоненти (такі як: ближньопольові зв'язки, відомі як NFC, бездротові мережі датчиків та пристроїв активаторів разом із RFID), які з'єднують реальний світ із сучасним цифровим світом. Визначення Інтернету речей знаходить втілення в так званих розумних предметах або об'єктах, і це автоматичні сенсори, обладнані не лише звичайними бездротовими системами чи технологіями, пам'яттю та можливостями, але й нового роду можливостями. В інтернеті речей (IoT) існує уява, викладена у заяві, яка виходить за межі підходу, орієнтованого на "RFID", і це було надано консорціумом CASAGRAS. Консорціум CASAGRAS пропонує базову уяву про IoT як глобальну інфраструктуру або дизайн, яка забезпечує зв'язок як з віртуальними, так і з різними фізичними колективними об'єктами та акцентує важливість включення існуючого або розвиваючого Інтернету та розвитку мережі в цій цінній уяві. У цьому відчутті IoT стане природнім архітектурним рішенням для впровадження різноманітних інтегрованих послуг та додатків. Аналогічний підхід до зменшення складності розподілу IP для досягнення протоколу, призначеного для маршрутизації "IP через будь-що", слідує інтернет-орієнтованим візіям, і також у деяких зустрічах зазначено, що найпростіший шлях - переходити від Інтернету пристроїв до Інтернету речей. Згідно інтернет-орієнтованого підходу, IoT буде реалізовано шляхом спрощення Інтернет-протоколу, щоб зробити його придатним для будь-якого об'єкта і також зробити ці об'єкти доступними та досяжними з будь-якого місця. Базова ідея "семантично-орієнтованої" візії полягає в тому, що кількість елементів або компонентів у майбутній системі Інтернету буде дуже великою. Деякі важливі аспекти, такі як збір інформації, взаємодія, пошук і комунікація за допомогою IoT, стануть складною задачею. Таким чином, у випадку семантично-орієнтованої уяви може відігравати дуже важливу роль в системах Інтернету речей. 1.2 Застосування ІоТ Технологія IoT використовується для широкого спектру застосувань, від домашнього використання, як-от домашня безпека, термостати та освітлювальні прилади, до промислового використання для виробництва, оборонних програм тощо. Ці різноманітні програми можна загалом розділити на комерційні, споживчі, промислові та інфраструктурні. Ось деякі поширені програми для технології IoT: • Споживчі програми - існує широкий спектр споживацьких застосувань IoT, включаючи підключені транспортні засоби, підключене здоров’я, домашню автоматизацію (наприклад, системи освітлення та гучномовців), носимі технології та прилади, які включають можливості віддаленого моніторингу, такі як віддалені дверні дзвінки з підтримкою відео. Багато з них також є частиною розумного будинку. • Програми «Розумний дім» - освітлення, опалення та кондиціонування повітря, а також системи медіа та безпеки є частиною дому з підтримкою Інтернету речей. Вони можуть забезпечити економію енергії шляхом відключення непотрібних пристроїв. Багато розумних будинків базуються на центральній платформі або хабі, який підключається до розумних пристроїв і приладів. Зазвичай ними керують зі смартфона, планшета чи іншого пристрою, іноді без Wi-Fi мосту. Ці системи можна підключити до автономних платформ, таких як Amazon Echo або Apple HomePod, або використовувати екосистему з відкритим кодом, як-от Home Assistant або OpenHAB. • Заявки на догляд - пристрої з підтримкою Інтернету також можуть надати неоціненну допомогу людям похилого віку та людям з обмеженими можливостями, забезпечуючи кращу якість життя. Наприклад, пристрої з голосовим керуванням можуть допомогти користувачам з обмеженнями зору або рухливості, а системи оповіщення можна підключити безпосередньо до кохлеарних імплантатів для користувачів з вадами слуху. Датчики також можуть відстежувати невідкладні медичні ситуації, наприклад падіння. • Застосування для медицини та охорони здоров'я - IoT можна використовувати для цілого ряду різних медичних цілей, включаючи збір і аналіз даних для досліджень і моніторингу пацієнтів. При використанні в таких умовах IoT називається « Інтернет медичних речей » (IoMT). IoMT, також відомий як «розумна охорона здоров’я», об’єднує ресурси та послуги для забезпечення оцифрованої системи охорони здоров’я, здатної контролювати стан здоров’я та системи екстреного сповіщення, включаючи монітори кров’яного тиску та серцевого ритму, кардіостимулятори та вдосконалені слухові апарати. Розглянувши це далі, деякі лікарні встановили «розумні ліжка», які можуть визначити, чи вони зайняті та чи намагається пацієнт встати. Ці ліжка також можна регулювати для забезпечення правильного тиску та автоматичної підтримки пацієнта. У меншому масштабі прогрес у виготовленні електроніки означає, що недорогі одноразові та портативні датчики IoMT можна розміщувати на папері чи тканині для забезпечення медичної діагностики в пунктах догляду. IoMT також можна використовувати для управління, контролю або запобігання хронічним захворюванням за допомогою дистанційного моніторингу. Використовуючи бездротові рішення, це дозволяє медичним працівникам отримувати дані пацієнтів і застосовувати алгоритми для аналізу даних про здоров’я. Інші програми охорони здоров’я включають споживчі пристрої, призначені для заохочення здоровішого способу життя, такі як підключені ваги або фітнес-монітори. Окрім закладів охорони здоров’я, IoMT зараз також використовується в індустрії медичного страхування, включаючи сенсорні рішення, такі як переносні пристрої, підключені пристрої для здоров’я та мобільні програми для відстеження поведінки клієнтів і надання більш точних моделей андеррайтингу та ціноутворення. • Транспортні програми - Інтернет речей має численні додатки для транспорту, наприклад, міжавтомобільний та внутрішньоавтомобільний зв’язок, інтелектуальне керування дорожнім рухом, інтелектуальне паркування, збір плати, логістика, управління автопарком, контроль транспортних засобів, безпека та допомога на дорозі. Поєднуючи транспортні засоби з транспортною інфраструктурою, Інтернет речей також може забезпечити зв’язок між транспортними засобами (V2X), зв’язок між транспортними засобами (V2V), зв’язок між транспортним засобом і інфраструктурою (V2I) і зв’язок між транспортним засобом і пішоходом (V2P). ). Ці комунікаційні системи IoT прокладають шлях для автономного водіння, підключених автомобілів і підключеної дорожньої інфраструктури. • Створення додатків - пристрої IoT можуть контролювати та контролювати аспекти різних типів будівель, включаючи механічні, електричні та електронні системи. Інтеграція Інтернету з будівлями створює розумні будівлі, які можуть допомогти зменшити споживання енергії та контролювати поведінку мешканців. • Промислове застосування - пристрої Industrial Iot (IIoT) дозволяють збирати й аналізувати дані з обладнання, технологій і місць розташування. ІІоТ також дозволяє автоматизовано оновлювати активи для підтримки ефективності та запобігання втраті часу та грошей на ремонт та інші ситуації. • Виробничі програми - IoT може підключати виробничі пристрої, щоб забезпечити мережевий контроль і керування для забезпечення розумних виробничих процесів. Ці системи дозволяють оптимізувати продукти, процеси та ланцюги поставок, а також реагувати на вимоги до продукції. IoT може допомогти забезпечити підвищену безпеку та надійність за допомогою прогнозного обслуговування, статистичної оцінки та вимірювань для максимального підвищення надійності. • Застосування в сільському господарстві - сільськогосподарські додатки IoT включають збір даних про погодні умови, вміст ґрунту чи зараження шкідниками. Ці дані можуть допомогти автоматизувати сільськогосподарську техніку, прийняти інформативні рішення, підвищити безпеку, зменшити відходи та підвищити ефективність. Використання штучного інтелекту та спеціальних комп’ютерних програм може покращити все, від догляду за ґрунтом до вирощування риби. • Інфраструктурні програми - IoT можна використовувати для моніторингу та контролю стійкої міської та сільської інфраструктури, включаючи мости, залізничні колії чи вітрові електростанції. Підтримуючи активи та мінімізуючи ризики, збір даних може дозволити контролювати структурні умови для підвищення безпеки та продуктивності, економії коштів, скорочення часу тощо. Аналітика в реальному часі може допомогти спланувати ремонт і технічне обслуговування. • Столичні заявки - за допомогою IoT можна керувати цілими містами, щоб створити розумне місто, яке пропонує низку переваг для мешканців. Ці переваги включають усе, починаючи від місця для паркування, моніторингу навколишнього середовища, управління дорожнім рухом, зменшення забруднення, системи безпеки, освітлення, цифрові вивіски, публічний Wi-Fi, безпаперовий продаж квитків, управління водними шляхами, розумні автобусні зупинки, розумні кіоски тощо. • Програми керування енергією - підключення до Інтернету може забезпечити керування споживанням енергії для ламп, побутової техніки, промислових активів тощо. Енергоспоживаючими пристроями можна керувати дистанційно, щоб економити енергію, коли вони не потрібні. Як побічний додаток, розумна мережа може збирати дані про використання енергії для підвищення ефективності та розподілу електроенергії. • Програми моніторингу навколишнього середовища - моніторинг якості повітря чи води — ще один спосіб, за допомогою якого датчики з підтримкою Інтернету речей можуть змінити наш світ. IoT дозволяє збирати дані про пересування дикої природи, стан ґрунту тощо. IoT також може стежити за стихійними лихами, такими як цунамі чи землетруси, допомагаючи спрощувати реагування на надзвичайні ситуації та обмежувати збитки. Це також включає проект «Океан речей», який збирає, відстежує та аналізує навколишнє середовище та діяльність суден у морях. • Військове застосування - застосування технологій IoT у військових цілях створило Інтернет військових речей (IoMT). Програми в цій галузі включають розвідку, спостереження тощо для передачі даних з поля бою. Це може включати використання датчиків, боєприпасів, транспортних засобів, роботів і переносних технологій для створення об’єднаної та ефективної обробки даних армії. 1.3 Безпека Інтернету речей Безпека є справжньою проблемою для IoT, оскільки недоліки в програмному забезпеченні роблять набори даних і системи вразливими, що змушує багатьох замислюватися, чи захищені їхні дані та де вони зберігаються. Хакери можуть напряму атакувати смарт-пристрої через вроджену відсутність безпеки в багатьох із них. Веб-камери є хорошим прикладом пристроїв, які мають нестандартні заходи безпеки, залишаючи їх доступними для використання хакерами. Уряди намагаються вирішити ці проблеми за допомогою інструкцій для пристроїв IoT, рекомендуючи шифрування, захист паролем і регулярні оновлення безпеки. Проблеми з безпекою продовжуватимуть зростати, оскільки ринок пристроїв Інтернету речей зростатиме, і галузь викликає занепокоєння. Промислове шпигунство або зловмисна хакерська атака на критично важливу інфраструктуру створює реальні ризики. Ці ризики очевидні, якщо застосувати їх до наслідків у реальному світі, наприклад, якщо хтось зможе віддалено взяти під контроль безпілотний автомобіль. Підключення між пристроями IoT означає, що хакери можуть використовувати лише одну вразливу область, щоб отримати доступ до даних, включаючи особисту інформацію, таку як імена, адреси, контактні дані тощо. Ці особисті дані також можуть бути видобуті та продані недобросовісними компаніями, які виробляють і розповсюджують споживчі пристрої Iot. Щоб запобігти таким атакам, важливо переконатися, що пристрої регулярно оновлюються найновішими системами безпеки. 1.4 Переваги та недоліки Інтернет речей пропонує промисловості кілька переваг, зокрема: • Можливість моніторингу та забезпечення безперебійної роботи процесів. • Покращена автоматизація процесів, що зменшує кількість помилок, збоїв і потреби втручання людини. • Економія часу та коштів завдяки підвищенню ефективності та обміну даними між пристроями. • Підвищує загальну продуктивність, у тому числі працівників. • Дозволяє покращити процес прийняття бізнес-рішень. • Збір та інтеграція наборів даних із багатьох джерел для покращення, бізнес-моделювання та аналізу. Однак у IoT є деякі недоліки, які необхідно враховувати, зокрема щодо безпеки: • Збільшення кількості підключених пристроїв створює більше шляхів для проникнення хакерів у мережу та викрадення конфіденційної інформації • Підключені пристрої можуть пошкодити один одного, якщо в системі з’явиться помилка • Більше пристроїв IoT означає, що створюється більше даних, що призводить до потреби в більшому (і, можливо, непотрібному) управлінні даними • Без стандарту для пристроїв IoT існує ризик проблем із сумісністю між пристроями різних виробників. 1.5 Поняття розомнуго будинку і принципи його роботи Розумний дім означає зручну домашню установку, де приладами та пристроями можна автоматично дистанційно керувати з будь-якого місця, де є підключення до Інтернету, за допомогою мобільного або іншого мережевого пристрою. Пристрої в розумному домі з’єднані між собою через Інтернет, що дозволяє користувачеві дистанційно контролювати такі функції, як охоронний доступ до дому, температура, освітлення та домашній кінотеатр. Пристрої розумного дому з’єднані один з одним і доступ до них можливий через одну центральну точку — смартфон , планшет, ноутбук або ігрову приставку. За допомогою однієї системи домашньої автоматизації можна керувати дверними замками, телевізорами, термостатами, домашніми моніторами, камерами, освітленням і навіть такими приладами, як холодильник. Система встановлюється на мобільному або іншому мережевому пристрої, і користувач може створювати часові розклади для вступу в силу певних змін. Розумна побутова техніка має навички самонавчання, щоб вони могли вивчати розклад власника будинку та вносити корективи за потреби. Розумні будинки з керуванням освітленням дозволяють власникам будинків зменшити використання електроенергії та отримати вигоду від економії витрат на енергію. Деякі системи домашньої автоматизації сповіщають власника будинку про виявлення будь-якого руху в будинку, коли його немає, а інші можуть викликати владу — поліцію чи пожежну частину — у разі неминучої ситуації. Після підключення такі служби, як розумний дверний дзвінок, розумна система безпеки та розумна техніка, стають частиною технології Інтернету речей (IoT), мережі фізичних об’єктів, які можуть збирати та обмінюватися електронною інформацією. 1.6 Системи розумного дому Розумні будинки можуть містити бездротові або дротові системи або обидві. Бездротові системи легше встановити. Встановлення бездротової системи домашньої автоматизації з такими функціями, як розумне освітлення, клімат-контроль і безпека, може коштувати кілька тисяч доларів, що робить її дуже економічною. Недоліком бездротових систем є те, що вам, швидше за все, потрібне надійне покриття Wi-Fi і широкосмугове з’єднання по всьому будинку. Це може вимагати інвестування в розширювачі діапазону або жорсткі бездротові точки доступу. Бездротові системи розумного дому, як правило, більш підходять для невеликих існуючих будинків або орендованих приміщень через їх менший розмір. Жорсткі системи, з іншого боку, вважаються більш надійними, і зазвичай їх складніше зламати. Провідна система може збільшити вартість будинку при перепродажі. Крім того, жорсткі системи розумного дому можна легко масштабувати; тому це часто є методом за замовчуванням при проектуванні новобудови або виконанні капітального ремонту. Є недолік - це досить дорого. Встановлення розкішної та жорстко підключеної розумної системи може коштувати домовласникам десятки тисяч доларів. Крім того, у вас має бути місце для мережевого обладнання, включаючи кабелі Ethernet. 1.7 Переваги та недоліки розумних будинків Встановлення технологічної системи «розумний дім» забезпечує власникам житла зручність. Замість того, щоб керувати приладами, термостатами, освітленням та іншими функціями за допомогою різних пристроїв, домовласники можуть керувати ними всіма за допомогою одного пристрою — зазвичай смартфона або планшета. Оскільки вони підключені до портативного пристрою, користувачі можуть отримувати сповіщення та оновлення щодо проблем у своїх домівках. Наприклад, розумні дверні дзвінки дозволяють власникам будинків бачити та спілкуватися з людьми, які підходять до їхніх дверей, навіть коли вони не вдома. Користувачі також можуть встановлювати та контролювати внутрішню температуру, освітлення та прилади. Зважаючи на витрати на встановлення інтелектуальної системи, власники будинків можуть отримати вигоду від значної економії. Прилади та електроніку можна використовувати ефективніше, зменшуючи витрати на електроенергію. Незважаючи на те, що «розумний дім» пропонує зручність і економію коштів, все ще існують проблеми. Ризики безпеки та помилки продовжують мучити виробників і користувачів технології. Досвідчені хакери, наприклад, можуть отримати доступ до пристроїв розумного дому, які підтримують доступ до Інтернету. У жовтні 2016 року ботнет під назвою Mirai проник у взаємозв’язані пристрої відеореєстраторів, камер і маршрутизаторів, щоб вивести з ладу безліч великих веб-сайтів за допомогою атаки на відмову в обслуговуванні, також відомої як DDoS-атака. Заходи для зменшення ризиків таких атак включають захист інтелектуальних пристроїв і пристроїв за допомогою надійного пароля, використання шифрування, якщо воно доступне, і підключення до мережі лише надійних пристроїв. Як зазначалося вище, витрати на встановлення інтелектуальної технології можуть варіюватися від кількох тисяч доларів для бездротової системи до десятків тисяч доларів для жорсткої системи. Це висока ціна, особливо тому, що кожному члену сім’ї може знадобитися крутий період навчання, щоб звикнути до системи. РОЗДІЛ 2 2.1 Можливості моделювання розумного будинку в Cisco Packet Tracer Разом із стандартними функціональностями мережі, у версії 7.0.0 Cisco Packet Tracer отримав важливе оновлення з компонентами Інтернету речей. На рисунку 2.1 можна побачити, як, наприклад, виглядають різні роутери, які пропонує Cisco Packet Tracer. Основна різниця при розміщенні пристрою в симуляціях полягає в можливих обмеженнях обладнання, які супроводжують пристрої, у термінах кількості доступних портів, опцій зміни мережевих інтерфейсів, кількості слотів для розширень тощо. Також в інструменті доступний обширний список комутаторів, серверів, ПК та ноутбуків. Рисунок 2.1 - Список маршрутизаторів у Cisco Packet Tracer У спеціальних випадках також використовувалася симуляція Інтернет-підключення. Це підключення мало на меті симулювати звичайне підключення постачальника Інтернет-послуг (ISP), надаючи власнику дому можливість віддалено підключатися до власної домашньої мережі зовнішньої мережі, такої як корпоративний офіс або мережа мобільного зв'язку. Для забезпечення функціонування мережі були необхідні додаткові компоненти, такі як стійка мобільного зв'язку та сервери бекенду. Використання мобільної мережі надає більше гнучкості при підключенні пристроїв ІоТ до мережі. Оскільки налаштування є дуже простим і не має обмежень, таких як діапазон і кількість підключених пристроїв, що присутні в реальних WLAN. Після розміщення мережевого пристрою в симуляції наступним кроком є його налаштування. Cisco Packet Tracer пропонував дві опції: налаштування пристрою через графічний інтерфейс користувача або через інтерфейс командного рядка (CLI). При використанні методу CLI потрібно було використовувати конкретні команди Cisco, і застосовувалася реальна логіка пристрою. Налаштовувати через графічний інтерфейс було більш інтуїтивно, не вимагало знань команд Cisco, але обмежувало кількість параметрів, які можна було встановити. Залежно від різних налаштувань використовувалися різні типи кабелів для підключення мережевих пристроїв, такі як мідні прямі кабелі, мідні кросовер-кабелі та оптичні кабелі FastEthernet. Також в прикладі з мікроконтролером використовувалися власні кабелі ІоТ. Як видно на нижче наведеному малюнку, Cisco Packet Tracer пропонує кілька варіантів кабелювання, проте важливою функцією є опція автоматичного кабелювання (Рисунок 2.2). Обираючи цю опцію, інструмент автоматично вибирав правильний кабель для підключення двох мережевих інтерфейсів. З навчальною метою цю опцію також можна було вимкнути. Рисунок 2.2 - Список доступних кабелів у Cisco Packet Tracer Ще однією важливою функцією в інструменті Cisco Packet Tracer є можливість фізичного розділення мережі на підрівні, такі як місто, будівля, контейнери та кабінети з'єднань. З основного вигляду інструменту можна швидко перемикатися між логічним та фізичним рівнями, як це показано на рисунках 2.3 і 2.4. Рисунок 2.3 – Логічний рівень Рисунок 2.4 – Фізичний рівень При створенні мережевих симуляцій у логічному вигляді за замовчуванням всі компоненти розташовані в одному фізичному просторі. Для базової симуляції це, можливо, не є деталлю, яку слід враховувати. Однак для симуляцій Інтернету речей (IoT) рекомендовано використовувати різні фізичні рівні, щоб мати можливість налаштовувати змінні середовища для впливу на поведінку пристроїв IoT. На наведеному рисунку 2.5 показано фізичний рівень, де використовувалися п'ять різних контейнерів для фізичного розділення різних мереж. Рисунок 2.5 – Приклад фізичного вигляду Фізичне розділення допомагає фізично поділити мережу на кілька під- областей, вводячи більш реалістичний аспект, такий як потреба в корпусних з'єднаннях, обмеження довжини фізичного проводу, обмеження покриття WLAN та необхідність налаштовування власних змінних середовища. Кожен фізичний під-рівень, за винятком шаф для проводки, поставляється з великим набором повністю налаштовуваних змінних середовища. Змінні - це налаштовувані параметри для відтворення реальних середовищ, таких як кількість сонячного світла, концентрація діоксиду вуглецю в повітрі, сила гравітації, швидкість вітру та багато іншого. У Cisco Packet Tracer існує понад п'ятдесят різних змінних, які студенти можуть налаштовувати відповідно до 24-годинного часового діапазону. На рисунку 2.6 можна побачити налаштування кількості сонячного світла та опадів. Змінні необхідні для впливу на поведінку сенсорів в симуляціях Інтернету речей. Вони фактично виявляються сенсором, і в результаті цього викликаються подальші дії. Налаштовуючи змінні, студенти також отримують допомогу в моментальній перевірці правильності налаштування логіки Інтернету речей. Рисунок 2.6 – Приклад налаштування середовища Фізичні рівні та мережеві компоненти присутні в Cisco Packet Tracer протягом багатьох років; реальним додатком, який робить інструмент здатним симулювати середовища Інтернету речей, було введення пристроїв Інтернету речей. Основні категорії: інтелектуальні пристрої, сенсори, виконавчі пристрої та мікроконтролери. На наведеному рисунку є приклад списку інтелектуальних пристроїв для додавання до симуляцій Інтернету речей. Рисунок 2.7 – Список розумних пристроїв Інтелектуальні пристрої - це пристрої, які повністю можуть бути підключені до провідної або бездротової мережі, і де логіка поведінки та взаємодії може бути швидко налаштована за допомогою завантажених програм на мові Python. До цих сенсорів входять інтелектуальні лампи, кондиціонери, кавоварки, сигналізаційні сирени, считувачі RFID та довгий перелік інших сенсорів, таких як діоксид вуглецю, вологість, температура, рівень води і так далі. Ці пристрої зазвичай є типу "plug-and-play", і їх просто потрібно підключити до місцевої локальної мережі (LAN). У деяких випадках, якщо потрібна бездротова LAN, фізична конфігурація мережі вимагала переважно обміну мережевого інтерфейсу LAN на картку WLAN. Після підключення до мережі пристрої повинні були віддалено підключитися до сервера Інтернету речей. Створення підключення IoT включало можливість для користувачів перевіряти стан пристроїв Інтернету речей з домашньої сторінки веб-браузера IoT. Як показано на рисунку 2.8, з планшета вдома, також підключеного до локальної WLAN, було можливо за допомогою браузера підключитися до спеціалізованої домашньої сторінки IoT для моніторингу списку всіх підключених пристроїв Інтернету речей. Рисунок 2.8 – Приклад домашньої сторінки IoT При доступі до списку пристроїв була також можливість візуалізувати їх стан, а також взаємодіяти з пристроєм віддалено. Наприклад, можна увімкнути світло в саду або перевірити залишкову потужність акумулятора Інтернету речей (IoT). Крім того, будучи підключеним до основної сторінки Інтернету речей, також була можливість налаштувати базову логіку Інтернету речей для створення взаємодії між пристроями. Як показано на рисунку 2.9, датчик вологості був підключений до домашнього кондиціонера, який запускав кондиціювання повітря у випадку, якщо вологість перевищує позначку в п'ятдесят відсотків. Рисунок 2.9 - Приклад встановлених умов Cisco Packet Tracer також надав можливість використовувати інші несмарт-пристрої, такі як актуатори. Цей тип компонентів вимагав додаткових дій для підключенняі експлуатації, але незважаючи на додаткову складність, вони пропонували більш реалістичний рівень моделювання та гнучкість при налаштуванні вправ. Несмарт-компоненти, як правило, не мали можливості мережевого з'єднання, якщо не були налаштовані інакше, і потребували підключення до мікроконтролера через спеціальний кабель Інтернету речей. У Cisco Packet Tracer мікроконтролер моделював пристрої Arduino або Raspberry Pi, які, базуючись на власному програмному забезпеченні, приймали вхід від деякого пристрою, головним чином сенсорів введення, та виробляли вихід, головним чином виконуючи актуатори. Для створення цих моделювань потрібні базові навички програмування на Java, Python або Blocky. Створення сценаріїв на Java або Python дозволяло повністю керувати всіма сенсорами та актуаторами. Використання мови Blockly допомагає менш вправним програмістам візуально створювати логіку програмування. Всі програми для чотирьох вправ Інтернету речей були створені з використанням Blockly, що дозволило всім студентам зрозуміти логіку за їхнім створенням. Перед програмуванням сенсора або актуатора слід розібратися у технічних характеристиках пристрою. Короткий опис того, як пристрій поводиться, можна знайти во вкладці "специфікація" при розміщенні сенсора в логічному вікні інструменту. Специфікація включала всю необхідну інформацію щодо того, як пристрій працює, які є різні стани, який тип введення очікується від пристрою чи вивід, який може згенерувати компонент. Для більш складних пристроїв також надавався приклад команди API (рисунок 2.10). Рисунок 2.10 - Приклад специфікації Рисунок 2.9 вище ілюструє, на прикладі, поведінку простої розумної лампи. Лампу можна безпосередньо керувати, натисканням ALT на клавіатурі та клацанням по ній. Лампа також може бути підключена до мікроконтролера, і для її управління потрібна команда customWrite на вивідний пін. Лампа також має три стани: вимкнено, приглушено та увімкнено. Таким чином, попередня команда customWrite повинна також містити змінну для визначення стану. Cisco Packet Tracer надавав для кожного пристрою дуже корисну та повну вкладку специфікацій. Ще однією дуже важливою функцією Cisco Packet Tracer, варто відзначити, була можливість перемикання з реального режиму на режим симуляції. Перший режим дозволяв створювати мережу в основі, підключати пристрої IoT та визначати логіку IoT ззаду. Проте лише у режимі симуляції було дійсно можливо перевірити, що мережевий рівень зв'язку дійсно відбувався між пристроями. У режимі симуляції фактично можна було симулювати потік пакетів між вузлами та пристроями для перевірки з'єднаності, протоколів маршрутизації та іншої логіки мережі. Цей режим допомагав візуально уявити та усунути неполадки будь-якої мережі, наприклад, налаштовуючи пінги чи більш складні пакети між вузлами. Режим симуляції також в реальному часі перелічував різноманітні пакети, які транслювалися в мережі, дозволяючи глибше вдаватися в навантаження мережевого пакету. РОЗДІЛ 3 СТВОРЕННЯ МОДЕЛІ РОЗУМНОГО БУДИНКУ В CISCO PACKET TRACER 3.1 Проектування розумногу будинку Перед початком роботи протрібна схема будинку, щоб розмістити прилади на їх логічних і остаточних місцях. Тому здійснено завантаження схеми майбутньої оселі. На схемі будинку розміщено усі прилади IoT, які утворюють необхідну інтелектуальну мережу всередині дому (рисунок 3.1), а саме: Fire Monitor, Fire Sprinkler, Webcam, Motion Detector, Light, Air Conditioner, Termostat, Furnace, Door, RFID Reader, DLC 100, Battery, Siren, Smoke Detector, MCU-PT, Solar Panel, Window, Lawn Sprinkler, Temperature Monitor (Рисунок 3.1). Рисунок 3.1 - Датчики та пристрої всередині «Розумного будинку» Для кращого сприйнятя моделі розумного будинку необхідно змоделювати зразок інтернет мережі (Рисунок 3.2). Рисунок 3.2 - Модель інтернет мережі Налаштування контролера до якого будуть підключатися всі інші пристрої по бездротовому зв'язку зображено на рисунку 3.3 і 3.4. Рисунок 3.3 – Налаштування підключення до інтернет мережі Рисунок 3.4 – Налаштування бездротового зв'язку Після цьго необхідно підключити всі прилади до WLAN (Рисунок 3.5). І в залежності від необхідності підключити пристрій для управління або домашнім контролером(Рисунок 3.6), або IoT-сервером (Рисунок 3.7) Рисунок 3.5 – підключення до WLAN Рисунок 3.6 – Підключення до IoT-сервера Рисунок 3.7 – Підключення до управління з домашнього пристрою Після всіх налаштувань модель розумного будинку має наступний вигляд (Рисунок 3.8): Рисунок 3.8 – Модель розумного будинку після налаштувань 3.2 Налаштування взаємодії приладів Тепер, коли всі прилади підключане необхідно налаштувати їх взаємодію. Спочатку налаштуємо управління з домашнього контролера. Для цього необхідно вибрати Smarphone PT який підключений до DLC 100. Натиснути вкладку «Desktop» і вибрати опцію «Web Browser». В пошукову строку вводимо 192.168.25.1, логін і пароль – admin. Результати зображені на Рисунку 3.9. Рисунку 3.9 – Владка Home домашньго контролера Для налаштування взаємодії пристроїв необхідно вибрати вкладку «Conditions» і задати правила їх роботи. Результати зображені на Рисунку 3.10. Рисунку 3.10 – Список заданих правил Для доступу до IoT-сервера необхіднно ввести адресу - www.smarthome.com, логін - home1, пароль - 8#;gz4tD2T. Підключені пристрої зображено на рисунку 3.11, задані правила роботи показано на рисунку 3.12. Рисунку 3.11 – Список підключених пристроїв IoT-сервера Рисунку 3.12 – Список заданих правил IoT-сервера Для забезпечення пожежо гасіння була використана плата MCU-PT. До плати було підключено Fire Monitor, Fire Sprinkler (Рисунок 3.13) для взаємодії пристроїв було написано програмний код на мові Pyton. Рисунок 3.13 – Частина системи пожежогасіння 3.3 Тестування роботи розумного будинку Модель розумного будинку можна розділити на наступні системи: • Система пожежогасіння • Охоронна система • Система опалення • Система автополиву • Система освітлення • Джерело автономного живлення Система пожежогасіння складаеться з наступних елементів Fire Monitor, Fire Sprinkler, Siren, Smoke Detector, MCU-PT, Window. РеЗультат роботи зображений на рисунку 3.14 Рисунок 3.14 – Частина системи пожежогасіння Система охорони складається з наступних приладів: Motion Detector, Webcam, Light, Door, RFID Reader. При спрацюванні датчика руху вмикається камера, відео з камери можна переглянути з будьякого пристрою ввійшовши в персональний кабінет IoT-сервера(Рисунок 3.15). Двері відчиняються після зчитування RFID картки (Рисунок 3.16). Рисунок 3.15 – Робота Web-камери Рисунок 3.16 – Робота вхідних дверей Система охорони складається з наступних приладів: Air Conditioner, Termostat, Furnace. Термостат працює в автоматичному режимі і в залежності від температури вмикає або кондиціонер, або опалення (Рисунок 3.17). Рисунок 3.17 – Робота системи опалення Система автополиву складається з наступних елементів: Lawn Sprinkler, Temperature Monitor. Роботу системи продемонстровано на рисунку 3.18. Рисунок 3.18 – Робота системи автополиву Система освітлення складається за наступних пристроїв: Motion Detector, Light. Роботу системи продемонстровано на рисунку 3.19. Рисунок 3.19 – Робота системи освітлення ВИСНОВКИ Проаналізувавши концепцію технології IoT та поняття «Розумного будинку» можна зробити висновок, що Інтернет речей все частіше використовується для домашнього застосування. У ході дипломної роботи було отримано модель робочої інтелектуальної домашньої мережі «Розумний будинок» у симуляторі Cisco Packet Tracer. Для проектування системи було використано бездротовий та дротовий зв’язок. Всі з’єднані пристрої доступні для керування та моніторингу через веб-інтерфейс кінцевих пристроїв. Також налаштована внутрішня мережа Wi-Fi та стільниковий зв’язок для смартфону. Реалізована можливість реєструвати нових користувачів в системі «розумного будинку» та конфігурувати нові правила взаємодії пристроїв віддалено, або безпосередньо знаходячись у будинку. Наразі інтелектуальна система підтримує функції пожежогасіння, альтернативне джерело живлення, контроль температури у приміщенні, автоматичний полив газону на подвір’ї, «смарт-кавоварку», «смарт-джерело світла» та систему безпеки будинку з використанням веб-камери, «смарт- дверей» та детектору руху. Прилади у системі взаємодіють не лише один з одним, а й з параметрами навколишнього середовища. Розроблена система показала високі результати при перевірці, що означає легкість у моделюванні та точність взаємодії приладів та датчиків у Cisco Packet Tracer. Власник такої системи отримує зручне і наочне управління, чітку взаємодію всіх інженерних систем та автоматичну адаптацію під господаря. Розроблена система є основою, здатною приймати трансформації та модернізації, щоб задовольнити сучасним потребам власника. Система має перспективу комерційної реалізації як бізнес-проекту, для отримання прибутку. СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 1. Dickson B. How to prevent your IoT devices from being forced into botnet bondage [Електронний ресурс] / Dickson. – 2015. – Режим доступу до ресурсу: https://techcrunch.com/2016/08/16/how-to-prevent-your-iot-devices- from-beingforced-into-botnet-slavery/. 2. Cisco Networking Academy. Introduction to IoT [Електронний ресурс] / Cisco. – 2020. – Режим доступу до ресурсу: https://1331758.netacad.com/courses/1012514 3. Smart Home Statistics [Електронний ресурс] / Jaleesa Bustamante – 2020. – Режим доступу до ресурсу: https://ipropertymanagement.com/research/iot-statistics 4. Євтух Б.В. «Система управління розумним домом. Підсистема забезпечення безпеки», [Електронний ресурс] /Євтух. – 2015. – Режим доступу до ресурсу: http://cad.kpi.ua/attachments/093_2015 _%D0%B5%D0%B2%D1%82%D1%83%D1%85.pdf 5. Smart Home [Електронний ресурс] / James Chen – 2020. – Режим доступу до ресурсу: https://www.іnvestopedіа.com/terms/s/smаrt-home.аsp 6. Fortune Business Insights [Електронний ресурс]. – 2019. – Режим доступу до ресурсу: https://www.fortunebusinessinsights.com/industry- reports/internet-of-things-iot-market-100307 7. Протоколы умного дома: новейшие технологии для комфортной жизни [Електронний ресурс] – 2017 – Режим доступу до ресурсу: https://techhouse.su/protokoly-umnogo-domа-novejshіe-texnologіі-dlyа- komfortnojzhіznі/) 8. Internet of Things In Smart Home [Електронний ресурс] – 2019 – Режим доступу до ресурсу: https://scand.com/company/blog/internet-of-things- in-smart-home/ 9. Old versions of Cisco Packet Tracer - V7.1, v7.0, v6.3, v6.2 [Електронний ресурс]. – 2020 – Режим доступу до ресурсу: https://www.geekdashboard.com/cisco-packet-tracer-download/ 53 10. Конфігурація системи розумний дім [Електронний ресурс]. – Режим доступу до ресурсу: http://amperasmart.ru/article/ 11. Al-Qutayri, Mahmoud & Jeedella. Integrated Wireless Technologies for Smart Homes Applications [Електронний ресурс]. – 2010. – Режим доступу до ресурсу:https://www.researchgate.net/publication/221907506_Integrated_Wireless _Technologies_for_Smart_Homes_Applications 12. Andrea Finardi. IoT simulations with Cisco Packet Tracer [Електронний ресурс]. – 2017. – Режим доступу до ресурсу: https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/150158/Andrea%20Finardi%20%2 0Master%20of%20Engineering%20%20Information%20technology.pdf?sequence =1&isAllowed=y 13. Розумний будинок — з чого він складається та чи потрібен вам [Електронний ресурс]. – 2018. – Режим доступу до ресурсу: https://nachasi.com/2018/06/25/smart-house-faq/ 14. Как команда Ajax Systems создает охранные системы в Украине. И продала уже 1 млн устройств [Електронний ресурс]. – 2019. – Режим доступу до ресурсу: https://ain.ua/2019/01/09/kak-rabotaet-ajax/ 15. Украинский стартап Ecoisme закрывается [Електронний ресурс]. – 2019. – Режим доступу до ресурсу: https://ain.ua/2019/06/26/ecoisme- zakryvaetsya/ 16. Львівський стартап uMuni працює над системою енергозбереження, яка економить до 15% [Електронний ресурс]. – 2015. – Режим доступу до ресурсу: https://ain.ua/2015/10/29/lvovskij-startap-umuni- rabotaet-nad-sistemoj-energosberezheniya-kotoraya-ekonomit-do-15/ 17. What is CLAP? Why is CLAP? / Official CLAP Company web-site [Електронний ресурс]. – 2020. – Режим доступу до ресурсу: https://clap.ua/en 18. 50 человек в команде и производство в Виннице. Как стартап CLAP создает в Украине отечественную систему «умного дома» / Вера Черныш. [Електронний ресурс]. – 2018. – Режим доступу до ресурсу: 54 https://mc.today/50-chelovek-v-komande-i-proizvodstvo-v-vinnitse-kak-startap- clap-sozdaet-v-ukraine-otechestvennuyu-sistemu-umnogo-doma/ 19. Як працює система «розумного будинку» CLAP, яку встановлять у 20 тис. Квартир "Укрбуду" [Електронний ресурс]. – 2018. – Режим доступу до ресурсу: http://abcnews.com.ua/ru/markets/kak-rabotaet-sistema-umnogo- doma-clap-kotoruiu-ustanoviat-v-20-tys-kvartir-ukrbuda 20. Andrea Finardi. IoT simulations with Cisco Packet Tracer [Електронний ресурс]. – 2017. – Режим доступу до ресурсу: https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/150158/Andrea%20Finardi%20%2 0Master%20of%20Engineering%20%20Information%20technology.pdf?sequence =1&isAllowed=y