ИПЛИТ РАН и Лаборатория интеллектуальных исследований «ЛИНТЕХ» разрабатывают технологию распределенных сенсорных сетей (РСС). О том, насколько реально нашей стране совершить беспрецедентный по своим масштабам рывок в развитии индустрии РСС, рассказывает генеральный директор ООО «ЛИНТЕХ» Юрий Аурениус.

К сожалению, есть стратегически важные отрасли технологического прогресса, в которых Россия в периоды перестройки, хаоса 90-х и становления политической стабильности начала XXI века безнадежно отстала от Запада и стремительно набирающих потенциал азиатских тигров.

Среди таких областей науки микроэлектроника, техническая кибернетика, робототехника и многие другие сферы, являющиеся основой перехода экономики стран на индустрию 5-го технологического порядка. Особенно можно выделить развитие технологий телекоммуникаций и связи, от которых наиболее остро зависит эффективность управления и качество контроля над важнейшими объектами производства, а также всем комплексом т.н. народного хозяйства.

Стоит признать, что стандарты Wi-Fi и Bluetooth, которые мы воспринимаем как передовые и наиболее эффективные средства коммуникаций, далеко не самые современные и надежные. Все больше в массовое практическое применение в мире внедряются распределенные сенсорные сети (РСС), готовые работать как «умная пыль» – самостоятельно организовываться в единую интеллектуальную сеть и контролировать по тысячам целевых параметров квартиры, жилые дома, целые города и даже континенты.

Они в десятки раз надежнее существующих беспроводных сетей, позволяют формировать системы автоматического решения огромного комплекса жизненно важных задач практически без вмешательства человека. Восполнить этот техногенный пробел и втолкнуть Россию в последний вагон уходящего поезда передовых инноваций в области беспроводных телекоммуникаций сегодня шансы еще есть.

Наиболее перспективным проектом по разработке отечественных чипов стандарта ZigBee и программного обеспечения для их активного применения в различных областях можно назвать команду Института лазерных и информационных технологий РАН (г. Шатура ) и Лаборатории интеллектуальных исследований «ЛИНТЕХ». О том, насколько реально нашей стране совершить беспрецедентный по своим масштабам рывок в развитии индустрии РСС, рассказывает генеральный директор ООО «ЛИНТЕХ» Юрий Аурениус.

─ Юрий, расскажите, как говорится на пальцах, в чем же состоит особенность этой технологии? Сенсорные сети – звучит как-то научно-фантастически…

─ Лучше бы Вам рассказал наш технический директор Игорь Воронин, он один из ведущих в России специалистов в области РСС. Особенностей и преимуществ у сенсорных сетей множество. Основные, пожалуй, две – произвольно расположенные модули сенсорной сети мгновенно самостоятельно организуются в единую сеть. И вторая – то, что Wi-Fi и Bluetooth строятся по технологии «звезда» – это когда одна точка раздает всем сетевые настройки и к ней прицепляются другие «дочерние» устройства, а сеть по стандарту ZigBee способна стать смешанной сетью, которая сама формируется в структуру со случайными связями. Сенсорная сеть – это MESH. Визуально она представляет собой не звезду ( «точка- многоточка») , а рыболовную сеть – т.е. каждый элемент такой сети взаимодействует с множеством соседних элементов, образуя необходимое соединение. Это и обеспечивает в разы большую надежность передачи данных. Чем больше в ней участников – тем больше надежность передачи данных. Сеть может потерять до 40% активных устройств, сохранив свой основной функционал. Область применения практически не ограниченна – от распространенных бытовых приборов до серьезных систем мониторинга и жизнеобеспечения.

Но соединить модули одного стандарта в одну сеть – не самая сложная задача . Это происходит автоматически. А вот далее, к каждой такой сети предъявляются разные требования – одним требуется часто передавать данные из точек к центру, другим – один раз каждый час, третьим гарантировано передавать данные с заданной длительностью, у четвертых может быть задача один раз в год во время пожара включиться и передать данные, а все остальное время «спать» – там должна быть максимальная работоспособность сети без замены батарей. Разные задачи решаются разными требованиями к сети. Отсюда возникают разные протоколы и алгоритмы взаимодействия компонентов сети  – как всем датчикам одновременно «проснуться», передать информацию и потом опять заснуть, чтобы не тратить драгоценную в этом случае энергию. Или, наоборот, – по какой схеме им надо включаться и засыпать, чтобы гарантированно собрать и пере-дать данные на центральный узел сбора и обработки данных.

Сеть состоит из узлов – т.н. мотов. Каждый узел это программно-аппаратное устройство, представляющее из себя приемопередатчик, главный чип (микропроцессор), который обрабатывает команды, современный блок автономного питания и какой-то сенсор. Если Вы не знаете, сенсор, по-русски, – датчик. К каждому такому моту можно подключить несколько различных датчиков. Чем больше датчиков прицепляем к одному узлу, то тем больше различных параметров мы можем замерять, но при этом и расход энергии батарей увеличивается. Датчики, как правило, используются стандартные. Это замеры температуры, давления, влажности, освещенности, вибрации, шума, положения в пространстве (инклинометры), количества оборотов (энкодеры), радиации, угарного газа (CO/CH). Кроме датчиков можно устанавливать и управляемые исполнительные устройства. Тогда каждый узел сети начинает работать уже как «умный дом» – собирает необходимую информацию и передает ее для обработки, затем получает сигнал управления «из центра » и выдает его для отработки исполнительному устройству. И никаких проводов и сомнений в надежности системы.

Сенсоры могут также быть специально разработанные. Но в этом случае стоимость узла резко вырастает. Как правило, для построения сети используют десятки узлов, датчики стараются использовать стандартные. Они дешевле за счет массового производства, ремонтопригодны или быстро заменяемы – главное, чтобы удовлетворяли требуемым параметрам. В сети есть координаторы  – более «умные» моты, которые выполняют основные функции синхронизации сети, при включении они опрашивают все доступные устройства и выстраивают по ним сеть. Есть промежуточные узлы – ретрансляторы, или роутеры. И третий уровень – это конечные устройства. К ним-то как раз сенсоры и прицепляют. Через ретрансляторы выстраивается сеть, по которой передаются пакетами собранные данные и они все стекаются в единую точку сбора. Расстояние между устройствами, как правило, в настоящее время не превышают 100 метров. Хотя уже разработаны и поступили в продажу чипы, которые связываются между собой на расстоянии до 1 км. Правда, при этом, надо понимать, если сигнал проходит на большее расстояния – значит будет и больший расход батарей, сеть быстрее израсходует энергию. Есть специальные операционные системы для сенсорных сетей – это TinyOS, а все разработки ведутся обычно на языке С, под операционные системы-аналоги Linux.

─ Ого! С помощью такой сети, получается, можно огромные пространства контролировать?

─ А то! Если, к примеру, расставить 64 тысячи чипов на расстоянии 1 километра, то первый и последний окажутся на расстоянии снова 1 км. Потому что мы так обогнем весь шар земной. Правда, таких глобальных экспериментов пока еще никто не проводил, а вот для управления уличным освещением, например, в Англии сенсорная сеть уже используется.

─ У вас уже есть что показать на практическом примере?

─ У нас сегодня уже несколько проектов в стадии тестовой эксплуатации. Например, проект в области промышленного мониторинга. На территории Шатурской ГРЭС №5 была развернута сеть РСС для осуществления термоконтроля на линии рециркуляции питательных насосов блоков №№ 1–6. Температура трубопровода в районе исследования составляет 230° С в нормальном состоянии. Точность измерения 5–10 градусов, замеры проводятся раз в 10 сек. Такой технологический мониторинг возможен не только на предприятиях энергетики, но еще и в районных котельных, электрощитовых, в химическом производстве, поскольку РСС имеют преимущества: быстрый монтаж, простота и удобство в обслуживании.

Большое внимание уделяем применению сенсорных сетей в системе ЖКХ . Ведем разработки уже в нескольких городах и коттеджных поселках Подмосковья. Я считаю это направление развития наиболее перспективным, пожалуй, вместе с системами сигнализаций и безопасности. Очевидно, с использованием РСС может осуществляться лифтовой и инженерный мониторинг всех городских систем ЖКХ, организация управления всеми техническими устройствами жилых и административных зданий, сбор данных приборов учета, необходимых для выставления счетов, реализованы все виды систем сигнализаций (охранная, пожарная ) и безопасности (тревожные кнопки, брелки) и т.п. Очень важно, что внутридомовая инженерная система, основанная на РСС, помогает в случаи аварии или протечек в автоматическом режиме перекрывать трехходовой кран с одновременным информированием дежурного диспетчера о месте протечки, пресекая тем самым аварийную утечку воды из трубопровода. Также возможно управление вентиляцией – влажностью и температурой в помещениях. Если эти системы отлажены  – потери минимальны, гибкость настроек под каждого пользователя  – все это приведет к снижению тарифов, интересу страховых компаний и т.п. …

Медицина – дистанционное наблюдение за пациентами. В отделе функциональной диагностики МОНИКИ планируется развернуть систему наблюдения за пациентами. Пациентам в больнице надевают датчики – в виде браслета – для измерения давления, температуры, сердечной деятельности. Они передают данные на центральный сервер, где лечащий врач может получить информацию о состоянии пациента – через XBee-регистратор. Возможно предоставление услуг платного медицинского наблюдения для некоторых категорий пациентов, например на дому. В этом случае комплект РСС устанавливается таким образом, чтобы шлюз, выданный пациенту, был связан с сервером хранения данных. Пациент может перемещаться, оставаясь в радиусе доступа центральной точки сбора данных. Тогда в случае критически опасного состояния пациента тревожный сигнал уходит на центральный сервер, обрабатывается и выдается сигнал тревоги специалистам, выводятся полные данные о пациенте для принятия лечащим врачом решений о необходимых действиях.

Совместно с Росатомом начали проработку вопроса радиационного мониторинга ядерно-опасных объектов. Производятся исследования возможности, перспективы и проблемы использования РСС для системы мониторинга состояния помещений зданий действующих исследовательских ядерных установок (ИЯУ) и других ядерно-опасных объектов. Была развернута РСС в части помещений зданий ИЯУ НИИАР в г. Димитровграде и проводилось исследование поведения системы в реальных условиях. Также были исследованы проблемы надёжности системы при воздействии повышенного радиационного фона, проблемы распространения радиосигнала, используемого для связи узлов РСС при наличии препятствий в виде конструкций из «тяжёлого» бетона, используемого при сооружении зданий радиационно- и ядерно-опасных объектов.

В «РЖД» разрабатываем систему по контролю температуры колесной пары. С использованием РСС эту задачу возможно решить более дешевым и надежным способом, чем это решается сейчас, когда температура измеряется дискретно при проезде электропоезда мимо пункта сбора данных КТСМ. Опытная зона, как планируется, будет развернута в депо «Куровская» на составе пригородного электропоезда. При движении машинист сможет иметь информацию о температуре колесной пары в реальном времени. Также будет возможно хранить собранные данные в центральной базе данных, к которой будет иметь доступ дежурный по станции, мимо которой проезжает данный электропоезд.

В строительстве к нашим системам есть интерес – мониторинг осадок и отклонений зданий и сооружений. Потенциальный Заказчик – «Росстрой». Уже в ближайшее время предполагается создание распределённой системы мониторинга зданий и сооружений на основе РСС для контроля величин осадок, отклонений от вертикали и раскрытия трещин в зоне строительства двух существующих в МО котлованов в реальном времени с выводом данных на центральный сервер и с публикацией в WEB.

Логистика – контроль за перемещением грузов. Для логистических автоматизиро-ванных комплексов возможна организация сбора данных о маршрутах перемещения радиоустройств с уникальным идентификатором между складскими помещениями и внутри их с позиционированием относительно точек сбора данных и хранением информации на центральном сервере. В рамках этого направления при массовом распространении сенсорных технологий мы можем формировать также информацию о потоках распространения товаров, управлении маркетинговыми инициативами и т.п.

Все внедренческие проекты сейчас не перечислишь. Еще раз отмечу – спектр применения сенсорных сетей очень широк … Мы сегодня охватили не менее 20 раз-личных направлений и работа в этом направлении все время идет. На подходе решения для МЧС, шахтеров, промышленных предприятий, системы образования …

─ Значит, вы на базе нашего лазерного института разрабатываете российский вариант оборудования для сенсорных сетей?

─ ИПЛИТ РАН с сенсорными сетями работает в плане разработки и исследования их различных свойств. Так как чипы все разрабатываются в Америке, а изготавливаются в Китае – мы ограничены в России той микропроцессорной базой, которую можем купить. Ну или, как вариант, в карманах вывезти из-за рубежа. Пока другого варианта нет. А исследуем мы сети в плане того, как сделать их максимально долго работоспособными, или как добиться, чтобы гарантировано надежно сигнал проходил по сетям, и как сделать максимально быстрым путь прохождения пакетов с данными по ним. Синергия от такого партнерства весьма перспективна.

─ Российская наука сильно отстала в этой области от своих зарубежных кол-лег?

─ В коммерциализации и в практических разработках нам еще очень далеко до того потенциала, который есть уже в научных центрах Японии, ЕС и США. В научном же плане сейчас в России сформирована достаточно сильная школа со своими уникальными разработками. Сегодня мы даже публикуем результаты в ведущих международных научных журналах – прогресс есть. Сейчас главное найти массовый дешевый и «правильный " движок и это будет прорыв в технологии. Например, все бытовые приборы можно начать оснащать такими элементами сенсорной сети  – внутри пылесосов, стиральных машин, телевизоров и т.п. развертывать сенсорные сети с температурными датчиками , настроенными на 300–400 градусов … Сенсоры, расставленные в бытовых устройствах по жилым квартирам, сообщат по сети в центр о пожаре в кладовке той или иной квартиры гораздо раньше самого жителя квартиры … (особенно когда его нет дома). Можно поставить датчик в телевизор или музыкальный центр и во время чрезвычайной ситуации это устройство будет использоваться для информирования о ЧП. И информация эта будет адресной – каждый чип же имеет свой МАК-адрес в сети, его связь с другими чипами и шлюзами для сбора и обработки данных практически определяют его местонахождение. В массовом производстве эти элементы сети должны стоить копейки и выполнять свои функции как "умная пыль».

─ В общем, ваша цель довести эту технологию до потребительского совершенства…

─ Да – придумать к ней всю инфраструктуру, программное обеспечение, датчики и, конечно, сами чипы, которые относятся к категории критических технологий и купить лицензию на их производство невозможно. А если мы разработаем всю линейку – и интерфейсы и разные датчики и алгоритмы обмена данными – то сможем производить полноценные готовые системы контроля и мониторинга, выходить на рынок, в том числе мировой и формировать услуги.

─ Расскажите, на каком этапе сейчас проект? Насколько я знаю, Вы сейчас переезжаете в Сколково…

─ Пока у нас была чистая наука. В конце прошлого года подали заявку на резидентство в фонде Сколково, получили положительное решение, вот с весны 2013 года – полноценные резиденты инновационного центра. Сколково – это возможности привлечения финансирования, развития проекта до стадии коммерциализации и достойный статус. Нам за свои деньги такое не поднять. Сегодня мы проходим этап построения прототипов решений, формируем опытные зоны, обрабатываем результаты исследований, ведем доработку, патентуем свои изобретения.

─ По плану, когда вы выйдете на этап коммерческой реализации?

─ Думаю, к концу следующего года.

─ Сколько уже вложено в проект?

─ Около 15 миллионов.

─ Долларов?

─ Нет, рублей. Теперь планируем привлечь также внешние инвестиции для продолжения работы в направлении получения коммерческого результата. В своем успехе мы уверены на 100 % .

─ Что надо сделать для создания дешевой «умной пыли»? У вас есть план, как сделать технологию не дорогой?

─ Рецепт тут только один – массовость спроса. Один чип для исследований стоит сегодня более 30 долларов, даже 100 первых чипов обходятся уже 1800 долларов, очевидно , что миллионы должны быть не дороже 1–2 долларов. Вот тогда наступит время «умной пыли».

─ Для массовости надо создать серийный завод?

─ Сначала надо создать элементную базу и аппаратную инфраструктуру технологии. Мы контактируем с российской компанией ITFY, которая нам предоставит САПР для разработки микроэлектронных компонентов. Коллеги из ITFY во главе с президентом компании Леонидом Сватковым совместно с корпорацией IBM специально для России запустила проект ITFY, который открыл «Центр электронных технологий» (ЦЭТ) – по комплексному инфраструктурному решению для коллективной разработки чипов и печатных плат на базе программно-аппаратной платформы IBM. О создании «Центра электронных технологий» (ЦЭТ) было объявлено еще на ПМЭФ-2012.

─ Какой объем производства планируется создать?

─ Сложно говорить … Технология Wi-Fi и Bluetooth сегодня есть в каждом мобильном телефоне, а выпускаются и продаются они миллионами штук. Мы ориентируемся на такое же покрытие нашей сетью. На мобильные телефоны не претендуем, а вот бытовая техника, автомобили, игрушки, приставки, компьютеры и многое другое может обеспечить желаемый охват. Чтобы проект был рентабельный, надо выходить на мировой рынок. Если сейчас грамотно запустить проект и у нас не будет проблем с финансированием, то через 5 лет сенсорные сети будут везде.

─ Почему Сколково?

─ Сколково предоставляет все условия для активного развития проектов, есть возможность получить денежные средства на НИОКР. Мы уже ведем переговоры с рядом известных венчурных фондов о возможности привлечения в проект венчурных инвестиций. В дальнейшем будем выходить на известных мировых лидеров в этой области с целью создания совместного производственного предприятия. Крупные инвесторы понимают, если существует реальный интерес и можно вложиться в перспективную технологию, то можно получить достойный коммерческий результат. В Сколково есть все возможности получения финансирования и всесторонней поддержки проекта. Поэтому обстановка там весьма доброжелательная.

─ Ясно. В Сколково Вы завершите свои научные разработки, спроектируете чи-пы, потом найдете инвестора, отштампуете чипы в Китае, сделаете софт для раз-ных задач сенсорных сетей и сформируете в итоге готовые продукты – для МЧС, пожарных и т.д.?

─ Штамповать собственные комплектующие  – пока задача на будущее. Сегодня главное – это разработка различных алгоритмов работы сети, обеспечивающих решение различных технических задач, разработка протоколов обмена данными, интерфейсов, систем распределенного сбора данных, расчеты. Наши разработки применимы в любой сети утвержденного стандарта, поэтому, пока, на первом этапе, пускай штампуют все в Китае, формируют сети во всем мире, а ПО взаимодействия для выполнения поставленных задач сети используют наше. Хотя выдавать полный комплект из одних рук тоже было бы приятно и, в перспективе, я думаю, мы к этому придем.

─ И все это планируется сделать в течение ближайших двух-трех лет?

─ Да … планов у нас как раз на пару лет. Главное, конечно, финансирование. Но мы на месте не стоим … Ряд крупных венчурных фондов уже активно интересуется нашим проектом, ведь технология сенсорных сетей – одна из самых перспективных в коммерческом плане, мировой перформанс, можно сказать.

─ А кадры где берете? Их же дефицит, насколько я понимаю.

─ Инженерные высококвалифицированные кадры всегда сложно найти, мы ищем в регионах – там еще остались светлые головы и настоящие таланты. Сегодня сразу в не-скольких НИИ интересуются тематикой сенсорных сетей – с ними тоже будем работать.

─ Технологическая база – в этом лазерном НИИ?

─ Рассчитываем на взаимовыгодное партнерство с ИПЛИТ РАН … Разработчик, ведущий это направление в институте, руководитель отдела информационных технологий Игорь Воронин является и техническим директором «ЛИНТЕХ». Получается очень продуктивное партнерство. А с основным офисом для развития переезжаем в Сколково.

─ Говорят, что туда очень трудно попасть. Даже взятки нужны…

─ О возможности попасть в Сколково за деньги я лично не знаю. За последние 2 года сам активно участвовал в 3 инновационных проектах – все они сегодня резиденты фонда. Одна компания активно разрабатывает ПО, которое позволяет автоматически получать готовые 3D-модели из панорамной или сферической фотосъемки. Мы, кстати, также предложили применять сенсорные решения для существенной оптимизации этой работы. Другие проекты связаны с технологией нанесения лакокрасочного покрытия, например… Оказалось, тоже перспективная тема. Направления абсолютно разные …

Мое мнение – в Сколково создана правильная экспертная система разносторонней оценки уникальных идей и разработок. Если удалось доступно донести основные принципы своей идеи и разработка вписывается в существующие рамки инновационного центра  – все, получаешь статус резидента и работай.

─ Вы хотите сказать, что в Сколково реально может попасть любой российский разработчик перспективной технологии, который имеет внятную стратегию и готовую команду для ее реализации?

─ Если у вас есть идея, которую Вы считаете гениальной и четко понимаете все шаги по ее развитию, внедрению, получению прибыли – приходите – поговорим … Я как раз берусь за такие проекты – формализую идею по международным стандартам, прорабатываю проект с инвестиционной и коммерческой точек зрения, а потом продвигаю в технопарки, бизнес-инкубаторы и инвестфонды. И это может быть не только Сколково. Задач по взаимодействию на сегодня существует очень много. Даже внутри одного кластера порой одни разработчики не знают, чем занимаются другие… а бывает, что они и есть идеальные партнеры, которые теряют огромный синергетический потенциал.

─ А что там за коррупционные скандалы были в Сколково? Прошел слух, что даже хотели похоронить весь проект…?

─ На деятельности инновационных компаний это не отразилось. Мы как работа-ли, так и продолжаем работать. Нам хватает своих впечатлений. А Сколково, несмотря на все завистливое злорадство недоброжелателей, сегодня получил второе дыхание и продолжает вести свою кропотливую работу по взращиванию отечественной инновационной индустрии…