Halo… si še tam?
Vsem nam se je to že kdaj zgodilo: kakšno minuto se čisto brez težav pogovarjamo prek mobilnega telefona, v naslednjem trenutku pa komunikacija nenadoma pade in klic se prekine. Kadar se zgodi kaj takega, se počutimo sila neprijetno. Morda smo bili sredi pomembnega pogovora, ali še huje, bili smo sredi nujnega razgovora s policijo ali gasilsko službo.
Kako preprečiti prekinitev komunikacije v kritičnih IoT aplikacijah
Ta izkušnja, ki jo vsi dobro poznamo, pa velja tudi za IoT izdelke, ki jih načrtujemo. Če na primer načrtujete senzor izlitja vode za hišno avtomatizacijo, brezžični varnostni sistem ali industrijski procesni krmilnik, bo pojav izgubljene komunikacije močno vplival na uporabniško izkušnjo in vzbudil dvom glede zanesljivosti vašega izdelka. Na srečo so danes na trgu brezžične IoT rešitve, ki so narejene za največjo mogočo vzdržljivost, zanesljivost in dolgo življenjsko dobo. Te rešitve odlikujejo robustna tehnologija povezovanja, majhna poraba energije in delovanje v frekvenčnih pasovih pod 1 GHz, zaradi česar se ponujajo kot idealna tehnologija za obrambo pred prekinitvami v komunikaciji.
Slika 1: Razširitev obsega v razprostrtem omrežju
Sposobnost samozdravljenja tehnologije IEEE 802.15.4
Saj najbrž poznate brezžične tehnologije, kot so Zigbee, WirelessHART, 6LoWPAN in MiWi ™? Vse temeljijo na standardu IEEE® 802.15.4. Ključna značilnost tega standarda je zmožnost oblikovanja razprostrtih (mesh) omrežij, ki vključujejo tudi vozlišča z različnimi vlogami. V teh omrežjih so naprave z omejeno funkcijo (RFD), polnopravne naprave (FFD) in koordinatorji. Naprave RFD in FFD se povezujejo med seboj, medtem ko je končna povezava izvedena s koordinatorjem ali komunikacijskim prehodom.
Mrežna omrežja imajo več pomembnih lastnosti za zanesljivo komunikacijo; čisto posebno obliko razširitve dosega, preusmerjanje in obstojnost. Doseg posameznega radia se v razprostrtih omrežjih razširi tako, da omogoča komunikacijo vozlišča z vozliščem. Na sliki 1 ima vsako vozlišče delovni domet 10 metrov, toda z razprostiranjem se doseg omrežja razširi na 30 metrov. Ta zmožnost razširitve obsega poveča zanesljivost komunikacije, tako da se zagotovi, da so vsa vozlišča dosegljiva in celotno omrežje ohranjeno.
Drugi ključni atribut razprostrtih omrežij vključuje preusmerjanje ali samozdravljenje. Vsak med nami je med običajno vožnjo z avtomobilom doživel kakšen nepričakovan dogodek – morda je zaradi popravil zaprt izvoz na avtocesti ali vas vožnja po neznani ulici vodi v napačno smer. V takšnih situacijah se navadno obrnemo na aplikacijo z zemljevidom na našem mobilnem telefonu, ki nam ponuja katero izmed alternativnih poti. To je osnova zamisli pri preusmeritvah v 802.15.4 tehnologiji razprostrtih omrežij.
V brezžičnih omrežjih se pojavljajo številne težave, kot so izrabljene baterije, občasne motnje, ki jih povzroča gibanje oseb po prostorih, stalne motnje, ki jih povzročajo spremembe v okolju, nova vozlišča, ki se vključujejo v omrežje in podobno. Ko pride do takšnih motenj, se omrežja, ki temeljijo na standardu 802.15.4 “sama ozdravijo”. Če to povemo z drugimi besedami, je mogoče povezavo od vozlišča do koordinatorja preusmeriti prek drugega FFD, ki v tistem trenutku ponuja bolj optimalno pot. Ta funkcija bistveno izboljša trdnost omrežja in s tem zanesljivost komunikacije.
Tretja prednost vozlišč v omrežjih 802.15.4 je obstojnost. Za razliko od omrežnih tehnologij, kot sta Ethernet ali Wi-Fi®, ki izločata “stara” nekomunikativna vozlišča v omrežju, imajo 802.15.4 omrežja stalno članstvo, kar posameznim vozliščem omogoča, da tudi za daljše obdobje prekinejo komunikacijo. Vozlišče lahko tako “prespi” ves teden, se nato zbudi in pridruži omrežju, ter pošlje svoje zbrane podatke – in vse to le v pičlih 30 milisekundah. To je ogromna prednost v smislu varčevanja s porabo energije. Funkciji oddajanja in poslušanja na komunikacijskem kanalu v IoT napravah porabita večino energije, zato ta funkcija močno vpliva na zmanjšanje razmerja med RF aktivnostjo in spanjem.
Frekvenca je za zanesljivost še kako pomembna!
Obstaja obratno sorazmerje med radijsko nosilno frekvenco in njeno sposobnostjo prodiranja skozi trdne predmete v neposredni okolici. Danes je najbolj uporabljena frekvenca 2,4 GHz. To je frekvenca, ki jo v naših domovih uporabljamo za Wi-Fi, Bluetooth® in mikrovalovne pečice. Ta frekvenčni pas je znan po visokih hitrostih prenosa podatkov, toda zaradi relativno slabe penetracije, ki jo ponuja 2,4GHz v nižjih frekvenčnih pasovih, bo verjetno naletel na težave s pokritostjo po celotnem območju vašega doma.
Slika 2: Običajno 2.4GHz omrežje v primerjavi s pod-GHz razprostrtim omrežjem. Slika levo 2.4GHz omrežje, slika desno razprostrto omrežje pod 1 GHz.
Kakorkoli že, nelicenčni pasovi na frekvencah 800 ali 900MHz ponujajo vrhunsko sposobnost prodiranja radijskega signala, kadar se uporabljajo v okolju z različnimi ovirami, kot so stene, drevesa, pohištvo in vrata, seveda pa pri nižji hitrosti prenosa podatkov. Najpogosteje lahko dobro deluje tudi v okolju s težkimi pogoji delovanja ali na omejenem prostoru. Slika 2 prikazuje moč kombinacije nosilne frekvence pod 1 GHz s tehnologijo razprostrtega omrežja.
V redu je, zdaj te spet slišim!
Kombinacija razprostrtega omrežja in sposobnost odličnega razprostiranja v pod-GHz frekvenčnem področju je zagotovilo, da bo komunikacija v 802.15.4 omrežju jasna in glasna. Signal se usmerja do koordinatorja po najboljši mogoči poti, infiltrira ovire, se obnovi od sprememb v okolju in ohrani svojo moč, dokler mu ni treba poslati podatkov. Zaradi te kombinacije lahko rečemo, da gre za robustno, zanesljivo in dolgotrajno obstojno komunikacijsko omrežje.
Uvajanje robustnega IoT
Danes večina 802.15.4 radijske komunikacije temelji na 2,4 GHz in zato izkoriščajo le nekaj prednosti, o katerih smo že govorili. Izdelki, kot so Microchipova družina mikrokontrolerjev ATSAMR30 (MCU) ima že integriran IEEE 802.15.4 združljiv radio za frekvenčne pasove pod 1 GHz. Obstaja majhen modul, ki ga je mogoče enostavno implementirati v aplikacije in ki imajo vsa ustrezna soglasja s predpisi s tega področja za Severno Ameriko, Evropo in Kitajsko. S 256 KB Flash pomnilnika lahko mikrokontrolerji ATSAMR30 zlahka poganjajo sklad za delovanje razprostrtega omrežja, kot je MiWi, hkrati pa tudi programsko kodo aplikacije, s katero zagotavlja neko varnost, morda za hišno avtomatizacijo, ter aplikacije v zvezi z razsvetljavo in najrazličnejšimi meritvami porabe.
Ostati povezan
Pomembno je, da komunikacija poteka jasno in zanesljivo, še posebej, kadar se informacije lahko hitro spreminjajo. Z uporabo razprostrtih omrežij, ki temeljijo na frekvencah 802.15.4 in tistih pod 1GHz, bodo vsa vozlišča znotraj IoT omrežja ostala zanesljivo povezana. Mreže, podobne tistim, ki jih ponuja družina ATSAMR30 mikrokontrolerjev z radijsko komunikacijo pod 1 GHz zagotavljajo, da bodo kritične informacije, kadar je to potrebno, zanesljivo prenešene, kljub spreminjajočim se okoliščinam v okolici, hkrati pa vzdržujemo dolgo življenjsko dobo baterije.
Za več informacij o Microchipovi družini ATSAMR30MCU mikrokontrolerjev obiščite spletno stran www.microchip.com.
Viri:
- 802.15.4 Primer
https://www.electronics-notes.com/articles/connectivity/ieee-802-15-4-wireless/basics-tutorial-primer.php - Range & Penetration Characteristics of RF
http://www.l-com.com/content/wireless-frequency-overview-chart.pdf - ISM Bands
https://blog.pasternack.com/uncategorized/what-are-the-ism-bands-and-what-are-they-used-for/
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
