Upraszczanie Internetu Rzeczy - poprzez wysoce zintegrowane rozwiązania bezprzewodowe

Fakt, że komunikacja bezprzewodowa jest tak powszechna, jest w dużej mierze wynikiem otwartości spektrum radiowego. Zdecydowana większość standardowych czy własnościowych protokołów pracuje w tej części spektrum, która nie wymaga ponoszenia opłat licencyjnych. I o ile jest ono otwarte dla każdego, o tyle jego użytkowanie wiąże się z określonymi ograniczeniami w odniesieniu do mocy, z jaką prowadzona jest transmisja. Z powyższych powodów najłatwiej jest zaimplementować łączność bezprzewodową, korzystając albo z technologii zaprojektowanej, by była zgodna ze standardami przemysłowymi, albo z rozwiązań własnościowych, które już wcześniej zostały zatwierdzone przez odpowiednie instytucje rządowe.

Coraz częściej to możliwość tworzenia sieci urządzeń sprawia, że rośnie popularność komunikacji z użyciem standardów przemysłowych. Ale poza tym różnorodne technologie, jakie są dostępne obecnie na rynku, można podzielić na kilka kategorii pod kątem zasięgu i przepustowości. Oba te parametry wpływają na moc elektryczną, potrzebną do realizacji transmisji, a więc na czynnik, który ma coraz większe znaczenie dla projektantów.

Wybór protokołu

Istnieje wiele protokołów działających w bezpłatnym paśmie ISM (Industrial, Scientific, Medical) czy w paśmie SRD (Short Range Device), zarówno na częstotliwościach poniżej 1 GHz, jak i w pobliżu 2,4 GHz. Niektóre ze standardowych protokołów, takich jak np. ZigBee, korzystają z obu pasm, lecz w praktyce, ze względu na zaszłości historyczne, protokoły własnościowe częściej działają w oparciu o pasmo poniżej 1 GHz. Dostawcy układów półprzewodnikowych, tacy jak np. Texas Instruments, oferują szeroki wybór rozwiązań na potrzeby komunikacji bezprzewodowej, począwszy od przetworników, a kończąc na w pełni zintegrowanych, mikrokontrolerach bezprzewodowych. Przykładem może być platforma mikrokontrolerów SimpleLink, która wspiera obecnie ponad 10 protokołów komunikacji przewodowej lub bezprzewodowej, dzięki czemu można mieć pewność, że znajdzie się w jej ramach rozwiązanie odpowiednie dla każdej aplikacji.

Poznaj swój obszar

O ile koncepcja zasięgu nadal sprowadza się do maksymalnego dystansu pomiędzy dwoma urządzeniami, które mogą na daną odległość niezawodnie komunikować się bezprzewodowo, o tyle pojawienie się sieci o topologii kraty wprowadziło pewne wątpliwości do takiej definicji. Sieć kratowa (mesh), złożona z wielu urządzeń, połączonych ze sobą protokołami komunikacyjnymi o krótkim zasięgu, teoretycznie może rozchodzić się na wielokrotnie większe odległości niż maksymalny dystans połączenia punkt-punkt. Najnowsza wersja standardu Bluetooth, tj. Bluetooth 5, wspiera obecnie sieci o topologii kraty, co oznacza, że właściwie korzystając z niej, można stworzyć sieć o nieograniczonym zakresie. Jednakże trzeba pamiętać, że Bluetooth wywodzi się z sieci PAN (Personal Area Network), a więc przez wiele lat był używany do wymiany danych na krótkie odległości, pomiędzy małymi urządzeniami, które nie wymagały dużych przepustowości.

O ile być może aktualnie trudno jest w ogóle mówić o złym wyborze, gdy dobiera się technologię bezprzewodową, o tyle wciąż istnieje wiele ważnych powodów, by sięgnąć po określony standard w przypadku różnych, specyficznych aplikacji. Obecnie zasięg może mieć już mniejsze znaczenie, ale przepustowość wciąż odgrywa kluczową rolę, przede wszystkim z dwóch względów: ilość danych wysyłanych i odbieranych nadal bezpośrednio przekłada się na moc potrzebną urządzeniu do pracy oraz na złożoność projektu. Na szczęście istnieje coraz więcej wysoce zintegrowanych rozwiązań, które pozwalają z powodzeniem poradzić sobie ze wszystkimi tymi wyzwaniami projektowymi.

Wiele komponentów instalacji Internetu Rzeczy będzie miało niewielkie wymagania co do przepustowości. Dobrymi przykładami są inteligentne czujniki, urządzenia domowe i systemy rozrywki, a także przemysłowe systemy sterowania czy różne aplikacje, które dopiero pojawiają się na rynku i są związane z domami, biurami czy samochodami. W przypadku aplikacji wymagających nieco większej przepustowości, Bluetooth może być całkiem dobrym wyborem. Natomiast gdy złożoność sieci lub oczekiwania względem dostępnej przepustowości rosną dalej, warto zwrócić uwagę na Wi-Fi, które umożliwia bezpośrednią łączność z Internetem, nawet z szybkością do 100 Mb/s.

Kolejnym tematem do omówienia jest częstotliwość radiowa, na której pracują urządzenia. Jej wybór będzie sprowadzał się do selekcji kombinacji zasięgu, przepustowości i mocy potrzebnej całemu systemowi do pracy. Wiele standardów zostało zaprojektowanych tak, by umożliwić komunikację zarówno w paśmie poniżej 1 GHz, jak i w bardziej popularnym (a przez to i zatłoczonym) paśmie 2,4 GHz. Możliwość funkcjonowania w otoczeniu innych urządzeń i odporność na tłok w paśmie radiowym również może być powodem do zdecydowania się na którąś konkretną technologię, jako że niektóre standardy lepiej sobie radzą w tej materii niż inne.

 

Rys. 1. Sieć złożona z wielu urządzeń (np. w ramach inteligentnego miasta), bazujących na interfejsie radiowym krótkiego zasięgu, teoretycznie może rozciągać się na obszar wielokrotnie większy niż ten, co daje komunikacja punkt-punkt

Typowe aplikacje i rozwiązania

W wielu przypadkach już na podstawie samej aplikacji łatwo będzie wskazać, której technologii bezprzewodowej należy użyć. Przykładowo w systemie, który bazuje na dużej liczbie czujników rozmieszczonych wewnątrz budynku, a z których każdy ma bezpośrednio komunikować się z centralnym sterownikiem (lub bramką), prawdopodobnie najlepiej będzie użyć standardu pracującego w paśmie poniżej 1 GHz i sieci o topologii gwiazdy. To dlatego, że topologia gwiazdy pozwala uniknąć konieczności dodatkowego przetwarzania danych, niezbędnego do realizacji sieci o topologii kraty, a więc umożliwia dłuższe działanie urządzeń zasilanych bateryjnie.

Jeśli dobierzemy odpowiednie rozwiązanie, niewielkie wymagania co do mocy zasilania w przypadku transmisji w paśmie poniżej 1 GHz prawdopodobnie pozwolą zestawowi inteligentnych czujników na pracę nawet przez 20 lat, przy korzystaniu z energii zgromadzonej w pojedynczych bateriach pastylkowych.

Wraz z rozwojem IoT okazało się, że platforma sprzętowa (np. rodzina produktów SimpleLink) może zostać rozbudowana, by umożliwić realizację aplikacji w wielu innych obszarach.

Połączenie ze światem

Oczywiście, istotna część realizacji aplikacji, stanowiącej fragment systemu IoT, wiąże się z podłączaniem infrastruktury do Internetu. W wielu przypadkach protokołem, który pozwala osiągnąć ten cel najłatwiej, jest Wi-Fi. Połączenie Wi-fipozwala zapewnić globalny dostęp do funkcji i danych aplikacji, ale wiąże się to z dosyć dużą złożonością protokołu i w praktyce stanowi większe wyzwanie w trakcie implementacji niż np. protokoły opracowane z myślą o sieciach prywatnych.

Wraz ze wzrostem wartości informacji gromadzonych przez rozproszone sieci czujnikowe (WSN – Wireless Sensor Network) producenci poszukują niezawodnych, ale prostych metod tworzenia takich sieci i zbierania danych za ich pomocą. W tym obszarze łączność bezprzewodowa w paśmie poniżej 1 GHz może wygrywać zarówno pod względem zasięgu, jak i pobieranej mocy.

W ramach rodziny Texas Instruments SimpleLink dostępne są m.in. układy serii CC3120, które zostały zaprojektowane tak, by wzbogacanie aplikacji o interfejs Wi-fibyło tak proste, jak to tylko możliwe. Układy CC3120 to samodzielne procesory sieciowe, z w pełni zintegrowanym serwerem webowym i wsparciem dla stosu TCP/IP jaki potrzebny jest, by łączyć się z Internetem. Alternatywnie można sięgnąć po układy z rodziny CC3220, które cechują się jeszcze większym stopniem integracji, a to za sprawą wbudowania rdzenia ARM Cortex-M4, za pomocą którego można wykonywać właściwy kod aplikacji. Producenci muszą również wziąć pod uwagę kwestie bezpieczeństwa, jakie wiążą się z rosnącym obszarem zastosowań IoT. Najnowsza generacja mikrokontrolerów bezprzewodowych firmy Texas Instruments oferuje cechy bezpieczeństwa na wielu poziomach, takie, które pozwalają twórcom na ochronę ich produktów przed wrogim przejęciem czy też przed kradzieżą danych lub własności intelektualnej.

Najnowsza wersja specyfikacji standardu Bluetooth 5 wspiera obecnie sieci o topologii kraty oraz zwiększoną przepustowość danych – do 5 Mb/s. A że tak jak i wcześniej, Bluetooth wciąż nie wymaga dużej ilości mocy do pracy, standard ten może być obecnie używany w szerszym zakresie aplikacji, które wymagają bardziej bezpośredniego połączenia z Internetem. Dodatkową korzyścią jest w tym przypadku zwiększony zasięg wymiany danych, uzyskany właśnie poprzez wprowadzenie topologii kraty.

Komunikacja w Internecie odbywa się poprzez protokół IP (Internet Protocol). Jednym z najnowszych standardów, który wspiera obsługę IP, jest opracowany przez Internet Engineering Task Force 6LowPAN. Obejmuje on pełną kompatybilność z IPv6 dla wszystkich urządzeń w sieci i dlatego jest prawdopodobnie najlepiej przygotowaną na przyszłość technologią bezprzewodową spośród dostępnych. Ma na to wpływ także fakt, że jest w stanie pracować tak w paśmie poniżej 1 GHz, jak i 2,4 GHz i to bazując na wielu różnych warstwach fizycznych.

Internet Rzeczy zostanie zdominowany przez technologie bezprzewodowe o małym poborze mocy. I oprócz już opisanych, inżynierowie spodziewają się, że na rynku pojawi się bardzo wiele rozwiązań opartych na jednym z najnowszych protokołów, wymyślonych dla tego ekscytującego i szybko ewolucyjnego środowiska, jakim jest IoT – mowa o standardzie Th read. W odróżnieniu od większości pozostałych technologii bezprzewodowych, Th read został opracowany z myślą o jednym konkretnym celu – by zapewnić dobry sposób łączenia ze sobą i sterowania urządzeniami w domu.

Wnioski

Okiełznanie możliwości, jakie płyną z łączności bezprzewodowej, nigdy nie było łatwiejsze, a to za sprawą wysoce zintegrowanych układów scalonych oraz dostępności bezpłatnego oprogramowania, a w tym i stosów protokołów. Wybór komponentów, jakie pokrywają wszystkie najważniejsze protokoły komunikacji bezprzewodowej, istotnie przyspiesza rozwój aplikacji IoT.

Farnell
tel. 00800 121 29 67
http://pl.farnell.com