Naršymas nematoma greitkeliais: Išsami belaidžio ryšio protokolų jutiklių tinklams analizė

Mūsų vis labiau susietame pasaulyje vyksta nematoma revoliucija. Tai pasaulis, kurį maitina maži, išmanūs jutikliai, stebintys viską – nuo tilto Taisanoje konstrukcinio vientisumo iki Kalifornijos vynuogyno dirvožemio drėgmės, nuo Singapūro išmaniojo miesto oro kokybės iki Berlyno ligoninės paciento gyvybinių požymių. Šios didžiulės, tarpusavyje sujungtos sistemos, žinomos kaip belaidžiai jutikliniai tinklai (WSN), sudaro daiktų interneto (IoT) centrinę nervų sistemą. Bet kaip šie milijardai įrenginių bendrauja vieni su kitais ir su debesimi? Atsakymas slypi sudėtingame ir žaviame belaidžio ryšio protokolų pasaulyje – nematomi greitkeliai, kuriais keliauja mūsų duomenys.

Tinkamo protokolo pasirinkimas yra vienas svarbiausių sprendimų kuriant daiktų interneto sprendimą. Tai turi įtakos viskam: baterijos veikimo laikui, veikimo diapazonui, duomenų greičiui, tinklo dydžiui, saugumui ir galiausiai bendrai nuosavybės kainai. Šis vadovas siūlo išsamią išsamiausių belaidžio ryšio protokolų apžvalgą, padedančią inžinieriams, kūrėjams ir sprendimų priėmėjams naršyti šią sudėtingą erdvę, kuriant patikimus, efektyvius ir mastelio keičiamus jutiklinius tinklus.

Protokolo krūvos supratimas WSN

Prieš pasineriant į konkrečius protokolus, būtina suprasti, kad belaidis ryšys nėra vientisa visuma. Jis struktūrizuotas sluoksniais, dažnai suprantamas per tokius modelius kaip Atvirųjų sistemų sujungimo (OSI) modelis. WSN dažnai praktiškesnė supaprastinta krūva, tačiau pagrindinė idėja išlieka: kiekvienas sluoksnis atlieka konkrečią užduotį, abstrahuodamas savo sudėtingumą nuo aukščiau ir žemiau esančių sluoksnių.

Mūsų tikslams sutelksime dėmesį į sluoksnius, svarbiausius belaidžio ryšio užtikrinimui:

• Fizinis sluoksnis (PHY): Tai žemiausias lygmuo, atsakingas už žalių bitų perdavimą per eterį. Jis apibrėžia tokius parametrus kaip dažnių juostos (pvz., 2,4 GHz, 868 MHz), moduliacijos metodai ir duomenų perdavimo spartos.
• Duomenų kanalo sluoksnis (MAC): Medijos prieigos valdymo (MAC) sluoksnis valdo, kaip įrenginiai pasiekia bendrą belaidį vidurį, tvarko klaidų aptikimą ir pataisymą bei formuojamus duomenų paketus. Čia vyksta didžioji dalis „mažos galios magijos“.
• Tinklo sluoksnis: Šis sluoksnis yra atsakingas už duomenų paketų maršrutizavimą nuo jų šaltinio iki paskirties, o tai ypač svarbu sudėtinguose daugiapakopiuose tinkluose, tokiuose kaip tinklelio topologijos.

Skirtingai nuo tradicinių interneto protokolų, skirtų energijos turtingoms aplinkoms, WSN protokolai yra sukurti atsižvelgiant į unikalius apribojimus: itin mažą energijos sąnaudas ilgam baterijos veikimo laikui, ribotą jutiklių mazgų apdorojimo galią ir atmintį, toleranciją duomenų praradimui ir poreikį masteliui iki potencialiai tūkstančių ar milijonų įrenginių.

Pagrindiniai protokolų pasirinkimo veiksniai

Nėra vieno „geriausio“ protokolo. Optimalus pasirinkimas visada yra kompromisas, subalansuojantis konkuruojančius specifinius programos reikalavimus. Štai svarbūs veiksniai, kuriuos reikia apsvarstyti:

Diapazonas

Kaip toli turi keliauti jūsų signalai? Tai pirmasis ir pats svarbiausias klausimas. Protokolai paprastai skirstomi pagal diapazoną:

• Trumpas diapazonas (mažiau nei 100 metrų): Idealiai tinka asmeninio ryšio tinklams (PAN) ir vietinei aplinkai, pvz., išmaniesiems namams, gamyklos patalpoms ar nešiojamiems įrenginiams. Pavyzdžiai apima BLE ir Zigbee.
• Vidutinis diapazonas (iki 1 kilometro): Tinka miestelių ar pastatų tarpusavio ryšiui. „Wi-Fi HaLow“ patenka į šią kategoriją.
• Ilgas diapazonas (1–10+ kilometrų): Būtinas mažos galios plačiajuosčiams tinklams (LPWAN), naudojamiems išmaniuosiuose miestuose, žemės ūkyje ir logistikoje. Pavyzdžiai apima „LoRaWAN“ ir „NB-IoT“.

Duomenų perdavimo sparta (pralaidumas)

Kiek duomenų reikia išsiųsti ir kaip dažnai? Tiesioginis duomenų perdavimo spartos, diapazono ir energijos sąnaudų santykis.

• Maža duomenų perdavimo sparta (kbps): Pakanka siųsti mažus, retus paketus, tokius kaip temperatūros rodmuo, durų būklė ar GPS koordinatės. Dauguma LPWAN ir trumpojo nuotolio daiktų interneto protokolų veikia čia.
• Didelė duomenų perdavimo sparta (Mbps): Būtina tokioms programoms kaip vaizdo srautas iš apsaugos kameros ar didelių programinės įrangos naujinimų perkėlimas. „Wi-Fi“ yra dominuojantis protokolas šioje srityje.

Energijos sąnaudos

Baterijomis maitinamiems jutikliams tai dažnai yra svarbiausias veiksnys. Tikslas paprastai yra pasiekti keletą metų baterijos veikimo laiką. WSN protokolai naudoja įvairius energijos taupymo metodus, tokius kaip giluminio miego režimai, minimalus perdavimo laikas ir efektyvūs MAC sluoksniai.

Tinklo topologija

Kaip įrenginiai bus organizuojami ir bendraus tarpusavyje?

• Žvaigždės topologija: Visi mazgai tiesiogiai jungiasi prie centrinio įrenginio. Tai paprasta ir energijos efektyvi mazgams, tačiau turi vieną gedimo tašką ir ribotą diapazoną, nustatytą įrenginio pasiekiamumo. „LoRaWAN“ ir „NB-IoT“ naudoja tai.
• Tinklelio topologija: Mazgai gali bendrauti tarpusavyje, perduodami pranešimus mazgams, kurie nėra tiesioginiame įrenginio diapazone. Tai sukuria atsparų, savaime pataisantį tinklą, galintį apimti dideles, sudėtingas sritis. „Zigbee“ ir „Z-Wave“ yra puikūs pavyzdžiai.
• Tiesioginis ryšys: Įrenginiai gali tiesiogiai jungtis vienas su kitu be centrinio šakotuvančio įrenginio, kaip matyti klasikinėje „Bluetooth“.

Mastelis ir saugumas

Kiek įrenginių jūsų tinklui reikės palaikyti, tiek dabar, tiek ateityje? Užtikrinkite, kad protokolas galėtų palaikyti reikiamą mazgų tankį ir skaičių. Be to, saugumas yra nepakeičiamas. Visada įvertinkite protokolo integruotus saugumo ypatybes, pvz., AES šifravimą duomenų konfidencialumui ir autentifikavimo mechanizmus, siekiant užkirsti kelią neteisėtai prieigai.

Kaina ir ekosistema

Apsvarstykite tiek kiekvieno mazgo aparatinės įrangos (mikroschemų rinkinio) kainą, tiek bet kokią tinklo infrastruktūrą ar duomenų prenumeratos mokesčius (ypač mobiliojo daiktų interneto atveju). Be to, įvertinkite protokolo ekosistemos brandą, įskaitant kūrimo rinkinių prieinamumą, bendruomenės palaikymą ir sertifikuotus specialistus.

Išsami trumpojo nuotolio protokolų analizė

Šie protokolai yra vietinio ryšio pagrindiniai elementai, užtikrinantys viską – nuo mūsų išmaniųjų namų iki prijungtų gamyklų.

Zigbee (IEEE 802.15.4)

„Zigbee“ yra brandus ir tvirtas standartas, sukurtas remiantis IEEE 802.15.4 fiziniais ir MAC sluoksniais. Jo pagrindinis bruožas yra galingos tinklo tinklelio galimybės.

• Pagrindinės savybės: Mažos energijos sąnaudos, mažos duomenų perdavimo spartos (iki 250 kbps) ir parama dideliems, savaime pataisantiems tinklo tinkleliams su tūkstančiais mazgų. Jis veikia daugiausia pasaulyje prieinamame 2,4 GHz dažnių juostoje.
• Privalumai: Puikiai tinka kuriant atsparius, didelio masto vietinius tinklus. Stiprus pramonės palaikymas ir standartizavimas per „Connectivity Standards Alliance“ (CSA). Saugus, su integruotu AES-128 šifravimu.
• Trūkumai: 2,4 GHz dažnių juosta gali būti perpildyta, todėl gali kilti trukdžių iš „Wi-Fi“ ir „Bluetooth“. Duomenų perdavimo spartos nepakanka didelio pralaidumo programoms.
• Dažnos programos: Išmaniųjų namų automatika (apšvietimas, termostatai, jutikliai), pastatų automatika, pramoninės kontrolės sistemos ir išmanusis energijos matuoklis.

Bluetooth Low Energy (BLE)

Iš pradžių sukurtas asmeninio ryšio tinklams, BLE tapo dominuojančia jėga daiktų internete. Jis optimizuotas siunčiant mažas, retas duomenų porcijas tarp įrenginių.

• Pagrindinės savybės: Itin mažos energijos sąnaudos, leidžiančios įrenginiams veikti metus su monetine baterija. Buitinis beveik visuose moderniuose mobiliuosiuose įrenginiuose, todėl jie tampa natūraliu įrenginiu. Veikia 2,4 GHz dažnių juostoje.
• Privalumai: Maža kaina, didžiulė ekosistema, gimtoji parama beveik visuose šiuolaikiniuose mobiliuosiuose įrenginiuose. Naujausi papildymai, tokie kaip „Bluetooth Mesh“, išplėtė jo galimybes, viršijančias paprastus taško-taško ryšius.
• Trūkumai: Ribotas diapazonas (paprastai 10–50 metrų). Jautrus trikdžiams perpildytoje 2,4 GHz dažnių juostoje. Tinklelio įgyvendinimas mažiau brandus nei „Zigbee“.
• Dažnos programos: Nešiojami įrenginiai (fitneso sekimo priemonės, išmanieji laikrodžiai), sveikatos stebėjimas, turto sekimas su identifikavimo priemonėmis (mažmeninė prekyba, muziejai) ir plataus vartojimo elektronika.

Z-Wave

„Z-Wave“ yra patentuotas protokolas, daugiausia orientuotas į namų išmaniųjų namų rinką. Jis žinomas dėl savo patikimumo ir sąveikumo.

• Pagrindinės savybės: Veikia po 1 GHz dažnių juostoje (pvz., 908 MHz Šiaurės Amerikoje, 868 MHz Europoje), kuri yra mažiau perpildyta ir siūlo geresnį signalo skvarbumą per sienas nei 2,4 GHz dažnių juosta. Jis palaiko lengvai valdomą tinklo tinklelį iki 232 įrenginių.
• Privalumai: Didelis patikimumas ir mažiau trikdžių. Stipri sertifikavimo programa užtikrina skirtingų gamintojų įrenginių sąveikumą.
• Trūkumai: Patentuota technologija (nors standartas tampa atviresnis), mažesnės duomenų perdavimo spartos ir mažesnė ekosistema, palyginti su „Zigbee“ ar „BLE“. Ribotas mazgų skaičius viename tinkle.
• Dažnos programos: Išskirtinai orientuota į išmaniųjų namų produktus, tokius kaip išmaniosios spynos, apšvietimo valdikliai, termostatai ir buitiniai apsaugos jutikliai.

Wi-Fi (IEEE 802.11)

Nors standartinis „Wi-Fi“ žinomas dėl didelio pralaidumo, jis tradiciškai buvo per daug energijos vartojantis daugeliui WSN programų. Tačiau jis turi aiškią rolę.

• Pagrindinės savybės: Labai didelės duomenų perdavimo spartos (Mbps iki Gbps), naudojant esamą ir plačiai paplitusią tinklo infrastruktūrą. IP-naminis ryšys.
• Privalumai: Lengvas integravimas į esamus IP tinklus. Nereikia atskiro įrenginio. Idealiai tinka didelio pralaidumo daiktų interneto įrenginiams.
• Trūkumai: Dėl didelių energijos sąnaudų jis netinka daugumai baterijomis maitinamų jutiklių. Sudėtingas nustatymas ir saugumo valdymas (pvz., „Wi-Fi“ kredencialų bendrinimas).
• Dažnos programos: Išmaniųjų namų apsaugos kameros, vaizdo durų skambučiai, skaitmeniniai ženklai ir kaip daiktų interneto įrenginių perdavimo priemonė. Pastaba: Naujesni standartai, tokie kaip „Wi-Fi HaLow“ (IEEE 802.11ah), sprendžia šiuos apribojimus, siūlydami ilgesnį diapazoną ir mažesnes energijos sąnaudas, labiau orientuodamiesi į daiktų internetą.

Ilgos trukmės protokolų (LPWAN) tyrimas

Mažos galios plačiajuosčiai tinklai (LPWAN) yra transformuojanti technologija, leidžianti ryšį jutikliams, dislokuotiems dideliuose geografiniuose plotuose, tokiuose kaip miestai, ūkiai ir logistikos grandinės.

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network)

„LoRaWAN“ yra pirmaujantis LPWAN protokolas, žinomas dėl savo išskirtinio diapazono ir lankstumo. Tai atviras standartas, valdomas „LoRa Alliance“.

• Pagrindinės savybės: Naudoja „Chirp Spread Spectrum“ (CSS) moduliaciją, kuri užtikrina labai ilgą ryšio trukmę (kilometrus) ir yra labai atspari trikdžiams. Itin mažos energijos sąnaudos. Veikia neregistruotose po 1 GHz ISM dažnių juostose. Naudoja „žvaigždžių-žvaigždžių“ topologiją.
• Privalumai: Puikus diapazonas ir pastatų skvarbumas. Atviras standartas su didele ir augančia ekosistema. Lankstumas diegti privačius tinklus visai kontrolei arba naudoti viešuosius tinklų operatorius.
• Trūkumai: Mažos duomenų perdavimo spartos ir darbo ciklo apribojimai neregistruotose juostose apriboja, kaip dažnai įrenginys gali perduoti signalą. Netinka programoms, kurioms reikia mažos delsos ar komandų ir valdymo.
• Dažnos programos: Išmanusis žemės ūkis (dirvožemio jutikliai, gyvulių sekimas), išmanusis matuoklis (vandens, dujų), turto sekimas, išmaniojo miesto infrastruktūra (atliekų tvarkymas, stovėjimo jutikliai) ir pramoninė stebėsena.

Sigfox

„Sigfox“ yra dar vienas svarbus LPWAN žaidėjas, tačiau jis veikia kaip pasaulinis tinklo paslaugų teikėjas. Klientai naudojasi jo tinklu, o ne diegia savo.

• Pagrindinės savybės: Naudoja itin siaurajuostės (UNB) technologiją, kuri leidžia labai efektyviai naudoti spektrą ir puikų imtuvo jautrumą. Itin mažos energijos sąnaudos ir maža kaina. Jis sukurtas siųsti mažus, retus pranešimus.
• Privalumai: Paprastumas galutiniam vartotojui – nereikia tinklo valdymo. Labai mažos įrenginio ir ryšio išlaidos. Viena sutartis suteikia prieigą prie jo pasaulinio tinklo.
• Trūkumai: Patentuota technologija su vienu operatoriumi. Labai ribota duomenų naudingoji apkrova (12 baitų aukštyn, 8 baitai žemyn) ir griežtas pranešimų skaičiaus apribojimas per dieną. Daugiausia vienpusis ryšys, todėl netinka programoms, kurioms reikia dažno valdymo žemyn.
• Dažnos programos: Paprastos signalizacijos sistemos, pagrindinis turto sekimas, komunalinių paslaugų skaitiklių rodmenys ir programos, kurioms reikia paprastų būsenos atnaujinimų (pvz., „įjungta/išjungta“, „pilna/tuščia“).

NB-IoT ir LTE-M (Mobiliojo ryšio daiktų internetas)

Siaurajuostis daiktų internetas (NB-IoT) ir LTE-M (ilgalaikė evoliucija mašinoms) yra du LPWAN standartai, sukurti 3GPP, siekiant veikti esamuose mobiliojo ryšio tinkluose. Jie veikia licencijuotame spektre, siūlydami operatoriaus lygio patikimumą ir saugumą.

• Pagrindinės savybės: Naudoja esamą 4G/5G infrastruktūrą, užtikrindami plačiajuostį aprėptį, nereikalaujant statyti naujų tinklų. Licencijuotas spektras reiškia mažiau trikdžių ir geresnę paslaugos kokybę.
• NB-IoT: Optimizuotas labai mažoms duomenų perdavimo spartoms, didžiuliam skaičiui statinių įrenginių ir puikiam giliam vidiniam skvarbumui. Jis idealiai tinka įrenginiams, kurie siunčia nedaug duomenų retai, pvz., išmaniuosius skaitiklius, įrengtus rūsiuose.
• LTE-M: Siūlo didesnes duomenų perdavimo spartas nei NB-IoT, mažesnę delsą ir palaikymą judantiems įrenginiams (perdavimas tarp mobiliojo ryšio bokštų) ir net balsui (VoLTE). Jis tinka sudėtingesnėms programoms.
• Privalumai: Aukštas patikimumas ir saugumas. Pasaulinė aprėptis per tarptinklinio ryšio sutartis. Puikiai tinka judantiems turtams (LTE-M) ir sunkiai pasiekiamoms vietoms (NB-IoT).
• Trūkumai: Paprastai didesnės energijos sąnaudos nei LoRaWAN ar Sigfox. Reikalinga SIM kortelė ir mobiliojo ryšio operatoriaus duomenų planas, o tai gali reikšti didesnes nuolatines išlaidas.
• Dažnos programos (NB-IoT): Išmanusis komunalinių paslaugų skaitiklis, išmaniojo miesto jutikliai (stovėjimo, apšvietimo), pastatų automatika, žemės ūkio stebėsena.
• Dažnos programos (LTE-M): Parko valdymas, turto sekimas, prijungti sveikatos priežiūros įrenginiai, nešiojami įrenginiai ir pardavimo vietų terminalai.

Taikomojo lygmens protokolai: duomenų supratimas

Kol aukščiau išvardyti protokolai stato greitkelį, taikomojo lygmens protokolai apibrėžia kalbą, kuria kalbama tuo greitkeliu. Jie užtikrina, kad duomenys iš jutiklio būtų suprantami debesų platformai.

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)

MQTT yra lengvas, publikavimo/prenumeravimo pranešimų protokolas, tapęs daiktų interneto de facto standartu. Vietoj to, kad įrenginys tiesiogiai apklausytų serverį, jis publikuoja pranešimus į „temą“ centriniame brokeriui. Kitos programos prenumeruoja tą temą, kad gautų pranešimus. Šis atskyrimas yra nepaprastai efektyvus mažai energijos naudojančiam, nepatikimam tinklui.

CoAP (Constrained Application Protocol)

CoAP sukurtas kaip lengva HTTP versija, sukurta apribotiems įrenginiams ir tinklams. Jis naudoja užklausos/atsako modelį, panašų į HTTP, tačiau veikia per UDP efektyvumo dėlei. Tai geras pasirinkimas įrenginiams, kuriuos reikia tiesiogiai užklausti kontroliuojamame tinkle.

Besiformuojanti erdvė ir ateities tendencijos

WSN protokolų pasaulis nuolat tobulėja. Svarbios tendencijos, kurioms verta stebėti:

• Sąveikumas su Matter: Išmaniųjų namų srityje „Matter“ standartas (paremtas pagrindinių technologijų kompanijų) siekia sukurti vieningą taikomojo lygmens, kuris veiktų per protokolus, tokius kaip „Wi-Fi“ ir „Thread“ (IPv6 pagrindu veikiantis tinklo protokolas, panašus į „Zigbee“), žadantis tikrą skirtingų prekės ženklų įrenginių sąveikumą.
• 5G atsiradimas: Nors 5G žinomas dėl didelio greičio, jo „massive Machine-Type Communications“ (mMTC) specifikacija skirta palaikyti itin didelį mažos galios daiktų interneto įrenginių tankį, dar labiau sustiprinant mobiliųjų daiktų interneto galimybes.
• Dirbtinis intelektas ant krašto: Kadangi jutiklių mazgai tampa galingesni, daugiau duomenų apdorojimo gali vykti tiesiogiai įrenginyje („edge computing“). Tai sumažina reikiamų perduoti žalių duomenų kiekį, taupo energiją ir pralaidumą, ir keičia ryšio modelius iš nuolatinio srauto į retus, pagrįstus įžvalgomis atnaujinimus.
• Daugiaprotookoliniai įrenginiai: Matome vis daugiau įrenginių ir įrenginių, turinčių kelis radijo imtuvus (pvz., BLE vietiniam įjungimui ir „LoRaWAN“ ilgalaikiam duomenų perdavimui), siūlančius geriausią iš abiejų pasaulių.

Išvada: tinkamo protokolo pasirinkimas jūsų projektui

Nematomi belaidžio ryšio greitkeliai yra įvairūs ir specialiai sukurti. Nėra vieno protokolo, kuris valdytų juos visus. Kelionė į sėkmingą WSN diegimą prasideda nuo išsamios jūsų programos unikalių reikalavimų analizės.

Pradėkite nuo savo poreikių žemėlapio, palyginę juos su pagrindiniais veiksniais: diapazonu, duomenų perdavimo sparta, energijos biudžetu, topologija, masteliu ir kaina. Ar kuriate išmaniųjų namų produktą, kuris turi būti patikimas ir suderinamas? „Zigbee“ arba „Z-Wave“ gali būti jūsų atsakymas. Nešiojamas fitneso sekimo priemonė? BLE yra akivaizdus pasirinkimas. Sekti žemės ūkio jutiklius didžiuliame ūkyje? „LoRaWAN“ diapazonas ir privačių tinklų galimybės puikiai tinka. Stebėti vertingą turtą visoje šalyje? LTE-M patikimumas ir mobilumas yra nepakeičiami.

Suprasdami pagrindinius šių galingų protokolų kompromisus, galite projektuoti ir kurti jutiklinius tinklus, kurie ne tik prijungti, bet ir efektyvūs, tvarūs ir pasirengę ateičiai. Nuo to priklauso duomenų revoliucija.