Navigācija pa neredzamajiem lielceļiem: Dziļš ieskats bezvadu sakaru protokolos sensoru tīkliem

Mūsu arvien vairāk savienotajā pasaulē notiek neredzama revolūcija. Tā ir pasaule, ko darbina sīki, inteliģenti sensori, kas uzrauga visu, sākot no Tokijas tilta konstrukcijas integritātes līdz vīna dārza augsnes mitrumam Kalifornijā, no gaisa kvalitātes viedā pilsētā, piemēram, Singapūrā, līdz pacienta dzīvībai svarīgām pazīmēm slimnīcā Berlīnē. Šīs plašās, savstarpēji savienotās sistēmas, kas pazīstamas kā bezvadu sensoru tīkli (WSN), veido lietu interneta (IoT) centrālo nervu sistēmu. Bet kā šīs miljardiem ierīču sazinās savā starpā un ar mākoni? Atbilde slēpjas sarežģītā un aizraujošā bezvadu sakaru protokolu pasaulē – neredzamajos lielceļos, kas pārraida mūsu datus.

Pareiza protokola izvēle ir viens no vissvarīgākajiem lēmumiem, izstrādājot IoT risinājumu. Tas ietekmē visu: akumulatora darbības laiku, darbības rādiusu, datu ātrumu, tīkla lielumu, drošību un galu galā kopējās īpašumtiesību izmaksas. Šī rokasgrāmata sniedz visaptverošu pārskatu par ievērojamākajiem bezvadu sakaru protokoliem, palīdzot inženieriem, izstrādātājiem un lēmumu pieņēmējiem orientēties šajā sarežģītajā ainavā, lai izveidotu stabilus, efektīvus un mērogojamus sensoru tīklus.

Protokolu slāņa izpratne WSN

Pirms iedziļināties konkrētos protokolos, ir svarīgi saprast, ka bezvadu sakari nav monolīta vienība. Tas ir strukturēts slāņos, ko bieži konceptualizē, izmantojot tādus modeļus kā atvērto sistēmu savienojamības (OSI) modelis. WSN gadījumā vienkāršots slānis bieži ir praktiskāks, taču galvenā ideja paliek nemainīga: katrs slānis apstrādā konkrētu uzdevumu, abstrahējot tā sarežģītību no slāņiem virs un zem tā.

Mūsu mērķiem mēs koncentrēsimies uz slāņiem, kas ir vissvarīgākie bezvadu savienojamībai:

• Fiziskais slānis (PHY): Šis ir zemākais līmenis, kas ir atbildīgs par faktisko neapstrādātu bitu pārraidi pa ēteru. Tas definē tādus parametrus kā frekvenču joslas (piemēram, 2,4 GHz, 868 MHz), modulācijas metodes un datu pārraides ātrumu.
• Datu savienojuma slānis (MAC): Multivides piekļuves kontroles (MAC) slānis pārvalda, kā ierīces piekļūst koplietotajai bezvadu videi, apstrādā kļūdu noteikšanu un labošanu, kā arī ierāmē datu paketes. Šeit notiek liela daļa no “mazjaudas maģijas”.
• Tīkla slānis: Šis slānis ir atbildīgs par datu pakešu maršrutēšanu no to avota uz galamērķi, kas ir īpaši svarīgi sarežģītos vairāku lēcienu tīklos, piemēram, režģu topoloģijās.

Atšķirībā no tradicionālajiem interneta protokoliem, kas paredzēti energoietilpīgai videi, WSN protokoli ir veidoti, pamatojoties uz unikālu ierobežojumu kopumu: ārkārtīgi zems enerģijas patēriņš ilgam akumulatora darbības laikam, ierobežota apstrādes jauda un atmiņa sensoru mezglos, datu zudumu tolerance un nepieciešamība mērogot līdz potenciāli tūkstošiem vai miljoniem ierīču.

Galvenie faktori protokola izvēlei

Nav viena “labākā” protokola. Optimālā izvēle vienmēr ir kompromiss, līdzsvarojot konkurējošās prasības, kas ir specifiskas lietojumprogrammai. Šeit ir svarīgi faktori, kas jāņem vērā:

Diapazons

Cik tālu jūsu signāliem ir jānokļūst? Šis ir pirmais un vissvarīgākais jautājums. Protokoli tiek plaši iedalīti pēc diapazona:

• Īss diapazons (zem 100 metriem): Ideāli piemērots personisko tīklu (PAN) un vietējām vidēm, piemēram, viedajām mājām, rūpnīcu grīdām vai valkājamām ierīcēm. Piemēri ietver BLE un Zigbee.
• Vidējs diapazons (līdz 1 kilometram): Piemērots savienojamībai visā pilsētiņā vai no ēkas uz ēku. Wi-Fi HaLow iekļaujas šajā kategorijā.
• Garš diapazons (1 līdz 10+ kilometri): Būtisks mazjaudas platjoslas tīkliem (LPWAN), ko izmanto viedajās pilsētās, lauksaimniecībā un loģistikā. Piemēri ietver LoRaWAN un NB-IoT.

Datu pārraides ātrums (joslas platums)

Cik daudz datu jums ir jānosūta un cik bieži? Pastāv tiešs kompromiss starp datu pārraides ātrumu, diapazonu un enerģijas patēriņu.

• Zems datu pārraides ātrums (kbps): Pietiekami, lai nosūtītu mazas, neregulāras paketes, piemēram, temperatūras rādījumu, durvju statusu vai GPS koordinātu. Lielākā daļa LPWAN un īsa darbības rādiusa IoT protokolu darbojas šeit.
• Augsts datu pārraides ātrums (Mbps): Nepieciešams tādām lietojumprogrammām kā video straumēšana no drošības kameras vai liela programmaparatūras atjauninājumu pārsūtīšana. Wi-Fi ir dominējošais protokols šajā jomā.

Enerģijas patēriņš

Sensoriem, kas darbojas ar akumulatoru, šis bieži ir vissvarīgākais faktors. Mērķis parasti ir panākt vairāku gadu akumulatora darbības laiku. Protokoli, kas paredzēti WSN, izmanto dažādas enerģijas taupīšanas metodes, piemēram, dziļā miega režīmus, minimālu pārraides laiku un efektīvus MAC slāņus.

Tīkla topoloģija

Kā ierīces tiks organizētas un sazināsies savā starpā?

• Zvaigžņu topoloģija: Visi mezgli ir tieši savienoti ar centrālo vārteju. Tas ir vienkāršs un energoefektīvs mezgliem, bet tam ir viens atteices punkts un ierobežots diapazons, ko nosaka vārtejas sasniedzamība. LoRaWAN un NB-IoT izmanto šo.
• Režģa topoloģija: Mezgli var sazināties savā starpā, pārsūtot ziņojumus mezgliem, kas atrodas ārpus vārtejas tiešā diapazona. Tas izveido noturīgu, pašārstējošu tīklu, kas var aptvert lielas, sarežģītas teritorijas. Zigbee un Z-Wave ir galvenie piemēri.
• Vienādranga: Ierīces var savienoties tieši viena ar otru bez centrālā mezgla, kā redzams klasiskajā Bluetooth.

Mērogojamība un drošība

Cik ierīces jūsu tīklam būs jāatbalsta gan tagad, gan nākotnē? Pārliecinieties, vai protokols var apstrādāt nepieciešamo blīvumu un mezglu skaitu. Turklāt drošība nav apspriežama. Vienmēr novērtējiet protokola iebūvētās drošības funkcijas, piemēram, AES šifrēšanu datu konfidencialitātei un autentifikācijas mehānismus, lai novērstu neatļautu piekļuvi.

Izmaksas un ekosistēma

Apsveriet gan aparatūras (mikroshēmu komplekta) izmaksas par mezglu, gan jebkādas tīkla infrastruktūras vai datu abonēšanas maksas (īpaši šūnu IoT). Turklāt novērtējiet protokola ekosistēmas briedumu, tostarp izstrādes komplektu pieejamību, kopienas atbalstu un sertificētus profesionāļus.

Dziļš ieskats īsa darbības rādiusa protokolos

Šie protokoli ir vietējā savienojamības darba zirgi, kas nodrošina visu, sākot no mūsu viedajām mājām līdz savienotajām rūpnīcām.

Zigbee (IEEE 802.15.4)

Zigbee ir nobriedis un stabils standarts, kas veidots uz IEEE 802.15.4 fiziskajiem un MAC slāņiem. Tā definējošā iezīme ir tā jaudīgā režģa tīkla iespēja.

• Galvenās funkcijas: Zems enerģijas patēriņš, zems datu pārraides ātrums (līdz 250 kbps) un atbalsts lieliem, pašārstējošiem režģa tīkliem ar tūkstošiem mezglu. Tas darbojas galvenokārt globāli pieejamā 2,4 GHz joslā.
• Plusi: Lieliski piemērots noturīgu, liela mēroga vietējo tīklu izveidei. Spēcīgs nozares atbalsts un standartizācija, izmantojot Connectivity Standards Alliance (CSA). Drošs, ar iebūvētu AES-128 šifrēšanu.
• Mīnusi: 2,4 GHz josla var būt pārpildīta, izraisot iespējamus traucējumus no Wi-Fi un Bluetooth. Datu pārraides ātrums nav pietiekams augstas joslas platuma lietojumprogrammām.
• Biežākie pielietojumi: Viedās mājas automatizācija (apgaismojums, termostati, sensori), ēku automatizācija, rūpnieciskās vadības sistēmas un viedā enerģijas uzskaite.

Bluetooth Low Energy (BLE)

Sākotnēji paredzēts personisko tīklu tīkliem, BLE ir kļuvis par dominējošu spēku IoT. Tas ir optimizēts, lai sūtītu mazus, neregulārus datu paketes starp ierīcēm.

• Galvenās funkcijas: Īpaši zems enerģijas patēriņš, kas ļauj ierīcēm darboties gadiem ilgi ar monētu bateriju. Visuresošs viedtālruņos, padarot tos par dabisku vārteju. Darbojas 2,4 GHz joslā.
• Plusi: Zemas izmaksas, masveida ekosistēma, vietējais atbalsts praktiski visās mūsdienu mobilajās ierīcēs. Nesen pievienotās funkcijas, piemēram, Bluetooth Mesh, ir paplašinājušas tā iespējas ārpus vienkāršiem punkts-punkts savienojumiem.
• Mīnusi: Ierobežots diapazons (parasti 10-50 metri). Uzņēmīgi pret traucējumiem pārpildītajā 2,4 GHz joslā. Režģa implementācija ir mazāk nobriedusi nekā Zigbee.
• Biežākie pielietojumi: Valkājamas ierīces (fitnesa izsekotāji, viedpulksteņi), veselības aprūpes uzraudzība, līdzekļu izsekošana ar bākugunīm (mazumtirdzniecība, muzeji) un plaša patēriņa elektronika.

Z-Wave

Z-Wave ir patentēts protokols, kas galvenokārt koncentrējas uz dzīvojamo viedo māju tirgu. Tas ir pazīstams ar savu uzticamību un savietojamību.

• Galvenās funkcijas: Darbojas zem 1 GHz joslā (piemēram, 908 MHz Ziemeļamerikā, 868 MHz Eiropā), kas ir mazāk pārpildīta un nodrošina labāku signāla iekļūšanu caur sienām nekā 2,4 GHz josla. Tas atbalsta vienkārši pārvaldāmu režģa tīklu ar līdz pat 232 ierīcēm.
• Plusi: Augsta uzticamība un mazāk traucējumu. Spēcīga sertifikācijas programma nodrošina savietojamību starp ierīcēm no dažādiem ražotājiem.
• Mīnusi: Patentēta tehnoloģija (lai gan standarts kļūst atvērtāks), zemāks datu pārraides ātrums un mazāka ekosistēma salīdzinājumā ar Zigbee vai BLE. Ierobežots mezglu skaits vienā tīklā.
• Biežākie pielietojumi: Ekskluzīvi koncentrējas uz viedās mājas produktiem, piemēram, viedām slēdzenēm, apgaismojuma vadības ierīcēm, termostatiem un dzīvojamo māju drošības sensoriem.

Wi-Fi (IEEE 802.11)

Lai gan standarta Wi-Fi ir pazīstams ar savu lielo joslas platumu, tradicionāli tas ir bijis pārāk energoietilpīgs lielākajai daļai WSN lietojumprogrammu. Tomēr tam ir noteikta loma.

• Galvenās funkcijas: Ļoti augsts datu pārraides ātrums (Mbps līdz Gbps), izmantojot esošo un visuresošo tīkla infrastruktūru. IP-natīva komunikācija.
• Plusi: Vienkārša integrācija esošajos IP tīklos. Nav nepieciešama atsevišķa vārteja. Ideāli piemērots augstas joslas platuma IoT ierīcēm.
• Mīnusi: Liels enerģijas patēriņš padara to nepiemērotu lielākajai daļai ar akumulatoru darbināmu sensoru. Sarežģīta iestatīšana un drošības pārvaldība (piemēram, Wi-Fi akreditācijas datu koplietošana).
• Biežākie pielietojumi: Viedo māju drošības kameras, video durvju zvani, digitālās zīmes un kā atpakaļsavienojums IoT vārtejām. Piezīme: Jaunāki standarti, piemēram, Wi-Fi HaLow (IEEE 802.11ah), novērš šos ierobežojumus, piedāvājot lielāku diapazonu un mazāku jaudu, mērķējot uz IoT telpu tiešāk.

Garā darbības rādiusa protokolu izpēte (LPWAN)

Mazjaudas platjoslas tīkli (LPWAN) ir pārveidojoša tehnoloģija, kas nodrošina savienojamību sensoriem, kas izvietoti plašos ģeogrāfiskos apgabalos, piemēram, pilsētās, saimniecībās un loģistikas ķēdēs.

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network)

LoRaWAN ir vadošais LPWAN protokols, kas pazīstams ar savu izcilo diapazonu un elastību. Tas ir atvērts standarts, ko pārvalda LoRa Alliance.

• Galvenās funkcijas: Izmanto Chirp Spread Spectrum (CSS) modulāciju, kas nodrošina ļoti tāla darbības rādiusa komunikāciju (kilometri) un ir ļoti noturīga pret traucējumiem. Īpaši zems enerģijas patēriņš. Darbojas nelicencētās zem 1 GHz ISM joslās. Izmanto zvaigžņu-zvaigžņu topoloģiju.
• Plusi: Lielisks diapazons un iekļūšana ēkās. Atvērts standarts ar lielu un augošu ekosistēmu. Elastība izvietot privātos tīklus pilnīgai kontrolei vai izmantot publiskos tīkla operatorus.
• Mīnusi: Zems datu pārraides ātrums un darba cikla ierobežojumi nelicencētās joslās ierobežo, cik bieži ierīce var pārraidīt. Nav ideāli piemērots zemas latentuma vai komandu un vadības lietojumprogrammām.
• Biežākie pielietojumi: Viedā lauksaimniecība (augsnes sensori, mājlopu izsekošana), viedā uzskaite (ūdens, gāze), līdzekļu izsekošana, viedās pilsētas infrastruktūra (atkritumu apsaimniekošana, parkošanās sensori) un rūpnieciskā uzraudzība.

Sigfox

Sigfox ir vēl viens liels LPWAN spēlētājs, bet tas darbojas kā globāls tīkla pakalpojumu sniedzējs. Klienti izmanto tā tīklu, nevis izvieto savu.

• Galvenās funkcijas: Izmanto īpaši šauru joslu (UNB) tehnoloģiju, kas nodrošina ļoti efektīvu spektra izmantošanu un izcilu uztvērēja jutību. Īpaši zema jauda un zemas izmaksas. Tas ir paredzēts mazu, neregulāru ziņojumu sūtīšanai.
• Plusi: Vienkāršība gala lietotājam – nav nepieciešama tīkla pārvaldība. Ļoti zemas ierīču un savienojamības izmaksas. Viens līgums nodrošina piekļuvi tā globālajam tīklam.
• Mīnusi: Patentēta tehnoloģija ar vienu operatoru. Ļoti ierobežota datu slodze (12 baiti augšupsaites, 8 baiti lejupielādes) un stingrs ierobežojums ziņojumu skaitam dienā. Galvenokārt vienvirziena saziņa, padarot to nepiemērotu lietojumprogrammām, kurām nepieciešama bieža lejupielādes kontrole.
• Biežākie pielietojumi: Vienkāršas signalizācijas sistēmas, pamata aktīvu izsekošana, komunālo pakalpojumu skaitītāju rādījumi un lietojumprogrammas, kurām nepieciešami vienkārši statusa atjauninājumi (piemēram, “ieslēgts/izslēgts”, “pilns/tukšs”).

NB-IoT un LTE-M (Cellular IoT)

Šaurjoslas IoT (NB-IoT) un LTE-M (Long-Term Evolution for Machines) ir divi LPWAN standarti, ko izstrādājusi 3GPP, lai darbotos esošajos mobilo sakaru tīklos. Tie darbojas licencētā spektrā, piedāvājot operatora klases uzticamību un drošību.

• Galvenās funkcijas: Izmanto esošo 4G/5G infrastruktūru, nodrošinot plaša apgabala pārklājumu bez nepieciešamības veidot jaunus tīklus. Licencēts spektrs nozīmē mazāk traucējumu un labāku pakalpojumu kvalitāti.
• NB-IoT: Optimizēts ļoti zemam datu pārraides ātrumam, milzīgam statisku ierīču skaitam un izcilai iekļūšanai dziļi iekštelpās. Tas ir ideāli piemērots ierīcēm, kas sūta nelielu datu apjomu neregulāri, piemēram, viedajiem skaitītājiem, kas uzstādīti pagrabos.
• LTE-M: Piedāvā augstāku datu pārraides ātrumu nekā NB-IoT, mazāku latentumu un atbalstu ierīču mobilitātei (pārslēgšanās starp šūnu torņiem) un pat balss (VoLTE). Tas ir piemērots prasīgākām lietojumprogrammām.
• Plusi: Augsta uzticamība un drošība. Globāls pārklājums, izmantojot viesabonēšanas līgumus. Lieliski piemērots mobilajiem aktīviem (LTE-M) un grūti sasniedzamām vietām (NB-IoT).
• Mīnusi: Parasti lielāks enerģijas patēriņš nekā LoRaWAN vai Sigfox. Nepieciešama SIM karte un datu plāns no mobilā tīkla operatora, kas var nozīmēt lielākas atkārtotas izmaksas.
• Biežākie pielietojumi (NB-IoT): Viedā komunālo pakalpojumu uzskaite, viedās pilsētas sensori (parkošanās, apgaismojums), ēku automatizācija, lauksaimniecības uzraudzība.
• Biežākie pielietojumi (LTE-M): Flotes pārvaldība, aktīvu izsekošana, savienotas veselības aprūpes ierīces, valkājamas ierīces un tirdzniecības vietu termināli.

Lietojumprogrammu slāņa protokoli: Datu izpratne

Lai gan iepriekš minētie protokoli veido lielceļu, lietojumprogrammu slāņa protokoli nosaka valodu, kurā runā šajā lielceļā. Tie nodrošina, ka mākoņa platforma saprot datus no sensora.

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)

MQTT ir vienkāršs, publicēšanas/abonēšanas ziņojumapmaiņas protokols, kas ir kļuvis par de-facto standartu IoT. Tā vietā, lai ierīce tieši aptaujātu serveri, tā publicē ziņojumus par “tēmu” centrālajā brokerī. Citas lietojumprogrammas abonē šo tēmu, lai saņemtu ziņojumus. Šī atsaiste ir neticami efektīva mazjaudas, neuzticamiem tīkliem.

CoAP (Constrained Application Protocol)

CoAP ir paredzēts, lai būtu HTTP vienkāršota versija, kas veidota ierobežotām ierīcēm un tīkliem. Tas izmanto pieprasījuma/atbildes modeli, kas ir līdzīgs HTTP, bet efektivitātes labad darbojas virs UDP. Tā ir laba izvēle ierīcēm, kas jāpieprasa tieši kontrolētā tīklā.

Jaunā ainava un nākotnes tendences

WSN protokolu pasaule nemitīgi attīstās. Galvenās tendences, kam jāpievērš uzmanība, ietver:

• Sadarbspēja ar Matter: Viedajai mājai Matter standarts (ko atbalsta lielākie tehnoloģiju uzņēmumi) cenšas izveidot vienotu lietojumprogrammu slāni, kas darbojas ar tādiem protokoliem kā Wi-Fi un Thread (uz IPv6 balstīts režģa protokols, kas ir līdzīgs Zigbee), solot patiesu savietojamību starp ierīcēm no dažādiem zīmoliem.
• 5G pieaugums: Lai gan 5G ir pazīstams ar lielu ātrumu, tā masveida Machine-Type Communications (mMTC) specifikācija ir paredzēta, lai atbalstītu ārkārtīgi augstu mazjaudas IoT ierīču blīvumu, vēl vairāk palielinot mobilo IoT iespējas.
• AI Edge: Tā kā sensoru mezgli kļūst jaudīgāki, vairāk datu apstrādes var notikt tieši ierīcē (“edge computing”). Tas samazina neapstrādātu datu apjomu, kas jāpārraida, ietaupot enerģiju un joslas platumu un mainot sakaru modeļus no pastāvīgas straumēšanas uz neregulāriem, uz ieskatiem balstītiem atjauninājumiem.
• Vairāku protokolu ierīces: Mēs redzam vairāk ierīču un vārteju, kas ietver vairākas radio (piemēram, BLE vietējai nodošanai ekspluatācijā un LoRaWAN tālsatiksmes datu atpakaļsavienojumam), piedāvājot labāko no abām pasaulēm.

Secinājums: Pareiza protokola izvēle jūsu projektam

Bezvadu sakaru neredzamie lielceļi ir daudzveidīgi un mērķtiecīgi. Nav neviena protokola, kas valdītu pār visiem. Ceļojums uz veiksmīgu WSN izvietošanu sākas ar rūpīgu jūsu lietojumprogrammas unikālo prasību analīzi.

Sāciet, saskaņojot savas vajadzības ar galvenajiem faktoriem: diapazons, datu pārraides ātrums, enerģijas budžets, topoloģija, mērogs un izmaksas. Vai jūs veidojat viedo mājas produktu, kam jābūt uzticamam un savietojamam? Zigbee vai Z-Wave varētu būt jūsu atbilde. Valkājams fitnesa izsekotājs? BLE ir skaidra izvēle. Lauksaimniecības sensoru izsekošana milzīgā saimniecībā? LoRaWAN diapazons un privātā tīkla iespējas ir lieliski piemērotas. Augstvērtīgu aktīvu izsekošana visā valstī? LTE-M uzticamība un mobilitāte ir neaizstājama.

Izprotot būtiskos kompromisus starp šiem jaudīgajiem protokoliem, jūs varat izstrādāt un izveidot sensoru tīklus, kas ir ne tikai savienoti, bet arī efektīvi, ilgtspējīgi un gatavi nākotnei. Datu revolūcija no tā ir atkarīga.