Протоколы и системы передачи данных IoT

2. Сети IoT

2.1 Введение

Для задач IoT используются беспроводные технологии, такие, как традиционные Wi-Fi и Bluetooth, и специализированные решения, основанные на mesh-сетях, такие как Zig-Bee, Z-Wave, EnOcean, территориально распределенный LoRa, технологии, основанные на сотовой связи: LTE-M, NB LTE-M и NB-IOT, и другие.

В промышленных сетях передачи данных и IIoT сетях распространены проводные среды и специализированные протоколы связи, использующие, как правило, специальное оборудование, например: Modbus, PROFIBUS (Siemens), CAN, HART, и другие, наряду с традиционным Ethernet.

Для промышленных сетей передача информации в облако сейчас реализуется значительно реже, чем использование облачных технологий для бытовых устройств, поэтому далее мы будем рассматривать различные беспроводные технологии и решения, характерные для IoT.

2.2 Особенности создания сетей IoT

Cети IoT отличаются от традиционных сетей передачи данных следующими требованиями:

·        Большое количество неоднородных элементов.

·        Требования к надежности.

·        Высокая отказоустойчивость.

·        Передача данных в режиме реального времени с минимальными задержками.

·        Ad-hoc архитектура.

·        Малое энергопотребление.

·        Низкая стоимость устройств и коммутационных элементов.

Дополнительные возможности для сетей этого типа:

·       Поддержка программно -определяемых сетей и виртуализации сетевых функций

·       Анализ  и обработка данных в реальном времени

2.3 Mesh-сети

Наиболее эффективны для заявленных задач являются сети с  ячеистой топологией (mesh-топология). 

Особенности меш-сетей:

·       Каждое устройство может связываться с любым другим устройством как напрямую, так и через промежуточные узлы сети.

·       Альтернативные варианты выбора маршрута между узлами.

Относительно модели OSI технологии, поддерживающие ячеистые сети, располагаются на разных уровнях модели:

·      6loWPAN – 2-3

·        ZigBee – 3-6

2.4. Беспроводные протоколы связи

2.4.1 ZigBee

Wikipedia: спецификация сетевых протоколов верхнего уровня — уровня приложений APS (application support sublayer) и сетевого уровня NWK, — использующих сервисы нижних уровней — уровня управления доступом к среде MAC и физического уровня PHY, регламентированных стандартом IEEE 802.15.4. ZigBee и IEEE 802.15.4 описывают беспроводные персональные вычислительные сети (WPAN). 

Открытый стандарт беспроводной связи для систем сбора данных и управления.  Создает самоорганизующиеся и самовосстанавливающиеся беспроводные сети с автоматической ретрансляцией сообщений, с поддержкой батарейных и мобильных узлов.

Особенности сети

·       Частотные каналы в диапазонах 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц.

·       Наибольшие скорости передачи данных и наивысшая помехоустойчивость достигаются в диапазоне 2,4 ГГц.  (16 частотных каналов с шагом 5 МГц).

·       Скорость передачи данных вместе со служебной информацией в эфире  составляет 250 кбит/c .

·       Средняя пропускная способность узла от 5 до 40 кбит/с.

·       Расстояния между узлами сети  соcтавляют десятки метров при работе внутри помещения и сотни метров на открытом пространстве.

В основе сети ZigBee лежит ячеистая топология. Используются 4 типа узлов: координатор, роутер, спящее устройство и мобильное устройство.

1.     Координатор  (ZC) - выполняет функции по формированию сети, а также является одновременно доверительным центром (trust-центром). Доверительный центр устанавливает политику безопасности и задает настройки во время подключения устройства к сети.

2.     Спящие и мобильные устройства (Конечное устройство ZigBee (ZED))  используют режимы пониженного энергопотребления. Как правило, это узлы с батарейным питанием. Обычно они выполняют роль датчиков или контроллеров каких-либо исполнительных устройств.

3.     Роутеры (ZR) - осуществляют маршрутизацию пакетов по сети и должны быть готовы к передаче данных в любой момент времени. Поэтому эти узлы не используют режимов пониженного энергопотребления и имеют стационарное питание. Их количество в сети должно быть достаточным для обслуживания требуемого количества спящих и мобильных узлов. Максимальное количество  спящих или мобильных узлов, обслуживаемых одним роутером  - 32.

Протоколы построены на алгоритме AODV (протокол динамической маршрутизации для мобильных ad-hoc сетей (MANET) и других беспроводных сетей) и NeuRFon, предназначенными для образования ad-hoc сетей (децентрализованная беспроводная сеть, образованная случайными абонентами) или узлов.

Радио используют широкополосную модуляцию с прямым расширением спектра которая управляется цифровым потоком в модуляторе. Двоичная фазовая манипуляция (BPSK) используется на полосах в 868 и 915 МГц, а офсетная квадратурная фазовая (QPSK) манипуляция передающая по 2 бита в символе используется на полосе 2,4 ГГц. При передаче через воздух скорость передачи данных составляет 250 кбит/с для каждого канала в диапазоне 2.4 ГГц, 40 кбит/с для каждого канала в диапазоне 915 МГц и 20 кбит/с в диапазоне 868 МГц. Расстояние передачи от 10 до 75 метров и свыше 1500 метров для Zigbee pro.

Базовый режим доступа к каналу - CSMA/CA.

Области применения Zigbee

 ·       Беспроводные сенсорные сети.

·       Автоматизация жилья.

·       Медицинское оборудование.

·       Системы промышленного мониторинга и управления.

·       Бытовая электроника.

·       Периферия персональных компьютеров.

·       Беспроводная инфраструктура систем позиционирования в режиме реального времени (RTLS).

Профили приложений

Позволяют создавать совместимые комплектации в зависимости от поставленной задачи.

·       Домашняя автоматизация

·       Рациональное использование энергии (ZigBee Smart Energy 1.0/2.0)

·       Автоматизация коммерческого строительства

·       Телекоммуникационные приложения

·       Персональный, домашний и больничный уход

·       Игрушки

Типовые области приложения:

·       Домашние развлечения и контроль — рациональное освещение, продвинутый температурный контроль, охрана и безопасность, фильмы и музыка.

·       Домашнее оповещение — датчики воды и энергии, мониторинг энергии, датчики задымления и пожара, рациональные датчики доступа и переговоров.

·       Мобильные службы — мобильные оплата, мониторинг и контроль, охрана и контроль доступа, охрана здоровья и телепомощь.

·       Коммерческое строительство — мониторинг энергии, HVAC, света, контроль доступа.

·       Промышленное оборудование — контроль процессов, промышленных устройств, управление энергией и имуществом.

2.4.2 Z-Wave