За последние десятилетия сенсоры стали более миниатюрными и дешевыми, их мощность потребления снизилась. К сожалению, этого нельзя сказать относительно стоимости монтажа. Стоимость соединительных проводов превышает, как правило, стоимость самого датчика. Например, стоимость выключателя света составляет около 1 долл., в то время как провода могут обойтись в 50 долл., причем большая часть этой суммы идет на оплату труда. Если понадобится перенести переключатель на соседнюю стену, стоимость вырастет еще больше.
Области применения
Основные области применения сетей беспроводных датчиков (WSN — wireless sensor network) — автоматизация строительства, производственный контроль, автоматизация в быту, «умные» электросети, автоматическое считывание показаний приборов учета, автоматизация производственного процесса, мониторинг окружающей среды, инфраструктура парковок и терминалов проезда, мониторинг расхода энергии и управление складскими запасами. В большинстве случаев это двунаправленная асимметричная передача данных — большая часть данных передается в центральный процессор, от него получают служебные команды и данные настройки.
Выбор технологии
С точки зрения потребителя, технологии должны быть недорогими, не должны накладывать ограничений на расположение датчиков, должны обеспечивать малую задержку сигнала и иметь низкое потребление, чтобы батареек хватало на весь срок службы устройства. Последние технологические достижения позволяют выполнить большую часть этих требований.
Для организации сети беспроводных датчиков и систематизированного сбора показаний подходит несколько технологий, в т.ч. спутниковая и мобильная связь, Wi-Fi, IEEE 802.15.4. Спутниковые и мобильные сети подходят для большого количества приложений, однако имеют большой расход энергии в пересчете на пакет. Их недостатком является необходимость оплаты услуг оператора, хотя это может быть и несущественным фактором при адекватной тарифной политике.
Сложности могут возникнуть с покрытием. Очевидно, что сигнал от спутника или сотовой сети плохо проникает через преграды, а датчики — стационарные узлы — не могут менять местоположение в поиске места с приемлемым качеством связи. В то же время для систем, осуществляющих передачу в небольшом объеме (скажем, один пакет в день), спутниковая или сотовая связь — оправданный выбор.
Датчики Wi-Fi (IEEE 802.11b, g) широко распространены. Расход энергии на пакет Wi-Fi датчика намного меньше, чем в сотовой сети, при этом отсутствуют денежные сборы за объем данных. Для Wi-Fi-датчиков актуальны проблемы с покрытием и связностью, поскольку плотность точек доступа, необходимая для надежной связи с фиксированными датчиками, как правило, выше, чем требуется для мобильных пользователей.
Стандарт 802.15.4 определяет физический и канальный (MAC) уровни модели OSI. Он обеспечивает связь на небольшом расстоянии при сравнительно малом потреблении и подходит для сетей беспроводных датчиков. Скорость передачи данных достигает 250 кбит/с, длина пакета не превышает 128 байт. На пересылку нескольких байтов показаний датчиков с данными о маршруте, криптографической защитой и заголовком уходит менее 1 мс. При этом тратится менее 30 мкДж (см. рис. 1). Датчики могут пересылать пакеты от равноправных устройств, расширяя зону действия сети далеко за рамки доступа одного радиоприемника. При этом обеспечивается сохранение функционирования сети при отказе отдельных радиоприемников.
Показатели
Рис. 1. Энергозатраты на передачу и подтверждение
приема пакета 802.15.4. Time — время; current — ток
При сравнении нескольких WSN необходимо оценить, насколько быстро передаются данные, и каковы расходы. Сеть должна быть рассчитана на работу в среде с долей переданных пакетов (PDR), составляющей примерно 50%.
При разработке беспроводных систем сбора данных необходимо выдержать соответствие нескольким критериям. Во-первых, система должна отвечать минимальным требованиям по надежности. В промышленных приложениях необходимо получать 99,9% показаний, а потеря данных может привести к нежелательным последствиям. Во-вторых, система должна обеспечивать заданную полосу пропускания, т.е. осуществлять успешную передачу определенного количества пакетов в единицу времени. В-третьих, пакеты необходимо передать за указанный промежуток времени, иначе содержащаяся в них информация может устареть. В-четвертых, сеть должна быть рассчитана на работу в жестких средах, например, при сильных колебаниях температуры или при соблюдении ограничений, связанных с вопросами безопасности. Ниже будут рассмотрены решения, отвечающие всем четырем требованиям. Ключевым критерием выбора того или иного решения является стоимость владения и гибкость.
Стоимость владения подразумевает затраты на разработку продукта, его установку, стоимость аппаратной части и расходуемой в течение всего срока службы энергии. Беспроводные технологии позволяют существенно снизить стоимость установки, однако при питании от батареи требуется периодическая замена элементов питания. Приходится выбирать метод получения энергии. С одной стороны, можно обойтись несколькими мощными источниками питания (при этом сокращается стоимость аппаратной части), либо использовать большое количество маломощных устройств. В устройствах, питающихся от экологически чистых источников (солнечные или термоэлектрические элементы), емкость конденсатора сильно влияет на стоимость. Ослабить эту зависимость можно с помощью введения детерминированного планирования, например, за счет временного разделения доступа (TDMA), когда ресурсоемкие события не происходят одновременно.
Поскольку невозможно предсказать конечные условия эксплуатации, сети должны обеспечивать гибкость и масштабируемость в зависимости от количества датчиков и плотности их расстановки. Для обеспечения надежности уровень интерференции должен быть невысоким, и система должна сохранять функционирование в случае отказа отдельных узлов. Повысить надежность и уменьшить задержку передачи можно с помощью дополнительных ресурсов, например, за счет увеличения количества беспроводных каналов, увеличения количества соседних устройств для каждого узла, увеличения коэффициента усиления сигнала. При этом растет потребление, поэтому рекомендуется проводить динамическое распределение ресурсов.
Стандартные решения обеспечивают нечувствительность к сбоям в цепи поставок одного из поставщиков, а также соответствуют руководящим принципам работы, таким как безопасность архитектуры.
Сложности
Беспроводной канал сам по себе ненадежен — разнообразные препятствия мешают переданному пакету достичь приемника. Одним из таких явлений является интерференция. Если два передатчика используют один канал, сигналы накладываются, и каждый искажается на приемном конце. Из-за этого передатчик вынужден повторять передачу, расходуя дополнительные время и энергию.
Интерференция может возникать от самой сети, если в ней не предусмотрен механизм планирования сессий. Особенно сложна ситуация, когда два передатчика слышат приемник, но не слышат друг друга. Такое явление называется «скрытый терминал». В этом случае для разрешения коллизий необходимо использовать механизмы обратной связи и получения подтверждения. Интерференция может быть также обусловлена работой другой сети в данном частотном диапазоне. Это внешняя интерференция, которая особенно сильна в нелицензируемом диапазоне 2,400…2,485 ГГц, в котором работают устройства Wi-Fi, Bluetooth и 802.15.4.
На рисунке 2 показаны уровни интерференции, воздействующей на сеть из 45 узлов 802. 15.4, которые обмениваются 12 млн пакетов, равномерно распределенных по 16 каналам. На графике изображена средняя доля переданных пакетов в зависимости от номера канала, в котором производится передача. Эта доля меньше в каналах, перекрывающихся с каналами Wi-Fi.
Второй причиной возникновения интерференции является многолучевость прохождения сигнала (см. рис. 3), которая может привести к потере пакета. Это более опасная ситуация, и ее сложно оценить количественно. Этот эффект часто называют «внутренней интерференцией». Она возникает, когда приемник улавливает помимо сигнала, идущего по линии прямой видимости, тот же сигнал, отраженный от препятствий (потолок, пол, люди и т.д.). Поскольку эти сигналы проходят путь различной длины, они приходят в разное время и при взаимодействии друг с другом могут потерять исходную информацию.
Рис. 2. Интерференция между Wi-Fi и 802.15.4 на полосе 2,4…2,485 ГГц.
Frequency channel — частотный канал; individual runs — отдельные сессии;
average over all runs — среднее значение;
average over all links — средний уровень интерференции на линии
На рисунке 3 изображена диаграмма для передатчика, передающего 1000 пакетов. Сначала приемник был расположен на расстоянии 5 м, а потом перемещался по узлам сетки 35×20 см. По оси Z отложена доля успешно принятых пакетов (PDR). В одних узлах передача осуществляется исправно, однако в других из-за многолучевости распространения ни один пакет не был принят корректно. Многолучевость зависит от расположения и свойств всех объектов окружающей среды, и ее сложно предсказать на практике.
Диаграмма, изображенная на рисунке 3, зависит от частоты сигнала. Таким образом, если пакет не был принят, повторную передачу следует осуществлять на другой частоте. С высокой степенью вероятности пакет будет передан успешно. Поскольку большинство объектов нестатично (автомобили движутся, двери открываются и закрываются), путь распространения сигнала меняется во времени.
На рисунке 4 показана доля успешно принятых пакетов в сети из двух датчиков промышленного назначения. Передача осуществляется по 16 каналам, измерения проводились в течение 26 дней. Четко виден недельный цикл: некоторые каналы хорошо работают в будни, другие — по выходным, третьи — с переменными свойствами. Нельзя выделить один канал, который был бы всегда хорош. Канал 17 в целом имеет лучшие показатели, хотя, по крайней мере, в одном цикле он показал нулевую эффективность.
Рис. 3. Разброс уровней качества связи в беспроводных каналах
Из-за многолучевости и интерференции ключ к построению надежной сети лежит в использовании нескольких каналов и путей прохождения сигнала.
Рис. 4. Доля успешно переданных пакетов в канале.
Channel — канал; time — время (дни)
Решение
Как уже говорилось, для построения сети беспроводных датчиков подходит технология 802.15.4. Она обеспечивает низкое потребление и низкую скорость передачи на физическом уровне в нескольких нелицензируемых диапазонах, в т.ч. 915 МГц в США и 2,4 ГГц по всему миру.
Технология расширения спектра в полосе 2,4 ГГц обеспечивает нечувствительность к шуму, что особенно важно, если маломощные устройства рассчитаны на работу в загруженной нелицензируемой полосе. Согласно требованиям стандарта, пакет должен иметь подтверждение и при необходимости — защиту и цифровую подпись. Это гибкое решение основано на нескольких протоколах, в т.ч. ZigBee для организации асинхронных одноканальных сетей и WirelessHART для формирования синхронизованных по времени многоканальных сетей.
В протоколе WirelessHART, к разработке которого приложила руку Dust Networks, описан физический уровень 802.15.4 2,4 ГГц и канальный уровень 802.15.4, который добавляет к возможностям МАС 802.15.4 такие функции как синхронизация, перестройка каналов, приоритетность и аутентификация по времени.
Протокол WirelessHART устанавливает временной интервал, в течение которого должна быть соблюдена синхронизация, предусматривает механизмы планирования времени и использования канала, формируя кусочную передачу повторяющихся суперкадров. Протокол был разработан для бесшовной интеграции беспроводных устройств в существующие проводные сети HART, которые широко применяются для мониторинга производственного процесса и в системах управления. WirelessHART расширяет набор команд прикладного уровня HART, добавляя команды управления ресурсами беспроводной сети и мониторинга работоспособности сети.
Протокол WirelessHART позволяет создавать очень надежные ячеистые сети даже из устройств, не находящихся в зоне прямой видимости и удаленных друг от друга на десятки и сотни метров. У каждого узла имеется несколько соседних, с которыми он может обмениваться данными, и несколько маршрутов отправки, что обеспечивает надежность передачи.
Сети WirelessHART имеют центральный управляющий узел. Полевые устройства (беспроводные датчики) отправляют в него информацию о состоянии. На основе этой информации центральный контроллер проводит оптимизацию сети. Показания датчиков отправляются в шлюзы. В текущем году была принята поправка 802.15.4e, в которой помимо прочего были формализованы параметры перестройки временных слотов по примеру процедуры, выполняемой на канальном уровне WirelessHART 802.15.4.
Стандарт определяет механизмы распространения информации о синхронизации, чтобы устройства могли синхронизоваться с сетью, обеспечивает временную безопасность и определяет очередность кусочной передачи и последовательность перескоков. В нем активно используется запаковка данных в информационные элементы, которые позволяют устанавливать собственные расширения на уровне МАС без ожидания обновления стандарта. Это необходимо для упрощения разработки многоуровневых протоколов и введено для соответствия сетевому уровню 6LoWPAN IPv6, как определено в IETF RFCs 4944 и 6282.3.
Примеры
В линии продуктов SmartMesh подразделения Linear Dust Networks имеются устройства, совместимые как с WirelessHART, так и с 6LoWPAN IPv6. Это повышает надежность решений 802.15.4 и позволяет снизить потребление сетей беспроводных датчиков.
Семейство Dust Networks Eterna (LTC 5800) объединяет миниатюрные однокристальные устройства, содержащие микропроцессор Cortex-M3, модули памяти, периферийные блоки. Их отличает самое низкое потребление среди представленных на рынке систем 802.15.4 (см. рис. 5). Их встраивают в беспроводные датчики для автоматизации процессов формирования и оптимизации сети, а также сбора показаний датчиков.
Контроллеры Dust Networks позволяют масштабировать сеть и менять ее размер от десятков до нескольких тысяч датчиков. Оба семейства позволяют создавать ячеистые сети с высокой надежностью и возможностью настройки скорости передачи каждого узла в отдельности. Они подходят для решения большого круга задач. Рассмотрим некоторые области применения однокристальных интеллектуальных устройств и контроллеров
Рис. 5. Структура миниатюрного интеллектуального датчика LTC5800 Dust Eterna.
Flash — флэш; controller — контроллер; code — код; system — система; slave — подчиненное устройство; timers shed — планирование работы таймеров; clock — тактовый сигнал; Framing DMA — ПДП для пакета; demod — демодуляция; ADC — АЦП; ctrl — управление; DAC — ЦАП; LPF — ФНЧ; limiter — ограничитель; converter — преобразователь; relaxation oscillator — релаксатор; BPF — полосовой фильтр; AGC — ФРУ; load — нагрузка; PLL — ФАПЧ; LNA — МШУ; PPF — преобразователь Фурье; PA — УМ; voltage reference — ИОН; regulator — регулятор; core — ядро; analog — аналоговая схема
Парковки. Компания Streetline занимается производством систем мониторинга занятости парковочных мест в режиме реального времени. Детекторы автомобилей устанавливаются под парковочными местами и на тротуарах. Антенна датчика загорожена автомобилем, когда парковочное место занято. Многолучевость в данном случае играет большую роль, поскольку от расположения автомобилей сильно зависит качество связи между приемником и передатчиком.
Ретрансляторы устанавливаются на фонарные столбы, чтобы обеспечить линию прямой видимости с датчиками. Они формируют ячеистую сеть и собирают данные о занятости парковочных мест, которые затем передаются в городскую базу данных и становятся доступными пользователям и контролирующим органам. Для данного приложения беспроводная технология является основополагающей, поскольку не представляется возможным проводить проводные линии к каждому парковочному месту. За счет низкого потребления элементов питания хватает надолго.
Контроль процесса очистки масла. Компания Сhevron использует беспроводные технологии для контроля линии отжима и очистки масла. Беспроводные сети часто используются в жестких средах, например, при повышенных температурах, в присутствии опасных химикатов или под угрозой взрыва, где не представляется возможным проложить линии для проводных датчиков. Кроме того, беспроводные устройства могут быть использованы в подвижных и вращающихся элементах.
На рисунке 6 показан пример использования беспроводных датчиков на очистном заводе. Для сбора данных в управляющем центре используется ячеистая сеть Cisco IEEE 802.11a в качестве объединительной для управляющих устройств IEEE 802.15.4. Это позволяет маломощному датчику подать информацию локальному контроллеру о месте сбора данных. Это пример тесного взаимодействия двух стандартов.
Рис. 6. Архитектура сети, осуществляющей контроль очистной линии.
Process — процесс; plant — предприятие; control — управление; network — сеть; switch — коммутатор; data — данные; wireless gateway — беспроводной шлюз; device — устройство
Мониторинг потребления. Компания Vigilent занимается производством систем управления энергопотреблением для использования внутри помещения, например, в центрах сбора данных, где контроль параметров окружающей среды является критичным. Поскольку перегрев в какой-либо части центра сбора данных может привести к отказу оборудования, охладительная система работает зачастую на полную мощность, хотя не всегда такой расход оправдан.
Подобный подход в компании считают расточительным. Вместо этого установлена сеть беспроводных датчиков, отслеживающих температуру. Поскольку вопрос безопасности данных на производстве имеет важное значение, беспроводной протокол подразумевает криптографическую защиту как на приемном и передающем концах, так и на входе управляющих сетевых устройств.
Заключение
Многоканальные ячеистые сети с временной синхронизацией на основе радиоприемников 802.15.4 позволяют преодолеть большинство сложностей, возникающих при построении гибких, надежных и экономичных, с точки зрения расхода энергии сетей, беспроводных датчиков.
Авторы:
Ланс Доэрти (Lance Doherty), инженер-системотехник (Dust Networks Product Group);
Джонатан Саймон (Jonathan Simon), руководитель отдела разработки (Dust Networks Product Group);
Томас Ватейн (Thomas Watteyne), инженер-системотехник (Dust Networks Product Group).
