Drahtloses Internet der Dinge
Hallo Giktayms!In letzter Zeit - nun ja, als "Zeit" sprechen sie normalerweise über Tage oder Wochen, aber hier sind es eher ein oder zwei Jahre - Artikel zum Thema "Was ist das Internet der Dinge" (gut und verwandte: die Hauptakteure, Haupttrends, neueste Produkte und so weiter). Leider sind ungefähr 99 von 100 von ihnen ebenso umfangreich und bedeutungslos: Ihre Autoren versuchen, über IoT als eine Art einheitliches und integrales Konzept zu sprechen.Ein einziges und einheitliches IoT existiert jedoch nicht und kann nicht existieren. Im besten Fall kann IoT als das Konzept der entfernten Maschine-Maschine (m2m) oder Maschine-Mensch (m2h) definiert werden, während das klassische Internet eine Mensch-Mann-Interaktion ist.Aber hier endet die Einheit. Kann man in einem Artikel „Trends und wichtige Internet-Player“ beschreiben? Willst du mich veräppeln? Sie müssen sich mit Medien, sozialen Netzwerken, Videodiensten, Backbone-Anbietern, Glasfasernetzen, Mobilfunknetzen, Unternehmensnetzwerken, Cloud-Diensten für Unternehmen, Netzwerkgeräten für zu Hause, CPE für das Büro, Backbone-Geräten usw. befassen. All dies sind Teile des heutigen Internets.Das gleiche passiert mit dem Internet der Dinge. Dies sind LiFX-Lampen in der Wohnung, Danfoss-Steuerungen in den Lüftungssystemen von Bürogebäuden, Ihr bevorzugter Fitness-Tracker, das Verkehrsüberwachungssystem der Metropole, eine zentralisierte Datenerfassung über den Zustand und die Lebensdauer der Flotte elektrischer Fräsmaschinen und vieles mehr. Jede dieser Anwendungen ist ein eigener Markt, eigene Lösungen auf Software- und Hardwareebene und natürlich eigene Player, von denen viele nicht in andere IoT-Segmente involviert sind und niemals involviert sein werden.Daher ist der Versuch, „alle Trends in der Entwicklung des Internet der Dinge“ zu beschreiben, entweder eine Enzyklopädie, in der einfach alles, was auf der Welt zu diesem Thema steht, in alphabetischen Buchstaben aufgelistet wird, oder die Elefanten fühlen sich nicht einmal blind, aber die Blinden besuchen den Zoo: man fühlt die Giraffe, die zweite - Krokodil, das dritte ist ein Tablett mit Zuckerwatte, und dann sammeln sie und diskutieren, wie ein Elefant aussieht.Was ist in dieser Situation zu tun? Ich denke, um ein bisschen Internet-Trümmer zu harken und die Grundkonzepte in den Regalen zu platzieren. Und ich möchte damit beginnen, welche drahtlosen Technologien derzeit beliebt sind - und wie zum Teufel sie sich voneinander unterscheiden.In menschlicher Sprache sprechen - was heute für die unteren drei Ebenen des OSI-Modells üblich ist.
Körperliche Ebene
Mit der physischen Ebene ist alles ganz einfach: Obwohl sich viele immer noch in drahtgebundenen Situationen wiederholen, denen wir vertrauen, hat die drahtlose Kommunikation in der Praxis bereits gewonnen, auch bei kritischen Anwendungen. Vor kurzem wurde beispielsweise bekannt, dass die US-Armee plant, in Feldlager auf Wi- zu ziehen. Fi, weil die Bereitstellung von Ethernet in ihnen unnötig viel Zeit und Mühe kostet.Und das ist das Militär. Bei einer normalen Heim- oder Büroinfrastruktur können kabelgebundene Netzwerke für das Internet der Dinge (dh „Smart Home“ und „Smart Office“ - Lichtsteuerung, TV / AV, HLK) bereits als tot angesehen werden: Die Installation ist extrem teuer ( schon allein deshalb, weil die Installation von Niederspannungskabeln eine umfassende Überholung des Raums erfordert und im weiteren Betrieb äußerst unflexibel ist - jede Konfigurationsänderung erfordert die Installation neuer Kabel. Gleichzeitig besteht eine der Aufgaben des „Smart Home“ darin, die Flexibilität der internen Kommunikation und Verwaltung zu gewährleisten.Stellen Sie sich vor, Sie wären an der Stelle eines Business Centers, das die Technologie eines „intelligenten Büros“ implementieren möchte - dieselbe adaptive Beleuchtung und Belüftung, die beispielsweise in Abhängigkeit von den äußeren Bedingungen, der Anzahl der Personen im Gebäude und anderen Parametern geregelt wird. Und Sie haben die Wahl zwischen „drei Monate lang herunterfahren, um die Verkabelung zu reparieren“ und „HLK-Leuchten und Steuerungen mit einer Funkschnittstelle austauschen“. Selbst wenn der Preis dafür gleich sein wird - obwohl in jedem großen Gebäude die Verkabelung viel teurer wird, aber lassen Sie - ist die Antwort im Allgemeinen offensichtlich.Infolgedessen können wir sagen, dass kabelgebundene Netzwerke im Internet der Dinge, insbesondere im Smart Home und im Smart Office, eine Richtung sind, die in naher Zukunft nur in hochspezifischen Anwendungen überleben wird. Auf dem Massenmarkt hat es nicht mehr Chancen als Laptops ohne Wi-Fi, sondern mit einer Ethernet-Buchse.Natürlich besteht das Problem der Störung von Radiofrequenzkanälen (einschließlich unbeabsichtigter), des Vorhandenseins von Bereichen mit schlechtem Empfang, des Fernzugriffs auf ein Netzwerk von Eindringlingen usw. Mit einem minimal kompetenten Ansatz beim Entwerfen von Geräten werden diese Probleme jedoch auf Null reduziert. Ein Analphabetismus und kabelgebundene Netzwerke machen es zu einer verdammten Hölle.Wenn wir über Funkbänder sprechen, werden hauptsächlich zwei verwendet: 868/915 MHz und 2450 MHz; Das gute alte 433 MHz wird auch gefunden, aber im Großen und Ganzen wird es wenig benötigt - es ist schlecht geregelt und daher oft sehr verschmutzt, seine Geschwindigkeiten sind gering, die Antennen sind im Gegenteil groß und der Kommunikationsbereich von 868/915 ist nicht grundlegend unterschiedlich.868 MHz und 915 MHz sind nicht lizenziert (dh der Betreiber benötigt keine Lizenz zur Nutzung von Frequenzen), von denen das erste in Europa und Russland und das zweite in den USA und Japan lebt. Eine solche Trennung zwischen den Ländern ist nicht sehr bequem, kann aber im Prinzip gelöst werden - der Frequenzunterschied ist nicht so groß, dass für jede Option ein völlig neues Gerätedesign erstellt werden müsste. Die Reichweiten sind auf mehr als 433 MHz eingestellt, sodass die Wahrscheinlichkeit, einen 10-Watt-Sender im Zimmer eines Nachbarn zu finden, vernachlässigbar ist.2450 MHz ist ein weiteres nicht lizenziertes Band. Bei den Profis hat es absolute Universalität (es ist eine mit ein paar Einschränkungen auf der ganzen Welt) und die Mindestabmessungen der Antenne in den Minuspunkten - nicht zu große Reichweite, starke Dämpfung bei Hindernissen und das Vorhandensein von Wi-Fi, Bluetooth und Mikrowellenöfen in derselben Reichweite. Das Durcheinander der Reichweite dieser Geräte ist jedoch oft übertrieben - in der Praxis wirkt sich Wi-Fi auf den Skalen, in denen IoT-Geräte mit 2,45 GHz verwendet werden, überhaupt nicht auf sie aus (hier müssen Sie verstehen, dass die Erfahrung „aber wegen meiner Nachbarn“ ist Wi-Fi kaum knapp drei Megabit echte Geschwindigkeit “auf IoT zu übertragen ... rücksichtslos: Es gibt in der Regel sogar unter idealen Bedingungen eine Obergrenze im Bereich von 250 Kilobit ).In der Praxis werden 2450 MHz normalerweise in Innenräumen und 868/915 MHz verwendet - sowohl auf der Straße als auch in Innenräumen. Die Wahl eines bestimmten Bereichs für Räume wird durch das Verhältnis von Abmessungen und Reichweite bestimmt. Beispielsweise können bei Smart-Home-Geräten die Abmessungen sehr wichtig sein, sodass 2450 MHz aufgrund der geringeren Abmessungen der Antennen bequemer sind.Link- und Netzwerkebenen
Die Situation mit den Kanal- und Netzwerkebenen macht etwas mehr Spaß. Erstens macht es wenig Sinn, sie separat zu beschreiben, weil Unter dem Gesichtspunkt der verwendeten Technologien ist eine normalerweise an eine andere gebunden, und zweitens sieht es in Kürze so aus, wenn Sie „alle Technologien des Internet der Dinge“ überprüfen:
Daher werden wir schnell auf bestimmte Lösungen eingehen - die bekanntesten - und sie sofort aufteilen in zwei Gruppen: Lösungen für LAN und für WAN. Sie unterscheiden sich in genau einem - der Kommunikationsreichweite: LANs sind bis zu 1 km groß, WANs sind mehr als 1 km groß.Wifi. Obwohl sie versuchen, Wi-Fi im Internet der Dinge zu verwenden, handelt es sich in den meisten Fällen um heldenhafte Versuche, eine Eule auf einen Globus zu ziehen. Wi-Fi ist ein Hochgeschwindigkeitsnetzwerk für Geräte mit einem großen Akku und im Internet der Dinge in einer äußerst begrenzten Anzahl von Fällen anwendbar. In Haushaltsgeräten, die nicht nur in die M2M-Interaktion einbezogen werden sollen, sondern auch eine Schnittstelle direkt für ein Tablet oder Smartphone bieten sollen, ist Wi-Fi in diesem Fall als Schnittstelle sinnvoll, die bereits auf Tablet und Smartphone vorhanden ist.Gleichzeitig ist Wi-Fi für Glühbirnen und ähnliche Geräte des „Real Mass IoT“ eine zerknitterte Krücke, deren Existenz auf historischen Gründen beruht. Hier wird keine hohe Bandbreite benötigt, die Reichweite von stabilem WLAN ist gering, der Stromverbrauch ebenfalls nicht, die anfängliche Netzwerkeinrichtung ist nicht automatisiert und schließlich - wenn Sie bei jedem Licht in Ihrem Haus WLAN einschalten, schalten Sie Ihren Heimrouter zum ersten Mal ein einfach unter dem Druck der Kunden gebogen.Theoretisch können Sie mit Wi-Fi auf einen zentralen Hub verzichten, der gleichzeitig die Rolle eines Gateways zur Außenwelt und zu Netzwerken spielt, auf die Personen und Tablets zugreifen können. Der Vorteil ist jedoch, mit Ausnahme des oben genannten Falles bei KBT, ein illusorischer Fall: Wenn intelligente Geräte Dutzende in Ihrem Haus zählen und die meisten von ihnen äußerst verbreitet sind, müssen Sie sie zentral verwalten, und zwar unabhängig von bestimmten mobilen Geräten, die dazu gehören bestimmte Familienmitglieder. Im Allgemeinen möchten Sie nicht, dass das Licht im Nebengebäude nicht mehr funktioniert, da das Kind die Tablette aus dem Haus genommen hat. Das heißt, der Hub wird noch benötigt, aber wird es sich um ein Tablet handeln, das mit einer speziellen Software oder demselben Tablet an die Wand genagelt wird, aber auch mit dem Funkmodul ZigBee / Z-Wave / 6LoWPAN - die Frage ist nicht sehr grundlegend.Die Wi-Fi Alliance hat nun begonnen, eine spezielle Sub-GHz-Version des Standards für IoT zu entwickeln, aber angesichts der Verfügbarkeit von Alternativen - die im Folgenden beschrieben werden - scheint es mir das Ergebnis der Richtlinie „Und wir! Und auch wir sind führend im IoT! “Und keine technische Notwendigkeit.Die ZigBee . Eine sehr beliebte LAN-Lösung, die aufgrund ihrer beiden Eigenschaften in Smart-Home-Geräten weit verbreitet ist: Erstens ist ZigBee kein proprietäres Lizenzprotokoll (im Gegensatz zum technisch ähnlichen Z-Wave) und zweitens funktioniert es im Rahmen von ZigBee bis auf Anwendungsebene beschrieben.ZigBee kann sowohl mit 868/915 MHz als auch mit 2450 MHz arbeiten und verwendet 802.15.4 als MAC-Level. Netzwerktopologie - Mesh, Geschwindigkeit bis zu 250 kbit / s. Die Netzwerkgröße kann Hunderte von Geräten erreichen. Die maximale Anzahl von Hoffnungen vom Router zum Endgerät beträgt 10 in ZigBee Regular und 30 in ZigBee PRO.Sie können ZigBee-Geräte auf verschiedenen Plattformen herstellen. Einer der interessantesten sind die Mikrocontroller der TI CC-Serie - von den alten Modellen mit dem 8051-Prozessorkern bis zu den neuesten CC1310, CC2630 und CC2650 mit ARM Cortex M3. CC1310 deckt die Bereiche bis zu 1 GHz, CC26xx - 2450 MHz ab, und das noch unveröffentlichte Monster CC1350, dessen Bedeutung ich immer noch nicht verstehe, verfügt über zwei Funkschnittstellen. Für seine Controller bietet TI einen kostenlosen ZigBee-Stack an, der mehr oder weniger einsatzbereit ist. Für andere Controller müssen Sie nach anderen Lösungen suchen, und sehr oft werden sie bezahlt.Im Allgemeinen ist ZigBee eine gute Wahl für die Heimautomation. Zusätzlich zur Barrierefreiheit stellt es dank der Aufnahme der Anwendungsebene in den Standard theoretisch die Kompatibilität Ihrer Entwicklung mit anderen ZigBee-Geräten sicher. In der Praxis ist jedoch nicht alles so einfach: Zumindest werden Sie auf nicht standardmäßige Erweiterungen und nur auf eine krumme Implementierung von Geräten von Drittanbietern stoßen, und zumindest auf gezielte Umzäunungen, die beispielsweise kürzlich bei Philips mit ihren Glühbirnen aufgetreten sind.Wenn Sie jedoch die Kompatibilität nicht stört, können die Vorteile von ZigBee zu eigenen Einschränkungen führen.Im Allgemeinen wird über die Kompatibilität mit Produkten von Drittanbietern im Zusammenhang mit dem „Smart Home“ viel gesprochen, aber es bedeutet auch überraschend wenig. Tatsache ist, dass der gesamte Markt für „Smart Homes“ immer noch winzig ist (es ist nicht verwunderlich, wenn es sich um ein billiges Gerät im Wert von 50 bis 70 US-Dollar handelt), und es gibt ziemlich viele Spieler - kurz gesagt, es gibt keinen De-facto-Standard, für den es einen gab es würde Sinn machen, sich daran festzuhalten. Wählen Sie ZWave - erhalten Sie Kompatibilität mit einem Bett, wählen Sie ZigBee - mit einem anderen. Es ist hier durchaus vernünftig zu fragen, ob Kompatibilität unter solchen Bedingungen im Allgemeinen notwendig ist - oder ob der gesamte Garten effektiver zur Hölle gepflügt wird.Z-Welle. In seinen Funktionen ähnelt es ZigBee, ist jedoch eine vollständig geschlossene Lösung zum Aufbau von Mesh-Netzwerken. Es funktioniert in den 868/915-MHz-Bändern, der Plattform - nur Sigma Designs oder Mitsumi-Chips, es gibt keine anderen Optionen. Nicht die billigste Technologie, außerdem haben die Chips eine geringe Leistung - sie basieren auf 8051-Kernen. Wenn Sie also etwas mehr benötigen, müssen Sie sich an einen externen Prozessor klammern.Zu den Nachteilen können wir hinzufügen, dass die maximale Geschwindigkeit von Z-Wave in der neuesten Version 100 kbit / s beträgt (dies ist jedoch für den Sub-Gigahertz-Bereich normal und wird in Wirklichkeit nicht mehr benötigt). Die maximale Anzahl von Geräten beträgt 232, die Anzahl der Hops vom Router beträgt nur 4 (seien Sie also vorsichtig, wenn Sie versuchen, lange Netzwerke aufzubauen), ist die Reichweite für das Sub-Gigahertz-Gerät ebenfalls nicht sehr groß - 150 Meter direkte Sichtbarkeit.Auf der anderen Seite garantiert der geschlossene ZWave eine gute Kompatibilität zwischen Geräten verschiedener Hersteller. Wenn Sie also entscheiden, immer noch die Betten anderer zu verschütten, anstatt den gesamten Garten zu pflügen, kann Z-Wave eine kluge Wahl sein.Details zu Z-Wave und den darauf befindlichen Geräten können auf GT im ausgezeichneten Blog von Z-Wave.Me nachgelesen werden .6LoWPAN . Eine der neuesten Entwicklungen im Bereich IoT ist IPv6, das für die physische und MAC-Schicht von 802.15.4-Mesh-Netzwerken angepasst ist. Tatsächlich erhalten Sie mit 6LoWPAN ein normales, möglicherweise nicht sehr schnelles IPv6-Netzwerk mit IP-Adressen, Steckdosen für Frauen und Glücksspielen. Die Anwendungsebene liegt hier ganz in Ihrem Ermessen, sodass die Kompatibilität mit anderen Geräten von Drittherstellern nicht in Frage kommt.Wenn Sie dagegen den gesamten Garten pflügen möchten, ist 6LoWPAN die Wahl, die derzeit nahezu ideal ist. Maximale Flexibilität, offenes Protokoll, Unterstützung für 868/915 MHz und 2450 MHz, Geschwindigkeit bis zu 250 kbit / s, die Fähigkeit, ein Netzwerk mit nahezu unbegrenzten Größen aufzubauen, die Entfernung zum Router - bis zu 255 Hoffnungen (Sie können mehr tun, lassen sich aber nicht sehr mitreißen: maximal Die Anzahl der Hops im Mesh-Netzwerk ist analog zum TTL-Paket. Machen Sie es zu groß. Ihre Pakete wandern für immer im Netzwerk und verbrauchen dessen Bandbreite. Die Kommunikationsreichweite kann Hunderte von Metern erreichen.In Bezug auf die Hardware-Implementierung sind die oben genannten TI CC1310-, CC1350-, CC2630- und CC2650-Chips die interessanteste Lösung. Für sie bietet TI einen 6LoWPAN-Stapel - und obwohl Sie einige rituelle Tänze ausführen, sowohl wegen der Neuheit der Chips als auch weil die Leute ZigBee meistens aus Gewohnheit auf ihnen gesehen haben, ist nichts unmöglich.Proofpeak:
(Dies ist in unserem Büro ein kleines IPv6-Netz aus einigen Modulen auf dem CC2650 unserer Entwicklung und ein Tor zu Unwired One)LoRa . LoRa steht für Lo ng RaDas heißt, im Gegensatz zu den vorherigen Optionen handelt es sich um ein Netzwerk von der Größe eines Bezirks oder einer Stadt, nicht um eine Wohnung oder ein Büro. Die Netzwerktopologie ist ein Stern (theoretisch kann sie natürlich auch zellular gemacht werden, dies wird jedoch nicht als Standardanwendung angesehen). Die Reichweite reicht von mehreren Kilometern in einem dichten Stadtgebiet bis zu 30-50 km direkter Sichtbarkeit. Der Bereich beträgt 868/915 MHz. Geschwindigkeit - bis zu 37,5 kbit / s, nimmt mit zunehmender Entfernung zwischen Empfänger und Sender ab. Die Anzahl der Geräte beträgt bis zu 5.000 Einheiten / km², aber es gibt eine Nuance, über die unten.LoRa-Netzwerke sind für wesentlich andere Aufgaben als die zuvor aufgeführten konzipiert - zum Sammeln von Daten von einer großen Anzahl von Sensoren, die über einen großen Bereich verteilt sind, oder zum Verwalten von Objekten mit denselben Eigenschaften. Auf LoRa können Sie beispielsweise die Stadtbeleuchtung oder die zentrale Datenerfassung von Stromzählern durchführen.LoRa ist eine proprietäre Technologie. Für die Implementierung ist ein Hardwaremodem erforderlich, das in den von Semtech hergestellten Chips enthalten ist. Diese Chips haben kein Gehirn, sie werden von einem externen Controller über SPI gesteuert. In typischen LoRa-Anwendungen spielt dies jedoch keine Rolle, da es keinen Wettlauf um die Abmessungen des Moduls in ihnen gibt.Neben der LoRa-Technologie selbst entwickelt Semtech auch die LoRaWAN-Lösung - den Netzwerkstapel für LoRa-Netzwerke. Aber hier liegt die Nuance ...Obwohl jeder LoRa-Chip aufgrund der Sterntopologie einen Empfänger und einen Sender kombiniert, ist die maximale Netzwerkgröße durch genau eins begrenzt - die Kanalkapazität des zentralen Empfängers, der Zeit haben muss, um mit allen daran angeschlossenen Geräten Funkverbindungen herzustellen. Für die Verwendung im Zentralmodul gibt Semtech daher den SX1301-Chip frei - und leider kann er nicht nur nicht auf dem freien Markt gekauft werden, sondern es gibt nicht einmal eine offene Dokumentation dafür. Der SX1301 verfügt über zwei RF-Frontends und einen ganzen Wagen mit Modems, sodass er die gleichen 5.000 Geräte pro Quadratkilometer bedienen kann. Für Entwickler von Drittanbietern ist er jedoch nur in Form von vorgefertigten Modulen ab einem Preis von 180 US-Dollar erhältlich.Wenn Sie jedoch keine solche Netzwerkdichte benötigen, können Sie auf normalen Teilnehmerchips (z. B. SX1272) auch das zentrale Modul des „Sterns“ erstellen. Mit Dutzenden von Endgeräten mit nicht zu intensivem Funkaustausch wird dies mehr als genug sein.In einigen Fällen sieht auch die Verwendung heterogener Netzwerke - LoRa - zur Bereitstellung einer großflächigen Abdeckung mit Maschenbuchsen um jeden LoRa-Empfänger zur Bereitstellung einer hohen Abdeckungsdichte an einem bestimmten Punkt sehr interessant aus."Swift" Endlich - über die heimische Entwicklung von " Swift ". Es ist unwahrscheinlich, dass Sie es aufgrund seiner Spezifität und Präsenz nur in Form von vorgefertigten Geräten verwenden, müssen aber darüber informiert werden?Strizh ist ein Sternnetzwerk mit leicht überlegenen LoRa-Bereichseigenschaften, deutlich geringerer Geschwindigkeit und zwei getrennten Kanälen für Empfang und Übertragung: Teilnehmergeräte senden Daten mit einer Frequenz von 868 MHz und die Zentralstation mit einem leistungsstarken Sender mit 446 MHz. Auf diese Weise können Sie die Netzwerkkapazität erhöhen (wiederum abhängig von der Anzahl der Geräte, die die Zentralstation physisch austauschen kann) und in einigen Fällen auch eine bessere Netzwerkabdeckung bereitstellen.Obwohl die Autoren das interne Gerät der Modems nicht offengelegt haben, ist es sehr wahrscheinlich, dass es sich um den Semtech SX1276 LoRa-Chip handelt (er verfügt nur über zwei HF-Frontends, die auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt werden können; zusätzlich zu LoRa-Modems verfügen diese Chips auch über FSK Demodulatoren) und einer der jüngeren STM32 als Gehirn. Der SX1276 wird jedoch vor allem durch etwas anderes angezeigt - die deklarierte Unterstützung für LoRa-Netzwerke, für die, wie wir uns erinnern, ein Hardwaremodem benötigt wird. Sie können natürlich davon ausgehen, dass Semtech die Swift-Technologie lizenziert und Swift kundenspezifische Chips bei Angstrem bestellt hat, aber ... es gibt jemanden von Kompel, sagen Sie mir - Sie haben nur 1276 von der gesamten Semtech im Lager, gerade weil dass du sie unter den Swift gebracht hast, oder? :)Gleichzeitig gibt es einen Vergleich auf der Swift-Websiteihre Technologie mit LoRa, die im obigen Licht, sagen wir, hässlich aussieht. Es wird beispielsweise behauptet, dass die Kosten für ein LoRa-Modem 29 US-Dollar und für das Strizh-Modem 9 US-Dollar betragen - was natürlich ein offensichtliches Zucken ist: Das LoRa-Modem ist bei sonst gleichen Bedingungen aufgrund der Verwendung eines einkanaligen SX1272 anstelle eines zweikanaligen SX1276 und von billiger als das Strizh-Modem - für einen einfacheren Quarzresonator - der „Swift“ für Straßenleistung benötigt einen teuren thermisch kompensierten TCXO.Drei haben sie dafür angeklickt. Source: https://habr.com/ru/post/de389303/
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