Internet inalámbrico de las cosas

Hola giktayms

Recientemente, bueno, como "tiempo", generalmente hablan de días o semanas, pero aquí es más probable que se trate de un año o dos: artículos sobre el tema "Qué es el Internet de las cosas" (bueno y otros relacionados: los principales actores, principales tendencias, últimos productos, etc.). Desafortunadamente, aproximadamente 99 de cada 100 de ellos son tan voluminosos, como sin sentido: sus autores están tratando de hablar de IoT como una especie de concepto unificado e integral.

Sin embargo, un IoT único y unificado no existe y no puede existir. En el mejor de los casos, IoT puede definirse como el concepto de máquina-máquina remota (m2m) o máquina-hombre (m2h), mientras que la Internet clásica es una interacción hombre-hombre.

Pero aquí es donde termina la unidad. ¿Se puede describir "tendencias y principales jugadores de Internet" en un artículo? ¿Me estás tomando el pelo? Tendrá que cubrir los medios, redes sociales, servicios de video, proveedores de red troncal, redes de fibra óptica, redes celulares, redes corporativas, servicios en la nube para negocios, equipos de red para el hogar, CPE para la oficina, equipos de red troncal ... todo esto es parte de lo que ahora se llama Internet.

Lo mismo sucede con el Internet de las cosas. Esto incluye bombillas LiFX en el apartamento, y controladores Danfoss en los sistemas de ventilación de edificios de oficinas, y su rastreador de actividad física favorito, y el sistema de monitoreo de tráfico de la metrópoli, y la recolección centralizada de datos sobre el estado y la vida de la flota de máquinas de fresado eléctrico, y mucho más. Cada una de estas aplicaciones es su propio mercado, sus propias soluciones a nivel de software y hardware y, por supuesto, sus propios jugadores, muchos de los cuales no están involucrados en otros segmentos de IoT y nunca lo estarán.

Por lo tanto, un intento de describir "todas las tendencias en el desarrollo de IoT" es una enciclopedia que simplemente enumera todo lo que se trata sobre el tema en el mundo con letras del alfabeto, o ni siquiera siente a los elefantes ciegos, pero los ciegos visitan el zoológico: uno siente la jirafa, el segundo ... cocodrilo, el tercero es una bandeja con algodón de azúcar, y luego se reúnen y discuten cómo se ve un elefante.

¿Qué hacer en esta situación? Creo que, para comenzar a rastrillar un poco de escombros de Internet, exponiendo los conceptos básicos en los estantes. Y quiero comenzar con qué tecnologías inalámbricas son populares en este momento, y cómo demonios difieren entre sí.

Hablando en lenguaje humano: lo que ahora se acostumbra hacer en los tres niveles inferiores del modelo OSI.

Nivel fisico

Con el nivel físico, todo es bastante simple: aunque muchos siguen repitiendo en cable en el que confiamos, en la práctica, las comunicaciones inalámbricas ya han ganado, incluso en aplicaciones críticas; recientemente, por ejemplo, la noticia se deslizó de que el ejército de EE. UU. Planea mudarse a campamentos en Wi- Fi, porque implementar Ethernet en ellos requiere innecesariamente mucho tiempo y esfuerzo.

Y este es el ejército. En el caso de la infraestructura ordinaria del hogar u oficina, las redes cableadas para Internet de las cosas (es decir, en primer lugar, "hogar inteligente" y "oficina inteligente" - control de iluminación, TV / AV, HVAC) ya pueden considerarse muertas: son extremadamente caras de instalar ( aunque solo sea porque la instalación del cableado de bajo voltaje requiere una revisión importante de la sala) y es extremadamente inflexible en el funcionamiento posterior; cualquier cambio de configuración requiere la instalación de un nuevo cableado. Al mismo tiempo, una de las tareas resueltas por el "hogar inteligente" es garantizar la flexibilidad de las comunicaciones y la gestión internas.

Imagínese en el lugar de un centro de negocios que quería implementar la tecnología de una "oficina inteligente": la misma iluminación y ventilación adaptativas, por ejemplo, reguladas según las condiciones externas, la cantidad de personas en el edificio y otros parámetros. Y puede elegir entre "apagar durante tres meses para reparar el cableado" y "cambiar las luces y controladores de HVAC con una interfaz de radio". Incluso si el precio de esto será el mismo, aunque en cualquier edificio grande el cableado saldrá mucho más caro, pero la respuesta, en general, es obvia.

Como resultado, podemos decir que las redes cableadas en IoT, en particular, en el hogar inteligente y la oficina inteligente, son una dirección que sobrevivirá en el futuro cercano solo en aplicaciones altamente específicas. En el mercado masivo, no tiene más posibilidades que las computadoras portátiles sin Wi-Fi, pero con un conector Ethernet.

Por supuesto, existe el problema de bloquear canales de radiofrecuencia (incluidos los no intencionales), la presencia de áreas de mala recepción, acceso remoto a una red de intrusos, etc. Sin embargo, con un enfoque mínimamente competente para diseñar dispositivos, estos problemas se reducen a cero; Un enfoque analfabeto y redes cableadas lo convierten en un infierno holey y buggy.

Si hablamos de bandas de radio, las principales utilizadas son dos: 868/915 MHz y 2450 MHz; También se encuentra el viejo 433 MHz, pero en general se necesita poco: está mal regulado y, por lo tanto, a menudo está muy sucio, sus velocidades son pequeñas, las antenas, por el contrario, son grandes y el rango de comunicación desde 868/915 no es fundamentalmente diferente.

Las bandas de 868 MHz y 915 MHz no tienen licencia (es decir, el operador no necesita obtener una licencia para usar frecuencias), la primera de las cuales vive en Europa y Rusia, y la segunda en Estados Unidos y Japón. Tal separación entre países no es muy conveniente, pero se puede resolver en principio: la diferencia de frecuencia no es tan grande que sería necesario hacer un diseño de dispositivo completamente nuevo para cada opción. Los rangos están sintonizados a más de 433 MHz, por lo que las posibilidades de encontrar un transmisor de 10 vatios que funcione en la habitación de un vecino son insignificantes.

2450 MHz es otra banda sin licencia. En los pros, tiene una universalidad absoluta (es una, con algunas advertencias, en todo el mundo) y las dimensiones mínimas de la antena, en las desventajas: no demasiado largo, atenuación fuerte en obstáculos y la presencia de wifi, Bluetooth y hornos de microondas en el mismo rango. Sin embargo, el desorden del rango de estos dispositivos a menudo es exagerado: en la práctica, en las escalas donde se usan dispositivos IoT con 2,45 GHz, el Wi-Fi no los afecta en absoluto (aquí debe comprender que la experiencia es "pero a causa de mis vecinos Wi-Fi apenas apenas tres megabits de velocidad real "en IoT para transferir ... imprudentemente: por lo general, incluso en condiciones ideales, hay un techo en la región de 250 kilobits ).

En la práctica, 2450 MHz generalmente se usa en interiores y 868/915, tanto en la calle como en interiores. La elección de un rango específico para habitaciones está determinada por la relación de dimensiones y rango; por ejemplo, en dispositivos domésticos inteligentes, las dimensiones pueden ser muy importantes, por lo que 2450 MHz será más conveniente debido a las dimensiones más pequeñas de las antenas.

Enlace y capas de red

La situación con los niveles de canal y red es algo más divertida. En primer lugar, no tiene mucho sentido describirlos por separado, porque desde el punto de vista de las tecnologías utilizadas, una generalmente está vinculada a otra y, en segundo lugar, si hace una descripción general de "todas las tecnologías de Internet de las cosas", en breve se verá así: por lo



tanto, revisaremos rápidamente las soluciones específicas, las más famosas, y las dividiremos inmediatamente en dos grupos: soluciones para LAN y para WAN. Difieren exactamente en uno: el rango de comunicación: las LAN tienen un tamaño de hasta 1 km, las WAN tienen más de 1 km.

Wifi. Aunque intentan usar Wi-Fi en IoT, en la mayoría de los casos son intentos heroicos de tirar de un búho en un globo terráqueo. Wi-Fi es una red de alta velocidad para dispositivos con una batería grande, y en IoT es aplicable en un número extremadamente limitado de casos. Como regla general, en los electrodomésticos, que deberían poder no solo incluirse en la interacción M2M, sino también proporcionar una interfaz directamente para una tableta o teléfono inteligente, en este caso, el Wi-Fi tiene sentido como una interfaz, ya presente en la tableta y el teléfono inteligente.

Al mismo tiempo, para las bombillas y dispositivos similares de la "IoT de masa real", el Wi-Fi es una muleta arrugada, cuya existencia se debe a razones históricas. Aquí no se necesita un gran ancho de banda, el rango de estabilidad de Wi-Fi es pobre, el consumo de energía tampoco lo es, la configuración inicial de la red no está automatizada y, por último, si pone Wi-Fi en cada luz de su hogar, la primera vez que enciende su enrutador simplemente doblado bajo presión de los clientes.

Teóricamente, Wi-Fi le permite prescindir de un concentrador centralizado, que al mismo tiempo desempeña el papel de una puerta de entrada al mundo exterior, a redes accesibles para personas y tabletas. Pero la ventaja es, con la excepción del caso anterior con KBT, uno ilusorio: cuando los dispositivos inteligentes cuentan con docenas en su hogar, y la mayoría de ellos son extremadamente comunes, tiene que hacer una administración centralizada de ellos, además, desatado de dispositivos móviles específicos que pertenecen a miembros específicos de la familia. En general, no desea que la luz de la letrina deje de funcionar porque el niño sacó la tableta de la casa. Es decir, todavía se necesita el concentrador, pero será una tableta clavada en la pared con un software especial o la misma tableta, pero también con el módulo de radio ZigBee / Z-Wave / 6LoWPAN: la pregunta no es muy fundamental.

La Wi-Fi Alliance ha comenzado a desarrollar una versión especial sub-GHz del estándar para IoT, pero a la luz de la disponibilidad de alternativas, que se describen a continuación, me parece el resultado de la política “¡Y nosotros! ¡Y nosotros también somos líderes de IoT! ”, Y no es una necesidad técnica.

La ZigBee . Una solución LAN muy popular que se usa ampliamente en dispositivos domésticos inteligentes debido a dos de sus características: en primer lugar, ZigBee no es un protocolo con licencia patentada (a diferencia del Z-Wave técnicamente similar, por ejemplo), y en segundo lugar, funciona dentro del marco ZigBee descrito hasta el nivel de aplicación.

ZigBee puede funcionar tanto en 868/915 MHz como en 2450 MHz, utiliza 802.15.4 como nivel MAC. Topología de red: malla, velocidad de hasta 250 kbit / s. El tamaño de la red puede alcanzar cientos de dispositivos, el número máximo de esperanzas desde el enrutador hasta el dispositivo final es 10 en ZigBee regular y 30 en ZigBee PRO.

Puede hacer dispositivos ZigBee en diferentes plataformas, uno de los más interesantes son los microcontroladores de la serie TI CC: desde los modelos antiguos con el núcleo del procesador 8051 hasta los últimos CC1310, CC2630 y CC2650 con ARM Cortex M3; CC1310 cubre los rangos de hasta 1 GHz, CC26xx - 2450 MHz, y el monstruo aún no publicado CC1350, cuyo significado aún no entiendo, tiene dos interfaces de radio. Para sus controladores, TI proporciona una pila gratuita de ZigBee, más o menos lista para usar. Para otros controladores, tendrá que buscar otras soluciones, y muy a menudo se les pagará.

En general, ZigBee es una buena opción para la automatización del hogar: además de la accesibilidad, gracias a la inclusión del nivel de aplicación en el estándar, teóricamente garantiza la compatibilidad de su desarrollo con otros dispositivos ZigBee. En la práctica, sin embargo, no todo es tan simple: al menos encontrará extensiones no estándar y solo una implementación torcida de dispositivos de terceros, y al menos con cercas específicas, lo que sucedió, por ejemplo, recientemente con Philips con sus bombillas.

Al mismo tiempo, por otro lado, si la compatibilidad no le molesta, las ventajas de ZigBee pueden convertirse en sus propias limitaciones.

En general, la compatibilidad con productos de terceros es algo de lo que se habla ampliamente en relación con el "hogar inteligente", pero también significa sorprendentemente poco. El hecho es que todo el mercado de "hogares inteligentes" sigue siendo pequeño (no es sorprendente si se considera un dispositivo barato con un valor de $ 50-70), y hay muchos jugadores en él; en resumen, no hay un estándar de facto para el que tenía tendría sentido aferrarse a él. Elija ZWave - obtenga compatibilidad con una cama, elija ZigBee - con otra. Aquí es bastante razonable preguntarse si la compatibilidad es necesaria bajo tales condiciones en general, o si todo el jardín será arado al infierno de manera más efectiva.

Onda Z. En sus capacidades, es similar a ZigBee, pero una solución completamente cerrada para construir redes de malla. Funciona en las bandas de 868/915 MHz, la plataforma: solo Sigma Designs o chips Mitsumi, no hay otras opciones. No es la tecnología más barata, además, los chips tienen bajo rendimiento: están construidos en núcleos 8051, por lo que si necesita algo más, debe aferrarse a un procesador externo.

A las deficiencias, podemos agregar que la velocidad máxima de Z-Wave en su última versión es de 100 kbps (sin embargo, esto es normal para el rango de sub-gigahercios, y en realidad ya no es necesario), el número máximo de dispositivos es 232, el conteo total de saltos del enrutador es solo 4 (así que tenga cuidado cuando intente construir redes largas), el alcance para el dispositivo sub gigahercio tampoco es muy grande: 150 metros de visibilidad directa.

Por otro lado, la naturaleza cerrada de ZWave garantiza una buena compatibilidad entre dispositivos de diferentes fabricantes, por lo que si decide tirar las camas de otra persona en lugar de arar todo el jardín, Z-Wave puede ser una opción inteligente.

Los detalles sobre Z-Wave y los dispositivos que contiene pueden leerse en GT en el excelente blog de Z-Wave.Me .

6LoWPAN . Uno de los últimos desarrollos en el campo de IoT es IPv6, adaptado para la capa física y MAC de las redes de malla 802.15.4. De hecho, con 6LoWPAN obtienes una red IPv6 normal, quizás no muy rápida, con direcciones IP, enchufes disponibles para mujeres y juegos de azar. El nivel de aplicación aquí es enteramente a su discreción, por lo que no se trata de compatibilidad con otros dispositivos de terceros fabricantes.

Por otro lado, si desea arar todo el jardín, entonces 6LoWPAN es la opción que actualmente está cerca del ideal. Máxima flexibilidad, protocolo abierto, soporte para 868/915 MHz y 2450 MHz, velocidad de hasta 250 kbit / s, la capacidad de construir una red de tamaños casi ilimitados, la distancia desde el enrutador: hasta 255 esperanzas (puede hacer más, pero no se deje llevar: máximo el número de saltos en la red de malla es un análogo del paquete TTL, hágalo demasiado grande: sus paquetes deambularán por la red para siempre, consumiendo su ancho de banda). El rango de comunicación puede alcanzar cientos de metros.

En términos de implementación de hardware, la solución más interesante ahora es los chips TI CC1310, CC1350, CC2630 y CC2650 antes mencionados. Para ellos, TI proporciona la pila 6LoWPAN, y aunque realizas algunos bailes rituales, tanto por la novedad de las fichas como porque la mayoría de las personas vieron a ZigBee por costumbre, nada es imposible.

Prueba:



(esto es en nuestra oficina una pequeña malla IPv6 de un par de módulos en el CC2650 de nuestro desarrollo y una puerta de entrada a Unwired One)

LoRa . LoRa significa Lo ng Range, es decir, a diferencia de las opciones anteriores, es una red de escala de distrito o ciudad, no un departamento u oficina. La topología de la red es una estrella (en teoría, por supuesto, también puede hacerse celular, pero esto no se considera una aplicación estándar), el rango es de varios kilómetros en un área urbana densa a 30-50 km de visibilidad directa. El rango es de 868/915 MHz. Velocidad: hasta 37.5 kbit / s, disminuye al aumentar la distancia entre el receptor y el transmisor. El número de dispositivos es de hasta 5 mil unidades / km², pero hay un matiz sobre el siguiente.

Las redes LoRa están diseñadas para tareas mucho más diferentes que las enumeradas anteriormente: para recopilar datos de una gran cantidad de sensores dispersos en un área grande o para administrar objetos con las mismas propiedades. Por ejemplo, en LoRa puede hacer el control de iluminación de la ciudad o la recolección centralizada de datos desde medidores de electricidad.

LoRa es una tecnología patentada, su implementación requiere un módem de hardware, que está presente en los chips fabricados por Semtech. Estos chips no tienen sus cerebros, están controlados por SPI desde un controlador externo; sin embargo, en las aplicaciones típicas de LoRa esto no juega ningún papel, ya que no hay carrera por las dimensiones del módulo en ellos.

Además de la tecnología LoRa en sí, Semtech también está desarrollando la solución LoRaWAN, la pila de red para redes LoRa. Pero aquí yace el matiz ...

Aunque cualquier chip LoRa combina un receptor y un transmisor, debido a la topología en estrella, el tamaño máximo de la red está limitado exactamente por uno: la capacidad del canal del receptor central, que debe tener tiempo para realizar comunicaciones de radio con todos los dispositivos conectados a él. Por lo tanto, para su uso en el módulo central, Semtech lanza el chip SX1301 y, por desgracia, no solo no se puede comprar en el mercado libre, sino que ni siquiera hay documentación abierta para ello. El SX1301 tiene dos interfaces de RF y un carro completo de módems en su interior, por lo que puede servir a los mismos 5 mil dispositivos por kilómetro cuadrado, pero para desarrolladores de terceros está disponible solo en forma de módulos listos a un precio de $ 180 o más.

Sin embargo, si no necesita dicha densidad de red, en los chips de suscriptor ordinarios (por ejemplo, SX1272) también puede hacer el módulo central de la "estrella". Con docenas de dispositivos finales con un intercambio de radio no demasiado intenso, será más que suficiente.

En algunos casos, el uso de redes heterogéneas, LoRa, para proporcionar cobertura en un área grande con “arbustos” de malla alrededor de cada receptor LoRa para proporcionar una alta densidad de cobertura en un punto dado, también parece muy interesante.

"Swift" Finalmente - sobre el desarrollo interno de " Swift ". Es poco probable que lo use debido a su especificidad y presencia en venta solo en forma de dispositivos listos para usar, pero ¿debe informarse?

Strizh es una red estelar con características de rango LoRa ligeramente superiores, velocidad significativamente más baja y dos canales separados para recepción y transmisión: los dispositivos suscriptores transmiten datos a una frecuencia de 868 MHz y la estación central con un potente transmisor a 446 MHz. Esto le permite aumentar la capacidad de la red (determinada, de nuevo, por la cantidad de dispositivos que la estación central logrará intercambiar físicamente) y, en algunos casos, proporcionar una mejor cobertura de red.

Aunque los autores no revelaron el dispositivo interno de los módems, es muy probable que este sea el chip LoRa Semtech SX1276 (solo tiene dos interfaces RF que pueden sintonizarse a diferentes frecuencias; además de los módems LoRa, estos chips también tienen FSK demoduladores) y uno de los STM32 más jóvenes como cerebros. Sin embargo, el SX1276 sobre todo está indicado por algo más: el soporte declarado para redes LoRa, para lo cual, como recordamos, se necesita un módem de hardware. Por supuesto, puede suponer que Semtech autorizó la tecnología Swift, y Swift ordenó chips personalizados en Angstrem, pero ... hay alguien de Kompel, dígame: solo tiene 1276 de todo Semtech en el almacén, precisamente porque que los trajiste bajo el Swift, ¿eh? :)

Al mismo tiempo, hay una comparación en el sitio web de Swiftsu tecnología con LoRa, que a la luz de arriba se ve, digamos, fea. Por ejemplo, afirma que el costo del módem LoRa es de $ 29 con el costo del módem Strizh de $ 9, lo que, por supuesto, es un malabarismo descarado: el módem LoRa, si todo lo demás es igual, será más barato que el Strizh debido al uso del SX1272 de un solo canal en lugar del SX1276 de dos canales, y de - para un resonador de cuarzo más simple - "Swine" para el rendimiento en la calle necesita un costoso TCXO con compensación térmica.

Tres les hicieron clic para ello.

Source: https://habr.com/ru/post/es389303/