Internet sem fio das coisas

Olá Giktayms!

Recentemente - bem, como "tempo", eles costumam falar sobre dias ou semanas, mas aqui são mais ou menos um ano ou dois - artigos sobre o tópico "O que é a Internet das Coisas" (bem e relacionados: os principais atores, principais tendências, produtos mais recentes e assim por diante). Infelizmente, aproximadamente 99 em cada 100 deles são tão volumosos quanto sem sentido: seus autores estão tentando falar sobre a IoT como uma espécie de conceito unificado e integral.

No entanto, uma IoT única e unificada não existe e não pode existir. Na melhor das hipóteses, a IoT pode ser definida como o conceito de máquina-máquina remota (m2m) ou máquina-homem (m2h), enquanto a Internet clássica é uma interação homem-homem.

Mas é aqui que a unidade termina. Pode-se descrever "tendências e principais players da Internet" em um artigo? Esta brincando comigo Você terá que cobrir a mídia, redes sociais, serviços de vídeo, provedores de backbone, redes de fibra óptica, redes celulares, redes corporativas, serviços de nuvem para negócios, equipamentos de rede para casa, CPE para escritório, equipamento de backbone ... tudo isso faz parte do que agora é chamado de Internet.

O mesmo acontece com a Internet das Coisas. Isso inclui lâmpadas LiFX no apartamento, controladores Danfoss nos sistemas de ventilação de edifícios de escritórios e seu rastreador de fitness favorito e o sistema de monitoramento de tráfego da metrópole e coleta centralizada de dados sobre o estado e a vida da frota de fresadoras elétricas e muito mais. Cada um desses aplicativos é seu próprio mercado, suas próprias soluções nos níveis de software e hardware e, é claro, seus próprios players, muitos dos quais não estão envolvidos em outros segmentos de IoT e nunca estarão envolvidos.

Portanto, uma tentativa de descrever "todas as tendências no desenvolvimento da IoT" é uma enciclopédia que simplesmente lista tudo o que está sobre o assunto no mundo por meio de letras do alfabeto, ou nem sente os elefantes cegos, mas os cegos visitam o zoológico: sente-se a girafa, o segundo - crocodilo, o terceiro é uma bandeja com algodão doce, e então eles se reúnem e discutem como é um elefante.

O que fazer nesta situação? Eu acho que, para começar a varrer um pouco de entulho da Internet, colocando os conceitos básicos nas prateleiras. E quero começar com o que as tecnologias sem fio são populares no momento - e como elas diferem umas das outras.

Falando em linguagem humana - o que agora é habitual fazer nos três níveis mais baixos do modelo OSI.

Nível físico

Tudo é bastante simples com o nível físico: embora muitos ainda se repitam nos fios em que confiamos, na prática, as comunicações sem fio já venceram, inclusive em aplicações críticas - recentemente, por exemplo, houve a notícia de que o exército dos EUA planeja se mudar para campos de campo em Wi- Fi, porque a implantação da Ethernet nelas leva desnecessariamente muito tempo e esforço.

E este é o militar. No caso da infraestrutura comum de casa ou escritório, as redes com fio para a Internet das coisas (ou seja, “casa inteligente” e “escritório inteligente” - controle de iluminação, TV / AV, HVAC) já podem ser consideradas mortas: são de instalação extremamente cara ( apenas porque a instalação da fiação de baixa tensão exige uma grande revisão da sala) e é extremamente inflexível em operações posteriores - qualquer alteração na configuração requer a instalação de uma nova fiação. Ao mesmo tempo, uma das tarefas resolvidas pela “casa inteligente” é garantir a flexibilidade das comunicações e do gerenciamento interno.

Imagine-se no lugar de um centro de negócios que queria implementar a tecnologia de um “escritório inteligente” - a mesma iluminação e ventilação adaptáveis, por exemplo, reguladas de acordo com as condições externas, o número de pessoas no prédio e outros parâmetros. E você pode escolher entre "desligar por três meses para reparos na fiação" e "trocar luzes e controladores de HVAC por uma interface de rádio". Mesmo que o preço disso seja o mesmo - embora em qualquer edifício grande a fiação saia muito mais cara, mas deixe - a resposta, em geral, é óbvia.

Como resultado, podemos dizer que as redes com fio na IoT, em particular nas residências e escritórios inteligentes, são uma direção que sobreviverá no futuro próximo apenas em aplicativos altamente específicos. No mercado de massa, ele não tem mais chances do que laptops sem Wi-Fi, mas com um conector Ethernet.

Obviamente, existe o problema de obstruir os canais de frequência de rádio (incluindo não intencional), a presença de áreas de má recepção, acesso remoto a uma rede de intrusos, etc. No entanto, com uma abordagem minimamente competente para projetar dispositivos, esses problemas são reduzidos a zero; uma abordagem analfabeta e redes cabeadas exatamente o transformam em um inferno de buracos e buracos.

Se falamos de bandas de rádio, as principais usadas são duas: 868/915 MHz e 2450 MHz; o bom e velho 433 MHz também é encontrado, mas geralmente é pouco necessário - é pouco regulado e, portanto, muitas vezes é muito sujo, suas velocidades são pequenas, as antenas, pelo contrário, são grandes e o alcance da comunicação de 868/915 não é fundamentalmente diferente.

As faixas de 868 MHz e 915 MHz não são licenciadas (ou seja, o operador não precisa obter uma licença para usar frequências), a primeira das quais vive na Europa e na Rússia e a segunda nos EUA e no Japão. Essa separação entre países não é muito conveniente, mas pode ser resolvida em princípio - a diferença de frequência não é tão grande que seria necessário criar um design de dispositivo completamente novo para cada opção. As faixas são sintonizadas em mais de 433 MHz, portanto, as chances de encontrar um transmissor de 10 watts trabalhando na sala de um vizinho são insignificantes.

2450 MHz é outra banda não licenciada. Nos profissionais, possui universalidade absoluta (é uma, com algumas ressalvas, ao redor do mundo) e as dimensões mínimas da antena, nos pontos negativos - alcance não muito longo, forte atenuação de obstáculos e presença de Wi-Fi, Bluetooth e fornos de microondas no mesmo alcance. No entanto, a desordem do alcance desses dispositivos é muitas vezes exagerada - na prática, nas escalas em que dispositivos IoT com 2,45 GHz são usados, o Wi-Fi não os afeta de maneira alguma (aqui você precisa entender que a experiência é "mas por causa dos meus vizinhos"). O Wi-Fi mal chega a três megabits de velocidade real ”na IoT para transferir ... de forma imprudente: geralmente existe mesmo em condições ideais um teto na região de 250 quilos de bits).

Na prática, 2450 MHz é geralmente usado em ambientes fechados e 868/915 - na rua e em ambientes fechados. A escolha de um intervalo específico para salas é determinada pela proporção de dimensões e alcance - por exemplo, em dispositivos domésticos inteligentes, as dimensões podem ser muito importantes, portanto, 2450 MHz será mais conveniente devido às dimensões menores das antenas.

Camadas de link e rede

A situação com os níveis de canal e rede é um pouco mais divertida. Em primeiro lugar, não faz muito sentido descrevê-los separadamente, porque do ponto de vista das tecnologias usadas, uma geralmente está ligada à outra e, em segundo lugar, se você fizer uma revisão de “todas as tecnologias da Internet das coisas”, então parecerá mais ou menos assim:



Portanto, abordaremos rapidamente soluções específicas - as mais famosas e as dividiremos imediatamente em dois grupos: soluções para LAN e WAN. Eles diferem em exatamente um - o alcance da comunicação: as LANs têm até 1 km de tamanho, as WANs têm mais de 1 km.

Wifi. Embora eles tentem usar o Wi-Fi na IoT, na maioria dos casos, são tentativas heróicas de atrair uma coruja para um globo. O Wi-Fi é uma rede de alta velocidade para dispositivos com uma bateria grande e, na IoT, é aplicável em um número extremamente limitado de casos. Como regra, em eletrodomésticos, que devem poder não apenas ser incluídos na interação M2M, mas também fornecer uma interface diretamente para um tablet ou smartphone - nesse caso, o Wi-Fi faz sentido como uma interface, já presente no tablet e smartphone.

Ao mesmo tempo, para lâmpadas e dispositivos semelhantes da "massa real da Internet das coisas", o Wi-Fi é uma muleta amassada, cuja existência se deve a razões históricas. Aqui não é necessária alta largura de banda, o alcance do Wi-Fi estável é baixo, o consumo de energia também não é, a configuração inicial da rede não é automatizada e, finalmente - se você colocar o Wi-Fi em cada luz de sua casa, na primeira vez em que ligar o roteador doméstico simplesmente dobrado sob pressão dos clientes.

Teoricamente, o Wi-Fi permite que você fique sem um hub centralizado, que ao mesmo tempo desempenha o papel de gateway para o mundo exterior, para redes acessíveis a pessoas e tablets. Mas a vantagem é que, com exceção do caso acima com KBT, é ilusório - quando os dispositivos inteligentes contam dezenas em sua casa, e a maioria deles é extremamente comum, você terá que fazer um gerenciamento centralizado deles, além disso, desamarrados de dispositivos móveis específicos pertencentes a membros da família específicos. Em geral, você não deseja que a luz na casinha pare de funcionar porque a criança tirou o tablet de casa. Ou seja, o hub ainda é necessário, mas será um tablet pregado na parede com software especial ou o mesmo tablet, mas também com o módulo de rádio ZigBee / Z-Wave / 6LoWPAN - a questão não é muito fundamental.

A Wi-Fi Alliance agora começou a desenvolver uma versão especial de sub-GHz do padrão para IoT, mas à luz da disponibilidade de alternativas - descritas abaixo -, parece-me o resultado da política “E nós! E nós também somos líderes da IoT! ”, E não uma necessidade técnica.

A ZigBee . Uma solução de LAN muito popular, amplamente usada em dispositivos domésticos inteligentes devido a suas duas propriedades - em primeiro lugar, o ZigBee não é um protocolo licenciado proprietário (ao contrário do Z-Wave tecnicamente semelhante, por exemplo) e, em segundo lugar, funciona dentro da estrutura do ZigBee descrito até o nível do aplicativo.

O ZigBee pode funcionar em 868/915 MHz e 2450 MHz, ele usa 802.15.4 como o nível MAC. Topologia de rede - malha, velocidade de até 250 kbit / s. O tamanho da rede pode atingir centenas de dispositivos, o número máximo de esperanças do roteador para o dispositivo final é 10 no ZigBee regular e 30 no ZigBee PRO.

Você pode criar dispositivos ZigBee em diferentes plataformas, uma das mais interessantes são os microcontroladores da série TI CC - dos modelos antigos com o núcleo do processador 8051 aos mais recentes CC1310, CC2630 e CC2650 com ARM Cortex M3; O CC1310 abrange faixas de até 1 GHz, CC26xx - 2450 MHz e o monstro ainda não lançado, CC1350, cujo significado ainda não entendo, tem duas interfaces de rádio. Para seus controladores, a TI fornece uma pilha ZigBee gratuita, mais ou menos pronta para uso. Para outros controladores, você terá que procurar outras soluções, e muitas vezes elas acabam sendo pagas.

Em geral, o ZigBee é uma boa opção para automação residencial - além da acessibilidade, graças à inclusão do nível de aplicativo no padrão, teoricamente garante a compatibilidade do seu desenvolvimento com outros dispositivos ZigBee. Na prática, no entanto, nem tudo é tão simples: pelo menos você encontrará extensões não padrão e apenas uma implementação incorreta de dispositivos de terceiros e, pelo menos, com cercas direcionadas, o que aconteceu, por exemplo, recentemente com a Philips com suas lâmpadas.

Ao mesmo tempo, por outro lado, se a compatibilidade não o incomodar, as vantagens do ZigBee podem se transformar em suas próprias limitações.

Em geral, a compatibilidade com produtos de terceiros é algo amplamente comentado em relação à “casa inteligente”, mas também significa surpreendentemente pouco. O fato é que todo o mercado de “casas inteligentes” ainda é pequeno (não surpreende que seja considerado um dispositivo barato no valor de US $ 50 a 70), e há muitos participantes nele - em suma, não existe um padrão de fato para o qual ele tenha faria sentido se apegar. Escolha ZWave - obtenha compatibilidade com uma cama, escolha ZigBee - com outra. Aqui é bastante razoável perguntar se a compatibilidade é necessária sob tais condições em geral - ou se todo o jardim será levado ao inferno de maneira mais eficaz.

Onda Z. Em suas capacidades, é semelhante ao ZigBee, mas uma solução completamente fechada para a construção de redes mesh. Ele funciona nas bandas de 868/915 MHz, a plataforma - apenas os chips Sigma Designs ou Mitsumi, não há outras opções. Além da tecnologia mais barata, os chips têm baixo desempenho - eles são construídos com núcleos 8051; portanto, se você precisar de algo mais, precisará se apegar a um processador externo.

Para as desvantagens, podemos acrescentar que a velocidade máxima do Z-Wave em sua versão mais recente é de 100 kbps (no entanto, isso é normal para a faixa sub-gigahertz e, na realidade, não é mais necessário), o número máximo de dispositivos é 232, a contagem de saltos do roteador é apenas 4 (tenha cuidado ao tentar construir redes longas), o alcance do dispositivo sub-gigahertz também não é muito grande - 150 metros de visibilidade direta.

Por outro lado, a natureza fechada do ZWave garante uma boa compatibilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes, por isso, se você decidir bater na cama de outra pessoa em vez de arar o jardim inteiro, o Z-Wave pode ser uma escolha inteligente.

Detalhes sobre o Z-Wave e os dispositivos podem ser lidos no GT no excelente blog do Z-Wave.Me .

6LoWPAN . Um dos mais recentes desenvolvimentos no campo da IoT é o IPv6, adaptado para a camada física e MAC das redes de malha 802.15.4. De fato, com o 6LoWPAN, você obtém uma rede IPv6 normal, talvez não muito rápida, com endereços IP, soquetes disponíveis para mulheres e jogos de azar. O nível do aplicativo aqui é inteiramente a seu critério, portanto não há questão de compatibilidade com outros dispositivos de fabricantes de terceiros.

Por outro lado, se você deseja arar o jardim inteiro, o 6LoWPAN é a escolha que está atualmente perto do ideal. Flexibilidade máxima, protocolo aberto, suporte para 868/915 MHz e 2450 MHz, velocidade de 250 kbit / s, capacidade de construir uma rede de tamanhos quase ilimitados, distância do roteador - até 255 esperanças (você pode fazer mais, mas não se empolgue muito: máximo o número de saltos na rede mesh é análogo ao pacote TTL, faça-o muito grande - seus pacotes vagarão na rede para sempre, consumindo sua largura de banda). O alcance da comunicação pode chegar a centenas de metros.

Em termos de implementação de hardware, a solução mais interessante agora são os chips TI CC1310, CC1350, CC2630 e CC2650 acima mencionados. Para eles, a TI fornece a pilha 6LoWPAN - e, embora você faça algumas danças rituais, tanto por causa da novidade dos chips quanto pelo fato de as pessoas terem visto o ZigBee por hábito, nada é impossível.

Proofpeak:



(este é em nosso escritório uma pequena malha IPv6 de alguns módulos no CC2650 do nosso desenvolvimento e uma porta de saída para o Unwired One)

LoRa . LoRa significa Lo ng Raou seja, diferentemente das opções anteriores, é uma rede da escala de um distrito ou cidade, não um apartamento ou escritório. A topologia de rede é uma estrela (teoricamente, é claro, também pode ser feita celular, mas isso não é considerado um aplicativo padrão), o alcance varia de vários quilômetros em uma área urbana densa a 30-50 km de visibilidade direta. O intervalo é de 868/915 MHz. A velocidade de até 37,5 kbit / s diminui com o aumento da distância entre o receptor e o transmissor. O número de dispositivos é de até 5 mil unidades / km², mas há uma nuance sobre a qual abaixo.

As redes LoRa são projetadas para tarefas muito mais diferentes do que as listadas anteriormente - para coletar dados de um grande número de sensores dispersos em uma grande área ou para gerenciar objetos com as mesmas propriedades. Por exemplo, no LoRa, você pode controlar a iluminação da cidade ou coletar dados centralizados de medidores de eletricidade.

LoRa é uma tecnologia proprietária, sua implementação requer um modem de hardware, presente nos chips fabricados pela Semtech. Esses chips não têm cérebro, são controlados pelo SPI a partir de um controlador externo - no entanto, em aplicações LoRa típicas, isso não desempenha nenhum papel, pois não há corrida para as dimensões do módulo neles.

Além da própria tecnologia LoRa, a Semtech também está desenvolvendo a solução LoRaWAN - a pilha de rede para redes LoRa. Mas aqui está a própria nuance ...

Embora qualquer chip LoRa combine um receptor e um transmissor, devido à topologia em estrela, o tamanho máximo da rede é limitado a exatamente um - a capacidade do canal do canal central do receptor, que deve ser capaz de realizar comunicação de rádio com todos os dispositivos conectados a ele. Portanto, para uso no módulo central, a Semtech lança o chip SX1301 - e, infelizmente, não só ele não pode ser comprado no mercado livre, como também não existe documentação aberta. O SX1301 possui dois front-ends de RF e um carrinho inteiro de modems, portanto, ele pode atender os mesmos 5 mil dispositivos por quilômetro quadrado - mas para desenvolvedores de terceiros, ele está disponível apenas na forma de módulos prontos a um preço de US $ 180 ou mais.

No entanto, se você não precisar dessa densidade de rede, em chips de assinantes comuns (por exemplo, SX1272), você também pode criar o módulo central da "estrela". Com dezenas de dispositivos finais com trocas de rádio não muito intensas, será mais do que suficiente.

Em alguns casos, o uso de redes heterogêneas - LoRa - para fornecer cobertura em uma grande área com “arbustos” de malha ao redor de cada receptor LoRa para fornecer uma alta densidade de cobertura em um determinado ponto, também parece muito interessante.

"Swift" Finalmente - sobre o desenvolvimento doméstico de " Swift ". É improvável que você o utilize devido à sua especificidade e presença à venda apenas na forma de dispositivos prontos, mas precisa ser informado?

Strizh é uma rede em estrela com características de alcance LoRa ligeiramente superiores, velocidade significativamente mais baixa e dois canais separados para recepção e transmissão: os dispositivos de assinante transmitem dados a uma frequência de 868 MHz e a estação central com um poderoso transmissor a 446 MHz. Isso permite aumentar a capacidade da rede (determinada novamente por quantos dispositivos a estação central gerenciará fisicamente para trocar) e também, em alguns casos, fornecer uma melhor cobertura da rede.

Embora os autores não tenham divulgado o dispositivo interno dos modems, é muito provável que este seja o chip Semtech SX1276 LoRa (ele apenas possui duas interfaces de RF que podem ser sintonizadas em frequências diferentes; além dos modems LoRa, esses chips também possuem FSK desmoduladores) e um dos mais jovens STM32 como cérebros. No entanto, o SX1276 é indicado principalmente por outra coisa - o suporte declarado para redes LoRa, para as quais, como lembramos, é necessário um modem de hardware. É claro que você pode supor que a Semtech licenciou a tecnologia Swift e a Swift encomendou chips personalizados na Angstrem, mas ... há alguém da Kompel, me diga - você só tem 1276 de toda a Semtech no armazém, precisamente porque que você os trouxe para baixo do Swift, hein? :)

Ao mesmo tempo, há uma comparação no site da Swiftsua tecnologia com LoRa, que na luz acima parece, digamos, feia. Por exemplo, alega que o custo de um modem LoRa é de US $ 29 e o custo do modem Strizh é de US $ 9 - o que, é claro, é uma contração flagrante: o modem LoRa, todas as outras coisas iguais, será mais barato que o Strizh, devido ao uso de um SX1272 de canal único em vez de SX1276 de canal duplo e de - para um ressonador de quartzo mais simples - o “Swift” para desempenho de rua precisa de um caro TCXO termicamente compensado.

Três clicaram neles para isso.

Source: https://habr.com/ru/post/pt389303/